《材料力学》实验指导书

江西应用科技学院

《材料力学》实验指导书

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江西应用科技学院城市建设学院

2015 年 5 月

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实验项目一 低碳钢的拉伸实验

一、实验目的

1.了解微机控制万能材料试验机的工作原理，演示试验机的基本操作方法； 2.测定低碳钢的抗拉强度σb、屈服强度σS、伸长率δ及截面收缩率ψ；

3.观察低碳钢在拉伸过程中的现象和试样的破坏特征，分析断口破坏原因，绘制拉伸曲线图及断口示意图。

二、实验设备

万能材料试验机、游标卡尺、直尺。

三、实验原理

根据国标GB228-99《金属拉伸试验方法》中的规面积A0定，进行试件的加工和测量。金属材料拉伸实验常用的试件形状如图1-1所示，图中L0段称为标距，一般所说试件的变形就是指这一段的变形。Lc是平行长度， 两端是试验机夹持的部分。

试件在拉伸时，其尺寸、形状对实验结果有较大的影响，为了使实验测得的结果可以互相比较，必须按国家标准GB6397-99《金属拉伸试验试样》的规定，按标准制作试样。拉伸试样一般分为比例和定标距两种试样，表1-1给出圆形截面和矩形截面比例试样的国标规定，供读者参考。 对于一般板材仍按国家标准制成矩形截面试样时，截面面积A和试件标距L的关系为L=11.3A（长试件）或5.65

试 件 名 称 圆形 试件 长 短 长 工作段长度L0图3-1 低碳钢拉伸试件图图1-1 低碳钢拉伸试件图 A（短试件）。

表1-1 比例及非比例试件 圆形试件直径d(mm) 10 10 截面面积A(mm) 78.54 78.54 任意 2标距长度L(mm) 断后伸长率（%） 10d=100 5d=50 11.3δ10 δ5 δ10 矩形 试件 A A 短 任意 5.65δ5 将低碳钢试件置于试验机中拉伸，其拉伸图如图1-2所示: △P（σ）CD OAB△L（ε） 图3-2 低碳钢拉伸σ-ε图图1-2 低碳钢拉伸σ-ε图 2 A点以前，杆件仅有弹性变形，且P和L成线性关系，即遵守虎克定律：

ΔL=

′

PL （1-1） EAA点以后，曲线不再保持直线，至B点开始屈服，以后成锯齿形，B点为载荷下降的最低点。B点的数值与试件加载速度、试件形式等有关，而B点的数值比较稳定，工程上常取B点的载荷作为屈服载荷。因此屈服应力σs=Ps/A。到C点，材料强化，曲线继续上升，至D点试件开始出现颈缩，载荷达到最大值Pb，抗拉强度为：

σb=PbA （1-2）

0′

试件断裂后，用游标卡尺量得标距间长度L1和试件收缩处面积A1,则可得试件的塑性性能：

δ＝L0?L1×100% （1-3） L0ψ＝A0?A1×100% （1-4） A0四、实验步骤

1、试件准备

1）在试件中段取标距L=10d(100mm)（低碳钢试件），用试样划线机将其划分为１０等份。 2）在试件标距范围内用游标卡尺测量中间和两端三处直径，每处在互相垂直的两个方向 上个测量直径一次，选取平均直径最小的一组作为计算截面面积用。 3）根据PMAX=σb·A，估计拉断试件所需要的最大载荷。 2、试验机的准备 1）学习试验机的操作规程

2）根据估算的最大载荷选用相应的测力度盘和摆锤，开机将试验机上工作台上升10mm 左右，把试件安装在试验机的上夹头上，调整指针对零点。

3）移动下工作台，安装好试件（注意，如果试件被夹紧后，对于30吨以上的试验机， 不可再按动下工作台的上升或下降按钮，否则回烧坏下工作台的控制电机）。 4）安装好自动绘图装置。

3、进行实验

用规定的速度进行加载（低碳钢拉伸实验，弹性范围内其加载速度为9.8N/mm/s，屈服后的加载速度为0.5N/mm/s），试件受力后使试验机测力指针均匀地转动，由自动绘图器可观察到试件受力和变形的关系。当测力指针不动或摆动时，说明材料发生流动（屈服），注意观察测力指针倒退的最小值并记录下来，作为实验的流动荷载PS。当流动阶段结束而到达D点时，测力指针

3

2

2

开始回落，D点的数值即为极限荷载Pb，此时试件开始发生颈缩，直到E点，试件最后断裂。

五、实验记录及结果

1、修正拉伸图：应该指出，绘图器所绘制的拉伸图其变形△L是整个试件的伸长，并包括试件在夹具中的滑动，试件在开始受力时在夹具中有滑动现象，故绘出的拉伸图最初一段是曲线，必须加以修正，即将拉伸图直线部分向下延长，使它与横坐标相交，次交点即为原点。

