材料力学实验指导书(拉伸、扭转、冲击、应变)

C 61`材料的拉伸压缩实验

一、实验目的

1. 观察试件受力和变形之间的相互关系；

2. 观察低碳钢在拉伸过程中表现出的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象；观

察铸铁在压缩时的破坏现象。 3. 测定拉伸时低碳钢的强度指标（?s、?b）和塑性指标（?、?）；测定压缩时铸铁的

强度极限?b。 4. 学习、掌握电子万能试验机的使用方法及工作原理。

二、实验设备

1. 微机控制电子万能试验机； 2. 游标卡尺。 三、实验材料

拉伸实验所用试件（材料：低碳钢）如图1所示，压缩实验所用试件（材料：铸铁）如图2所示：

l0 l d0 图1 拉伸试件 图2 压缩试件

四、实验原理 1、拉伸实验

低碳钢试件拉伸过程中，通过力传感器和位移传感器进行数据采集，A/D转换和处理，并输入计算机，得到F-?l曲线，即低碳钢拉伸曲线，见图3。

对于低碳钢材料，由图3曲线中发现OA直线，说明F正比于?l，此阶段称为弹性阶段。屈服阶段（B-C）常呈锯齿形，表示载荷基本不变，变形增加很快，材料失去抵抗变形能力，这时产生两个屈服点。其中，B?点为上屈服点，它受变形大小和试件等因素影响；

B点为下屈服点。下屈服点比较稳定，所以工程上均以下屈服点对应的载荷作为屈服载荷。测定屈服载荷Fs时，必须缓慢而均匀地加载，并应用?s=Fs/ A0（A0为试件变形前的横截面积）计算屈服极限。

图3 低碳钢拉伸曲线

屈服阶段终了后，要使试件继续变形，就必须增加载荷，材料进入强化阶段。当载荷达到强度载荷Fb后，在试件的某一局部发生显著变形，载荷逐渐减小，直至试件断裂。应用公式?b=Fb/A0计算强度极限（A0为试件变形前的横截面积）。 根据拉伸前后试件的标距长度和横截面面积，计算出低碳钢的延伸率?和端面收缩率?，即

??l1?l0A?A1?100%，??0?100% l0A0式中，l0、l1为试件拉伸前后的标距长度，A1为颈缩处的横截面积。 2、压缩实验

铸铁试件压缩过程中，通过力传感器和位移传感器进行数据采集，A/D转换和处理，

并输入计算机，得到F-?l曲线，即铸铁压缩曲线，见图4。

图4 铸铁压缩曲线

对铸铁材料，当承受压缩载荷达到最大载荷Fb时，突然发生破裂。铸铁试件破坏后表明出与试件横截面大约成45?～55?的倾斜断裂面，这是由于脆性材料的抗剪强度低于抗压强度，使试件被剪断。

材料压缩时的力学性质可以由压缩时的力与变形关系曲线表示。铸铁受压时曲线上没有屈服阶段，但曲线明显变弯，断裂时有明显的塑性变形。由于试件承受压缩时，上下两端面与压头之间有很大的摩擦力，使试件两端的横向变形受到阻碍，故压缩后试件呈鼓形。

铸铁压缩实验的强度极限：?b=Fb/A0（A0为试件变形前的横截面积）。 五、实验步骤及注意事项 1、拉伸实验步骤

（1）试件准备：在试件上划出长度为l0的标距线，在标距的两端及中部三个位置上，

沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d0。

（2）试验机准备：按试验机?计算机?打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运行配套软件。 （3）安装夹具：根据试件情况准备好夹具，并安装在夹具座上。若夹具已安装好，对夹具进行检查。

（4）夹持试件：若在上空间试验，则先将试件夹持在上夹头上，力清零消除试件自重后再夹持试件的另一端；若在下空间试验，则先将试件夹持在下夹头上，力清零消除试件自重后再夹持试件的另一端。

