工程力学实验指导书

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1、工程力学 实验指导书武汉科技学院机电工程学院目目 录录实验一 低碳钢和铸铁的拉伸、压缩实验 .1实验二 梁弯曲的正应力实验.5实验三 薄壁圆筒在弯扭组合变形下主应力测定.8实验四 纯扭转实验.11附录. 1、 组合式材料力学多功能实验台.132、 电测法的基本原理.15实验一 低碳钢和铸铁的拉伸、压缩实验一实验目的 1.用引伸计测定塑性材料的弹性模量； 2.测定塑性材料的上下屈服强度 ReH ，ReL 、抗拉强度m 、断后伸长率和截面收 缩率； 3.测定脆性材料的抗拉强度m ； 4. 观察和分析上述两种材料在拉伸过程中的各种现象，并比较它们力学性质的差异；5.绘制两种材料的应力-伸长率曲线；

2、6.了解材料试验机微机数据采集系统的构造和工作原理，掌握其使用方法。二实验仪器、设备 万能材料试验机，引伸计，力传感器，材料试验机微机数据采集系统、游标卡尺 等。试件 最常见的拉伸试件的截面是圆形和矩形，如图 1-1a、b 所示。夹持 过渡 夹持 过渡 hb l0 d l0l0(a) (b)图 1 试件的截面形式 试样分为夹持部分、过渡部分和待测部分（l） 。标距（l0）是待测部分的主体，其截面 积为 S0。按标距（l0）与其截面积（S0）之间的关系，拉伸试样可分为比例试样和非比例 试样。按国家标准 GB228-2002 的规定，比例试样的有关尺寸如下表 1-1。表 1-1试样标距 l0，(m

3、m)截面积 S0， （mm2）圆形试样直 径 d，(mm)延伸率长11.30S或 10 dA 比例短5.650S或 5 d任意任意A三实验原理 一一一 塑性材料弹性模量的测试： 在弹性范围内大多数材料服从虎克定律，即变形与受力成正比。纵向应力与纵向应变 的比例常数就是材料的弹性模量 E，也叫杨氏模量。因此金属材料拉伸时弹性模量 E 地测 定是材料力学最主要最基本的一个实验。 测定材料弹性模量 E 一般采用比例极限内的拉伸试验，材料在比例极限内服从虎克定律，其荷载与变形关系为：00 ESFLL若已知载荷 F 及试件尺寸，只要测得试件伸长 L 或纵向应变即可得出弹性模量 E。1.)(000 SF

4、SLFLE本实验采用引伸计在试样予拉后，弹性阶段初夹持在试样的中部，过弹性阶段或屈服 阶段，弹性模量 E 测毕取下，其中塑性材料的拉伸实验不间断。 （二）塑性材料的拉伸（低碳钢）： 实验原理如图 2a 所示，首先，实验各参数 的设置由 PC 传送给测控中心后开始实验，拉伸 时，力传感器和引伸计分别通过两个通道将式 样所受的载荷和变形连接到测控中心，经相关 程序计算后，再在 PC 机上显示出各相关实验结 果。图 2a 拉伸实验原理图 2b 所示是典型的低碳钢拉伸图。 当试样开始受力时，因夹持力较小，其夹持部分在夹头内有滑动，故图中开始阶段的 曲线斜率较小，它并不反映真实的载荷变形关系；载荷加大后

5、，滑动消失，材料的拉伸 进入弹性阶段。 应力EDB BC FmReL伸长率 图 2b 典型的低碳钢拉伸图低碳钢的屈服阶段通常为较为水平的锯齿状（图中的 B-C 段） ，与最高载荷 B对应的 应力称上屈服极限，由于它受变形速度等因素的影响较大，一般不作为材料的强度指标； 同样，屈服后第一次下降的最低点也不作为材料的强度指标。除此之外的其它最低点中的 最小值（B 点）作为屈服强度 ReL： ReL =0SFSL当屈服阶段结束后（C 点） ，继续加载，载荷变形曲线开始上升，材料进入强化阶段。 若在这一阶段的某一点（如 D 点）卸载至零，则可以得到一条与比例阶段曲线基本平行的 卸载曲线。此时立即再加载

6、，则加载曲线沿原卸载曲线上升到 D 点，以后的曲线基本与未 经卸载的曲线重合。可见经过加载、卸载这一过程后，材料的比例极限和屈服极限提高了， 而延伸率降低了，这就是冷作硬化。 随着载荷的继续加大，拉伸曲线上升的幅度逐渐减小，当达到最大值（E 点）m 后，试样的某一局部开始出现颈缩，而且发展很快，载荷也随之下降，迅速到达 F 点后，试样 断裂。材料的强度极限m为：m =0SFm当载荷超过弹性极限时，就会产生塑性变形。金属的塑性变形主要是材料晶面产生了 滑移，是剪应力引起的。描述材料塑性的指标主要有材料断裂后的延伸率 和截面收缩率 来表示。 伸长率 %10000lllAu截面收缩率%10000SS

7、SZu式中 l0、lu和 S0、Su分别是断裂前后的试样标距的长度和截面积。 Lu可用下述方法测定： 直接法：如断口到最近的标距端点的距离大于 l0/3，则直接测量两标距端点间的长度 为 lu； 移位法：如断口到最近的标距端点的距离小于 l0/3，如图 1-3 所示：在较长段上，从断 口处 O 起取基本短段的格数，得到 B 点，所余格数若为偶数，则取其一半，得到 C 点； 若为奇数，则分别取其加 1 和减 1 的一半，得到 C、C1点，那么移位后的 lu分别为： lu=AO+OB+2BC， lu=AO+OB+BC+BC1。 A O B C D (a)A O B C C1 D (b)四实验步骤

