工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、實(shí)驗(yàn)一：低碳鋼和灰口鑄鐵的拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1試樣在拉伸或壓縮實(shí)驗(yàn)過程中，觀察試樣受力和變形兩者間的相互關(guān)系，并注意觀察材料的彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮、斷裂等物理現(xiàn)象。 2測(cè)定該試樣所代表材料的s、b、等值。 3對(duì)典型的塑性材料和脆性材料進(jìn)行受力變形現(xiàn)象比較，對(duì)其強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)進(jìn)行比較。 4學(xué)習(xí)、掌握微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)的使用方法及其工作原理。 二、儀器設(shè)備和量具 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，材料試驗(yàn)機(jī)，數(shù)顯壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)，游標(biāo)卡尺。 三、低碳鋼的拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn) 1低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn) 在拉伸實(shí)驗(yàn)前，測(cè)定低碳鋼試件的直徑d和標(biāo)距L。試件受拉伸過程中，觀察屈服（流動(dòng)）、強(qiáng)化、頸縮、斷

2、裂等現(xiàn)象；繪制pL曲線如圖21（a）所示；記錄試件的屈服抗力Ps和最大抗力Pb。試件斷裂后，測(cè)量斷口處的最小直徑d1和標(biāo)距間的距離L1。依據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算低碳鋼材料的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)。圖21 低碳鋼拉伸圖及壓縮圖 強(qiáng)度指標(biāo)： 屈服極限 強(qiáng)度極限 塑性指標(biāo)： 延伸率 斷面收縮率 2低碳鋼的壓縮實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)前，測(cè)量試件的直徑d和高度h。實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察低碳鋼試件壓縮過程中的現(xiàn)象，繪出PL曲線，測(cè)定試件屈服時(shí)的抗力Ps，從而計(jì)算出低碳鋼的屈服極限： 四、灰口鑄鐵的壓縮實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)前測(cè)定試件的直徑d和高度h。實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察灰口鑄鐵試件在壓縮過程中的現(xiàn)象，尤其是斷口形狀；繪出PL曲線如圖22（b）所示；記錄

3、壓縮破壞時(shí)的最大抗力Pb，計(jì)算灰口鑄鐵壓縮強(qiáng)度極限。即圖22 灰口鑄鐵壓縮圖 五、實(shí)驗(yàn)操作 1準(zhǔn)備工作 （1）打開試驗(yàn)機(jī)總電源，打開電腦。 （2）測(cè)量拉伸試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度L和直徑d，測(cè)量低碳鋼壓縮試樣的長(zhǎng)度H和直徑d，作好原始數(shù)據(jù)的記錄。 2安裝試件 將試件夾持于材料試驗(yàn)機(jī)的上夾頭中，為了夾持方便可用向下或向上運(yùn)行調(diào)節(jié)下夾頭的位置，使下拉伸夾頭能夾住試件時(shí)立即停機(jī)。將橫梁速度轉(zhuǎn)到2mm/min擋，然后把試件夾持于下夾頭中（此時(shí)試件可能已受到了夾緊過程中少量的軸力，故不要再調(diào)整儀器荷載的零點(diǎn)）。3打開液壓泵和控制器電源，運(yùn)行測(cè)試軟件，新建實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。4對(duì)顯示數(shù)據(jù)清零，點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)”，打開控制單元，選擇

4、“速度控制”，控制速度以5mm/min為宜（在210 mm/min速度范圍內(nèi)可任意選擇），開始實(shí)驗(yàn)。 5加載試驗(yàn) 注意觀察實(shí)驗(yàn)過程中的試件變形情況和“力-位移”曲線的變化情況。 在此實(shí)驗(yàn)中注意彈性范圍和屈服現(xiàn)象，記下屈服時(shí)的荷載。屈服段之后，可提高加載速度，按下5mm/min鍵或按下10mm/min。注意觀察材料的強(qiáng)化和頸縮現(xiàn)象，記錄荷載極限值。 6儀器復(fù)原實(shí)驗(yàn)完后要使儀器復(fù)原，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)機(jī)控制器，關(guān)閉油泵電源，關(guān)閉測(cè)試軟件，整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉總電源。7普通材料實(shí)驗(yàn)機(jī)操作步驟（1）測(cè)量試件原始尺寸（直徑和標(biāo)距）（2）安裝試件，貼記錄紙，安裝記錄筆（3）刻度盤調(diào)零，加載（靜載）（4）記錄屈服時(shí)的拉

5、力（F1）（5）繼續(xù)加載，直至出現(xiàn)明顯的局部變形后斷裂，記錄最大拉力（F2）（6）拆下試件和記錄紙，測(cè)量斷裂后最小截面尺寸和斷后標(biāo)距 8低碳鋼壓縮實(shí)驗(yàn) 其操作步驟與拉伸時(shí)基本相同，不同之處有： （1）試件放于下壓頭的中心處，轉(zhuǎn)動(dòng)上壓頭手輪，使上壓頭逐漸接近試樣。但不能接觸試樣。 （2）輸入原始數(shù)據(jù)（直徑），關(guān)閉回油閥，按下“試驗(yàn)”按鈕，清零。 （3）按“啟動(dòng)”按鈕，緩慢打來進(jìn)油閥（注意控制加載速率），使上壓頭接觸試樣，控制進(jìn)油閥開度，使加荷速率控制在8N/s以內(nèi)。（4）試樣不會(huì)斷裂，當(dāng)壓力達(dá)到500左右，即可停止實(shí)驗(yàn)，記錄最大壓力。（5）打開回油閥，取出試件，關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)電源。 9鑄鐵壓縮實(shí)驗(yàn)操