（5）开始实验：点击主机小键盘上的试样保护键，消除夹持力；位移清零；按运行命令按钮，按照软件设定的方案进行实验。

（6）记录数据：试件拉断后，取下试件，将断裂试件的两端对齐、靠紧，用游标卡尺测出试件断裂后的标距长度l1及断口处的最小直径d1（一般从相互垂直方向测量两次后取平均值）。 2、 压缩实验步骤

（1）试件准备：用游标卡尺在试件中点处两个相互垂直的方向测量直径d0，取其算术平均值，并测量试件高度h0。

（2）试验机准备：按试验机?计算机?打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运行配套软件。 （3）安装夹具：根据试件情况准备好夹具，并安装在夹具座上。若夹具已安装好，对夹具进行检查。

（4）放置试件：试验力清零；把试件放在压盘中间，通过小键盘调节横梁位置，通过肉眼观察，到上压盘离试件上平面还有一定缝隙时停止。（注意：尽量将试件放在压盘的中心，如放偏的话对试验结果甚至是试验机都有影响。） （5）开始实验：位移清零；按运行命令按钮，按照软件设定的方案进行实验。

（6）记录数据：试件压断后，取下试件；记录强度载荷Fb。

六、实验报告内容及要求 1、绘制拉伸曲线（F-?l曲线）。

低碳钢拉伸曲线

铸铁拉伸曲线

压缩曲线1

压缩曲线2

2、拉伸实验数据及计算结果处理。

实 试 验 件 材 规 料 格 实 验 前 截面尺寸d0/mm 截面面积A0/ 测量 部位 低 中 碳 钢 下 10.08 10.06 10.12 10.10 5.4 上 10.00 10.10 10.08 5.4 测 量 数 值 10.06 10.03 10.03 316.05 111.04 平均值 d0 mm2 标距长度实 验 后 断口截面尺寸截面面积A1/ mm2 标距长度l1/ mm 屈服极限强度极限延伸率?/ % 断面收缩率?/% ?s/ MPa ?b/ MPa l0/ mm d0/mm 测 量 数 值 平均值 d1 5.4 91.61 142.86 75.94 109.32 28.66 71.01 3、压缩实验数据 第一根 直径（mm） 7.90 7.88 7.92 第二根 3、计算铸铁压缩实验的强度极限?b。

6.88 6.90 6.92 平均 7.90 6.90 9.20 高（mm） 20.00 材料冲击实验

一、实验目的

1、观察分析低碳钢材料在常温冲击下的破坏情况和断口形貌。 2、测定低碳钢材料的冲击韧度?k值。 3、了解冲击试验方法。

二、实验设备

1、液晶全自动金属摆锤冲击试验机。 2、游标卡尺。

三、实验材料

本实验采用GB/T 229?1994标准规定的10mm?10mm?55mm U形缺口或V形缺口试件。

四、实验步骤及注意事项

1、测量试件缺口处尺寸，测三次，取平均值，计算出横截面面积。

2、检查回零误差和能量损失：正式试验开始前在支座上不放试件的情况下“空打”一次：

（1）取摆：按“取摆”键，摆锤逆时针转动； （2）退销：按“退销”键，保险销退销；

（3）冲击：按“冲击”键，挂/脱摆机构动作，摆锤靠自重绕轴开始进行冲击； （4）放摆：按“放摆”键，保险销自动退销，当摆锤转至接近垂直位置时便自动停摆；

（5）清零：按“清零”键，使摆锤角度值复位为零。注意：必须在摆锤处于垂直

静止状态时方可执行此动作。 第一次“空打”后显示屏上显示的空打冲击吸收功N1即为回零误差，此值经校正后应不大于此摆锤标称能量值的0.1%。

继续“空打”五次，记下第六次空打冲击吸收功N6，则摆锤在摆动中由于空气和摩擦阻力造成的能量损失为：

e?1?N6?N1? 10 此值应不大于此摆锤标称能量值的0.5%。

3、正式试验：按“取摆”键，摆锤逆时针转动上扬，触动限位开关后由挂摆机构挂住，保险销弹出，此时可在支座上放置试件（注意试件缺口对中并位于受拉边）。然后顺序执行以上 “取摆”、“退销”、“冲击”、“放摆”动作。显示屏上将显示该试件的冲击吸收功和相应的冲击韧度。