8、（一）塑性材料的拉伸（圆形截面低碳钢） 1一 1 确定标距 根据表 1-1 的规定，选择适当的标距（这里以 10d 作为标距 l0） ，并测量 l0的实际值。为了便于测量 lu，将标距均分为若干格，如 10 格。 2一 2 试样的测量 用游标卡尺在试样标距的两端和中央的三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直的 两个方向各测一次，取其平均值，并用三个平均值中最小者作为计算截面积的直径 d，并 计算出 S0值。 3一 3 仪器设备的准备根据材料的强度极限m和截面积 S0估算最大载荷值 Fmax，根据 Fmax选择试验机合适 的档位，并调零；同时调整好试验机的自动绘图装置。 4 4 安装试件试件先安

9、装在试验机的上夹头内，再移动下夹头，使其达到适当的位置，并把试件下 端夹紧。 5 5 试加载、卸载。注意试加载值不能超过比例极限。 6一 6 测试 7一材料实验机操作步骤 1.打开主机电源 2.静候数秒，以待机器系统检测 3.打开材料力学测试软件，选取相应测试程序 （或直接在电脑桌面上双击程序图标） 4.按主机“ON”按钮，以使主机与程序相连 5.顺利后，点击“LE”图标以使夹具恢复到设定值 6.用游标卡尺测量试样尺寸，并输入 7.摆放试样于试样台，用夹具夹持试样一端 8.点击“Force 0”图标，以使力值清零 9.用夹具夹持试样另一端 10. 点击“Start”图标，开始测试 11. 弹出

10、试样尺寸确认框，点击“OK” 12. 测试终止后，取出试样 13. 按“LE”按钮，使横梁自动恢复到初始位置，程序自动计算测试结果并作出图表 14. 开始下一次测试 15. 所有测试结束后，点击“Protocol”图标，输入测试报告台头 16. 点击“Print”图标，打印测试报告 17. 保存测试结果文件，另存为*.zse 格式的文件 18. 退出程序 19. 关闭主机电源，清理工作台 20将断裂试件的两断口对齐并尽量靠紧，测量断裂后标距段的长度 lu；测量断口颈缩处 的直径 du，计算断口处的横截面积 Su 。 8一 7 实验结果见打印。（二）脆性材料的拉伸（圆形截面铸铁） 铸铁等脆性材料

11、拉伸时的载荷变形曲线不象低碳钢拉伸那样明显地分为弹性、屈服、 颈缩和断裂四个阶段，而是一根接近直线的曲线，且载荷没有下降段。它是在非常小的变 形下突然断裂的，断裂后几乎不到残余变形。因此，测试它的 ReL、A、Z 就没有实际意义， 只要测定它的强度极限m就可以了。 实验前测定铸铁试件的横截面积 S0，然后在试验机上缓慢加载，直到试件断裂，记录 其最大载荷 Fm ，求出其强度极限m。五. 讨论与思考 1. 当断口到最近的标距端点的距离小于 l0/3 时，为什么要采取移位的方法来计算 lu？ 2. 用同样材料制成的长、短比例试件，其拉伸试验的屈服强度、伸长率、截面收缩率 和强度极限都相同吗？ 3.

12、 观察铸铁和低碳钢在拉伸时的断口位置，为什么铸铁大都断在根部？ 4. 比较铸铁和低碳钢在拉伸时的力学性能。实验二实验二 纯弯曲梁的正应力实验纯弯曲梁的正应力实验一、实验目的一、实验目的1、测定梁在纯弯曲时横截面上正应力大小和分布规律 2、验证纯弯曲梁的正应力计算公式二、实验仪器设备和工具二、实验仪器设备和工具1、组合实验台中纯弯曲梁实验装置 2、XL2118 系列力应变综合参数测试仪 3、游标卡尺、钢板尺三、实验原理及方法三、实验原理及方法在纯弯曲条件下，根据平面假设和纵向纤维间无挤压的假设，可得到梁横截面上任一 点的正应力，计算公式为= My / Iz 式中 M 为弯矩，Iz为横截面对中性轴

13、的惯性矩；y 为所求应力点至中性轴的距离。 为了测量梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律，在梁的纯弯曲段沿梁侧面不同高 度，平行于轴线贴有应变片（如图 1） 。 P/2 P/2ha a bL图 1 应变片在梁中的位置实验可采用半桥单臂、公共补偿、多点测量方法。加载采用增量法，即每增加等量的 载荷P，测出各点的应变增量，然后分别取各点应变增量的平均值实 i，依次求出 各点的应变增量 实 i=E实 i 将实测应力值与理论应力值进行比较，以验证弯曲正应力公式。四、实验步骤四、实验步骤1、设计好本实验所需的各类数据表格。 2、测量矩形截面梁的宽度 b 和高度 h、载荷作用点到梁支点距离 a 及各应变片

14、到中性 层的距离 yi。见附表 1 3、拟订加载方案。先选取适当的初载荷 P0（一般取 P0 =10Pmax左右） ，估算 Pmax（该实验载荷范围 Pmax4000N） ，分 46 级加载。341#762#54、根据加载方案，调整好实验加载装置。 5、按实验要求接好线，调整好仪器，检查整个测试系统是否处于正常工作状态。 6、加载。均匀缓慢加载至初载荷 P0，记下各点应变的初始读数；然后分级等增量加 载， 每增加一级载荷，依次记录各点电阻应变片的应变值 i，直到最终载荷。实验至少重复两 次。见附表 2 7、作完实验后，卸掉载荷，关闭电源，整理好所用仪器设备，清理实验现场，将所用 仪器设备复原，实验资料交