2、 对于拉断后的低碳钢试件，要分别求断后的试件的标距L1和颈缩处的最小直径d1。根 据GB228-87中的规定，测量断后的标距和颈缩的直径方法为：

1）将断后的试件在断口处紧密地对接起来。

2）断口若在中间的三分之一处时（将原标距分为三等份，两端的三分之一和中间的三 分之一），则可用直接测量法进行测量，即测量最外端两线之间的距离。

3）如果断口发生在两端的三分之一处时，则许用“移位法”进行测量，其方法是： （1）在长段上从断口处0取基本等于短段处格数B点，若从长段处B点到所余格数为偶数时，则取所余格数的一半得C点，此时的断后标距为：L1=AB+2BC。

（2）在长段上从断口处0取基本等于短段处格数B点，若从长段处B点到所余格数为数时，则取所余格数加1和减1的一半得C和C1点，则断后的标距为：L1=AB+BC+BC1。

4）测定断面收缩率，在试样颈缩的最小处两个互相垂直的方向上测量其直径d1，计算 其断面收缩率。

5）若断口发生在标距以外，一般认为实验结果无效，必须重新做实验。

六、实验报告要求

1、按照实验报告内容认真填写实验目的、实验设备及绘制实验前后的试样图、拉伸曲线图及试样断口示意图。

2、根据实验报告中的计算公式，将测试数据逐步代入公式，写出计算步骤，计算所求量 的结果。

3、分析试件断裂的原因。

思考题

1、 怎样测取低碳钢材料的下屈服点、伸长率和截面收缩率及抗拉强度？ 2、 根据实验确定塑性材料的力学性能？

3、 试从低碳钢的破坏断口特征说明基本破坏形式的特点？

4、 试件的直径相同而标距长度不同，试件的伸长率和截面收缩率是否相同？

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实验项目二 铸铁的拉伸与压缩实验

一、实验目的

1、测定铸铁的抗拉强度和抗压强度。 2、观察铸铁拉伸和压缩时的变形和破坏现象。 二、实验设备

万能材料试验机、游标卡尺、直尺。 d三、实验原理

根据国标GB228-99《金属拉伸试验方法》中的规定，进行试件的加工和测量。金属材料拉伸实验常用的试件形状同实验项目一低碳钢拉伸试样。按国标GB7314-87《金属压缩试验方法》的规定， 金属的压缩试样多采用圆柱体，试样的长度L一般为直径d的2.5 ~ 3.5倍，如图2-1所示。试样的两端面加工应尽量光滑，以减少摩擦力对横向变形的影响。

图3-4 金属压缩试件图图2-1 金属压缩试件图 L铸铁试件的拉伸图如图2-2，整个拉伸过程中的变形很小，无屈服、颈缩现象，拉伸图无直线段，曲线很快达到最大拉力，试件突然断裂，断裂载荷为Pb，抗拉强度为:

σb=

Pb （2-1） A0以铸铁为代表的脆性材料，由于塑性变形很小，所以尽管有端面摩擦，鼓胀效应确不明显。而是当应力达到一定的值后，试样在与轴线大约成450～550的方向上发生破裂，其破坏示意图和压缩曲线见图2-3。用使试样破坏的最大压力值Pmax除以原截面面积A0即得铸铁抗压强度： P?b?max （2-2） A0△P（σ）△P（σ）△L（ε）O图3-3 铸铁拉伸应力-应变图图2-2 铸铁拉伸σ-ε图 △L（ε）O 图2-3 铸铁压缩σ-ε图 图3-6 铸铁压缩应力-应变图四、实验步骤 1、用游标卡尺在试样两端及中间处两个相互垂直的方向上测量直径，并取其算术平均值， 选用三处测量最小直径来计算横截面面积A0。 2、根据铸铁的抗拉、抗压强度估计值选择试验机的示力盘，按照试验机的要求调整测力指 5

2）慢慢移动减速器，使试样的未夹持端移动至固定夹头的近旁。开电机转动试样，使试样端部截面形状转动到与固定夹头处的形状正对上时就停机。推动减速器，使试样插入固定夹头之中，并夹紧。

4、进行实验：

启动电机（正转或反转），并打开控制软件，设置好数据信息后就开始实验。钢试件在弹性范围内和铸铁试样的全过程的变形较小，应用较低的速度，钢试样在塑性范围内应用较高一点的速度。

用慢速逐渐加载，加载时按下正转按扭，以顺时针方向缓慢转动调速电位器进行无级调速，使之按要求的速度对试件加载，开始加载时就适时采集数据并显示扭转曲线，观察曲线并对照试件，比较两种材料扭转过程中变形特征，直至试件发生扭转破坏。