6、作步驟與低碳鋼壓縮相同，不同的是試件破斷后停機(jī)。六、預(yù)習(xí)思考題 1低碳鋼試樣拉伸斷裂時(shí)的載荷比最大載荷Pb小，按公式=P/A0計(jì)算，斷裂時(shí)的應(yīng)力比b小，為什么應(yīng)力減小后反而斷裂。 2壓縮時(shí)為什么必須將試件對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)壓頭的中心位置，如沒有對(duì)中會(huì)產(chǎn)生什么影響？ 3說明壓縮過程中鑄鐵和低碳鋼變形特點(diǎn)和破壞情況。實(shí)驗(yàn)二扭轉(zhuǎn)試驗(yàn) 一、試驗(yàn)?zāi)康?1、測(cè)定低碳鋼的剪切屈服極限s。和剪切強(qiáng)度極限近似值b。 2、測(cè)定鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限b。 3、觀察并分析兩種材料在扭轉(zhuǎn)時(shí)的變形和破壞現(xiàn)象。 二、設(shè)備和儀器 1、材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī) 2、游標(biāo)卡尺 三、試驗(yàn)原理 1、低碳鋼試樣 對(duì)試樣緩慢加載，試驗(yàn)機(jī)的繪圖裝置自動(dòng)繪制出T

7、-曲線（見圖1）。最初材料處于圖1 低碳鋼是扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)彈性狀態(tài)，截面上應(yīng)力線性分布，T-圖直線上升。到A點(diǎn)，試樣橫截面邊緣處剪應(yīng)力達(dá)到剪切屈服極限s。以后，由屈服產(chǎn)生的塑性區(qū)不斷向中心擴(kuò)展，T-圖呈曲線上升。至B點(diǎn)，曲線趨于平坦，這時(shí)載荷度盤指針停止不動(dòng)或擺動(dòng)。這不動(dòng)或擺動(dòng)的最小值就是屈服扭矩Ts。再以后材料強(qiáng)化，T-圖上升，至C點(diǎn)試樣斷裂。在試驗(yàn)全過程中，試樣直徑不變。斷口是橫截面（見圖2a），這是由于低碳鋼抗剪能力小于抗拉能力，而橫截面上剪應(yīng)力最大之故。 圖2 低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)端口形狀據(jù)屈服扭矩 （2-1）按式2-1可計(jì)算出剪切屈服極限s。 據(jù)最大扭矩Tb可得： （2-2）按式2-2可計(jì)算

8、出剪切強(qiáng)度極限近似值b。 說明：（1）公式（2-1）是假定橫截面上剪應(yīng)力均達(dá)到s后推導(dǎo)出來的。公式（2-2）形式上與公式（2-1）雖然完全相同，但它是將由塑性理論推導(dǎo)出的Nadai公式略去了一項(xiàng)后得到的，而略去的這一項(xiàng)不一定是高階小量，所以是近似的。 （2）國(guó)標(biāo)GB10128-88規(guī)定s和b均按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算，這樣得到的結(jié)果可以用來比較不同材料的扭轉(zhuǎn)性能，但與實(shí)際應(yīng)力不符。 II、鑄鐵試樣 鑄鐵的曲線如圖3所示。呈曲線形狀，變形很小就突然破裂，有爆裂聲。斷裂面粗糙，是與軸線約成45°角的螺旋面（見圖1-3-2b）。這是由于鑄鐵抗拉能力小于抗剪能力，而這面上拉應(yīng)力最大之故。據(jù)斷裂前的最大扭矩Tb按彈性扭轉(zhuǎn)公式1-3-3可計(jì)算抗扭強(qiáng)度b。 圖3 鑄鐵扭轉(zhuǎn)曲線圖四、試驗(yàn)步驟 1、測(cè)量試樣尺寸 以最小橫截面直徑計(jì)算截面系數(shù)（抗扭截面模量）Wp。 2、試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備 刻度盤指針調(diào)零指針調(diào)零，安裝繪圖記錄紙，安裝記錄筆。 3、安裝試樣，用粉筆在試樣上畫一母線，用以觀察試樣變形情況。 4、測(cè)試 對(duì)低碳鋼試樣，起先緩慢加載，注意觀察繪圖和載荷指針轉(zhuǎn)動(dòng)情況。待記錄下屈服扭矩Ts后改用快速加載，直至斷裂記錄下最大扭矩Ts。 對(duì)鑄鐵試樣，慢速加載，注意觀察繪圖、載荷指針