4、摆锤抬起后，严禁在摆锤摆动范围内站立、行走和放置障碍物。

五、实验数据记录及结果处理

材 试件缺口处横截面积料 A(cm2) 低碳钢 铸铁

冲击功W(N?m) 冲击韧度?k?(N?m/ cm2) W A0.868 0.862 123.542 1.867 142.329 2.166

低碳钢 低碳钢

材料的扭转实验

一、实验目的

1、观察低碳钢和铸铁的变形现象及破坏形式。 2、测定低碳钢的剪切屈服极限和强度极限。 3、测定铸铁的剪切强度极限。

二、实验设备

1、微机控制电子扭转试验机。 2、游标卡尺。

三、实验试件

实验所用试件与拉伸试件标准相同，如下图1所示。为防止打滑，试件的夹持段宜为类矩形：

图1

四、实验原理

圆柱形试件在扭转时，横截面边缘上任一点处于纯剪切应力状态（图2）。由于纯剪切应力状态是属于二向应力状态，两个主应力的绝对值相等，大小等于横截面上该点处的剪应力?，?1与轴线成45°角。圆杆扭转时横截面上有最大剪应力，而45°斜截面上有最大拉应力，由此可以分析低碳钢和铸铁扭转时的破坏原因。由于低碳钢的抗剪强度低于抗拉强度，试件横截面上的最大剪应力引起沿横截面剪断破坏；而铸铁抗拉强度低于抗剪强度，试件由与杆轴线成45°的斜截面上的?1引起拉断破坏。

?3 T ?1 T ? ?3 ?1 图2 在低碳钢试件受扭过程中，通过扭矩传感器和扭角传感器进行数据采集，A/D转换和

处理，并输入计算机，得到T??曲线，T??曲线也叫扭转图，如图3所示。图中起始直线段OA表示试件在这个阶段中的T与?成比例，截面上的剪应力是线性分布，如图4(a)所示。此时截面周边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限?s。由于这时截面内部的剪应力小于?s，故试件仍具有承载能力，T??曲线呈继续上升的趋势。扭矩超过Tp后，截面上的剪应力分布不再是线性的，如图4(b)所示。在截面上出现了一个环状塑性区，并随着T的增长，塑性区逐步向中心扩展，T??曲线稍微上升，直至B点趋于平坦，截面上各点材料完全达到屈服，这时的扭矩即为屈服扭矩Ts，如图4(c)所示。

C T

A Tp B Tb Ts O ? 图3

剪切屈服极限为：

?s?3Ts? （1） 4Wt?d3式中，Wt?是实心试件的抗扭截面模量（或称抗扭截面系数）。

16 ?s ?s

?s

T?TP时的剪应力分布 TP?T?Ts时的剪应力分布 T?Ts时的剪应力分布

（a） （b） （c）

图4

继续给试件加载，试件再继续变形，材料进一步强化。从图3看出，当扭矩超过Ts后，?增

加很快，而T增加很小，BC近似一根不通过坐标原点的直线。在C点时，试件被剪断，此时的扭矩为最大扭矩Tb。 剪切强度极限为：

?b?3Tb? (2) 4Wt但是，为了试验结果相互之间的可比性，根据国标GB/T 10128－1988规定，低碳钢扭转屈服点和抗扭强度采用下式计算：

?s?

TsT ?b?b (3) WtWt铸铁材料的T??曲线如图5所示，从开始受扭直到破坏，近似为一直线，故近似地按弹性应力公式计算：

?b?