5、取下试件，清理设备。 6、整理数据，完成实验报告。 五、实验记录及结果

1、记录实验前试样基本尺寸。

2、观察实验现象，并绘制低碳钢和铸铁扭转破坏曲线。

3、记录两种金属材料扭转破坏时的切应力大小，并进行比较分析。 六、实验报告要求

1、按照实验报告格式认真填写实验目的、实验设备，画出低碳钢和铸铁扭转破坏曲线。 2、整理实验数据，得到低碳钢和铸铁扭转破坏时的切应力。 3、分析比较两种金属材料扭转破坏实验现象。

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实验项目六 冲击韧性实验

一、 实验目的

测定低碳钢和铸铁两种材料的冲击韧度，观察破坏情况，并进行比较。 二、 实验仪器设备和工具

冲击试验机，如图6-1所示；游标卡尺等

指针度盘摆锤机身试样支座底座

图6-1 冲击实验机结构图

三、 实验原理和方法

冲击实验利用的是能量守恒原理，即冲击试样消耗的能量是摆锤实验前后的势能差。实验时，把试样放在图6-2的B处，将摆锤举至高度为H的A处自由落下，冲断试样即可。

摆锤在A处所具有的势能为：

E=GH=GL(1-cosa) (6-1)

冲断试样后，摆锤在C处所具有的势能为：

E1=Gh=GL(1-cosb) (6-2)

势能之差E-E1,即为冲断试样所消耗的冲击功AK:

AK=E-E1=GL(cosb-cosa) (6-3)

式中，G为摆锤重力（N）；L为摆长（摆轴到摆锤重心的距离）（mm）；

α为冲断试样前摆锤扬起的最大角度；β为冲断试样后摆锤扬起的最大角度。

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GhLH

图6-2 冲击实验原理图

四、 实验步骤

1、测量试样的几何尺寸及缺口处的横截面尺寸。 2、根据估计材料冲击韧性来选择试验机的摆锤和表盘。 3、安装试样，如图6-3所示。

摆锤刀刃试样支座

图2－29 冲击实验示意图图6-3 冲击实验示意图

4、进行实验。将摆锤举起到高度为H处并锁住，然后释放摆锤，冲断试样后，待摆锤扬起到最大高度，再回落时，立即刹车，使摆锤停住。

5、记录表盘上所示的冲击功AKU值.取下试样，观察断口。实验完毕，将试验机复原。 6、冲击实验要特别注意人身的安全。

五、 实验记录及结果

1、计算冲击韧性值aKU.

aKU=AKUS0(J/cm2) (6-4)

式中,AKU为U型缺口试样的冲击吸收功(J); S0为试样缺口处断面面积(cm2)。

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冲击韧性值aKU是反映材料抵抗冲击载荷的综合性能指标，它随着试样的绝对尺寸﹑缺口形状﹑实验温度等的变化而不同。

2、比较分析两种材料的抵抗冲击时所吸收的功。观察破坏断口形貌特征

六、 实验报告要求

1、按照实验报告格式认真填写实验目的、实验设备，画出实验装置图和弯矩图。 2、将实验数据代入实验报告中的计算公式，写出计算步骤及计算结果。 3、将实验所得结果与理论值比较，分析误差原因。 4、实验报告填写必须认真，并保持报告卷面干净整洁。

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实验项目七 压杆稳定实验

一、 实验目的

1. 用电测法测定两端铰支压杆的临界载荷Pcr，并与理论值进行比较，验证欧拉公式。 2. 观察两端铰支压杆丧失稳定的现象。

二、实验仪器设备和工具

材料力学组合实验台、力~应变综合参数测试仪、游标卡尺、钢板尺等。

三、实验原理和方法

对于两端铰支，中心受压的细长杆其临界力可按欧拉公式计算

(7-1)

式中，Imin — 杠杆横截面的最小惯性矩；Imin = bh3 / 12

L — 压杆的计算长度。

图7-1（b） 中AB 水平线与P轴相交的P值，即为依据欧拉公式计算所得的临界力Pcr 的值。在A点之前，当P< Pcr 时压杆式中保持直线形式，处于稳定平衡状态。在A点，P = Pcr 时，标志着压杆丧失稳定平衡的开始，压杆可在微弯的状态下维持平衡。在A 点之后，当P> Pcr 时压杆将丧失稳定而发生弯曲变形。因此，Pcr 是压杆由稳定平衡过渡到不稳定平衡的临界力。

实际实验中的压杆，由于不可避免地存在初曲率，材料不均匀和载荷偏心等因素影响，由于这些影响，在P远小于Pcr 时，压杆也会发生微小的弯曲变形，只是当P接近Pcr 时弯曲变形会突然增大，而丧失稳定。

图7-1 压杆稳定实验装置图

实验测定Pcr 时，可采用本材料力学多功能实验装置中压杆稳定实验部件，该装置上、下支座为V型槽口，将带有圆弧尖端的压杆装入支座中，在外力的作用下，通过能上下活动的上

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