T

Tb （4） WtTb 五、实验步骤及注意事项

1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径

取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。

2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使

用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。 3、装夹试件：

（1）先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另一个定位环

夹套在试件的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试件标距要求，将试件搁放在相应的V形块上，使两卡盘与V形块的两端贴紧，保证卡盘与试件垂直，以确保标距准确。将卡盘上的螺钉拧紧。

（2）先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显的偏差，请按下“正转”

或“反转”按键进行微调。将已安装卡盘的试件的一端放入从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试件夹紧。按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。推动移动支座移动，使试件的头部进入主动夹头的钳口间。先按下“试件保

? 图5

护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试件夹紧。

（3）将扭角测量装置的转动臂的距离调好，转动转动臂，使测量辊压在卡盘上。 4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运

行”键，开始试验。

5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验

数据和计算结果。

6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的铁屑，关断电源。

六、实验报告内容及要求

1、实验数据记录及结果处理: 剪切剪切抗扭截屈服扭破坏的最小直破坏扭屈服强度断口材料 面模量矩力学原径d/mm 矩T/Nm 极限极限形状 bWp/mm3 Ts/Nm 因 MPa MPa 低碳钢 铸 铁 2、绘制材料的扭转曲线（T??曲线）。

10.0 10.0 196.35 196.35 20.2 56.95 43.83 102.9 290.4 平 剪断 拉断 232.2 不平

铸铁的扭转曲线

3、绘制材料的断口草图，说明其特征并分析破坏原因。

低碳钢的断口是平的，破坏原因是被剪断的；铸铁的断口是不平的，断痕与轴线大约成45°，破坏原因是被拉断的。

应变测量实验

一、 实验目的

1、 学习应变片粘贴、使用的基本方法

2、 学习电桥的联线方法及电桥的测量原理和特点 3、 学习使用WS-3811应变仪测量应变的基本方法 二、 实验原理

利用惠斯登电桥原理进行测量 三、 实验仪器

微型计算机、WS-3811数字式应变仪、桥盒、应变片及其附件 四、 实验内容

1、 选片：在确定采用那种类型的应变计后，用肉眼或放大镜检查丝栅是否平行，有否霉点、锈点、

用数字式万用表测量各应变片电阻值。所选应变片的电阻阻值要与其桥盒匹配，如桥盒内置电阻为120Ω，那么，使用的应变片也要是120Ω。

2、 测点表面的清洁处理：为使应变计能与被测试件贴牢，对测点表面要进行清洁处理。首先把测

点表面用砂纸打磨；使测点表面平整、光洁。然后用棉花球蘸丙酮擦洗表面的油污，到棉花球不黑为止。打磨好的表面，如暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。

3、 贴片：在测点位置和应变片的底基面上，涂上薄薄一层胶水，一手捏住应变片引出线，在应变

片上面盖一层聚乙烯塑料膜作为隔层，用手指在应变片的长度方向滚压，挤出片下气泡和多余的胶水，直到应变片与被测物紧密粘合为止。手指保持不动按压抑段时间后再放开，注意按压时不要使应变片移动，轻轻掀开薄膜检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则需重贴。注意粘结剂不要用得过多或过少，过多则胶层太厚影响应变片性能，过少则粘结不牢不能准确传递应变。

4、 干燥处理：应变计粘贴好后应有足够的粘结强度以保证与试件共同变形。此外，应变计和试件

间应有一定的绝缘度，以保证应变读数的稳定。为此，在贴好片后就需要进行干燥处理，气温在20℃以上，相对湿度在55％左右时用502胶水粘贴，采用自然干燥即可。 5、 接线：由于应变片的两条连线很

细，所以要应使用“转接片”连接导线（如图所示），避免测量时拉短应变片的连线。

6、 防潮处理：为避免胶层吸收空气

中的水分而降低绝缘电阻值，应在应变片接好线并且绝缘电阻达到要求后，立即对应变计进行防潮处理。防潮处理应根据实验的要求和环境采用不同的防潮材料。一般选用703、704硅胶即可。 7、 应变桥盒的接线方法：

（1） 应变仪面板7针信号输入插头接线方

应变桥（桥压：±1V ）接线方法：

④ 桥压-1V ③ 桥压-1V

⑤ 桥压+1V ② 信号+

⑥ 桥压+1V ① 信号-

⑦ 屏蔽地

说明：7针插头接线方法：

针1：信号- 针2：信号+ 针3：桥压-1V 针4：桥压-1V 针5：桥压+1V 针6：桥压+1V 针7：屏蔽地

应变仪面板（7针插头）电压信号（对于输出为电压的传感器）输入接线方法：

② 信号+

① 信号-

⑦ 信号地

接线说明： 应变仪(７针插头) 测量端（电压信号）

① 信号＋ 信号＋ ② 信号－ 信号－ ⑦ 信号地 （2） 应变桥盒使用方法

桥盒内部电路见后附电路图。

一个应变片桥盒（1/4桥）使用方法

2线制(1/4桥) 1个测量应变片 应变片贴法 1/4桥桥盒接线图示 单应变片桥路逻辑图 按“1/4桥盒接法图示”把一个应变片接到两条线的另一端，注意桥盒上要有3个短接插片。

二个应变片桥盒（半桥）使用方法 2个测量应变片R1和R2 (半桥)同面垂直粘贴逻辑图 1个测量应变片 1个补偿应变片(静止) 应变片贴法 半桥桥盒接线图示 按“半桥盒接法图示”把两个应变片分辨接到“红-黑”线和“蓝-黑”线的另一端，其中黑线为两个应变片的共用线，注意桥盒上要去掉1个短接插片，保留2个短接插片。

8、 测试量程和滤波设置

打开Vib’ SYS信号采集、处理和分析软件，从菜单“信号采集”选择“动、静应变采集”进入应变测量界面，如下图所示。

对于应变或其它传感器信号的测量，应选择比较适合的测量量程，选择测量量程时应尽量选择比较小的

三、实验数据及处理

11梁试件的弹性模量E?2.1?10Pa

梁试件的横截面尺寸h＝ 41 ㎜，b＝ 21 ㎜ 支座到集中力作用点的距离d＝ 97 ㎜

各测点到中性层的位置：y1＝ 20.5㎜ y2＝ 10.25 ㎜ y3＝ 0 ㎜

y4＝10.25㎜ y5＝20.5 ㎜ y6＝20.5 ㎜

载 荷(N) 静态电子应变仪读数(?10?6) 1点 读数增量读数2点 增量读数3点 增量4点 读数增量读数5点 增量6点 读数增量F ?F ?1 0 -23 ??1 -23 ?2 0 -10 ??2 -10 ?3 0 0 ??3 0 ?4 0 13 ??4 13 ?5 0 -11 ??5 -11 ?6 0 4 ??6 4 0 604 604 640 1244 744 1988 ?F -23 -46 -28 -74 -35 -21 -11 1 -14 2 1 26 1 40 13 -18 14 -26 -6 13 -8 26 9 13 ??1 -24.67 ??2 -11.67 1点 ??3 0.67 ??4 13.33 ??5 -8.33 5点 0.00174 0.00546 65 ??6 8.67 6点 662.67 应变片位置 2点 0.00243 0.0218 88.8 3点 0 0 0 4点 0.00280 0.0218 88 实验应力值/MPa 理论应力值/MPa 相对误差/% 泊松比值 0.00518 0.00546 5.1 0.00182 0.00546 65 ?? 注：表中读数?1、?2、?3、?4、?5、?6为两次实验所得读数的平均值。

?F为荷载增量的平均值。??1、??2、??3、??4、??5、??6为各点应变增量的平均值

四、应力分布图(理论和实验的应力分布图画在同一图上)

五、思考题

1.为什么要把温度补偿片贴在与构件相同的材料上?

2.影响实验结果的主要因素是什么?

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