材料力學(xué)實驗教案

1、第十三章材料力學(xué)第一節(jié)低碳鋼的拉伸實驗一、實驗名稱低碳鋼的拉伸實驗。二、實驗?zāi)康?測定低碳鋼的屈服極限s、強度極限b、伸長率和斷面收縮率；2觀察低碳鋼拉伸過程中的彈性變形、屈服、強化和縮頸等物理現(xiàn)象；3. 熟悉材料試驗機和游標(biāo)卡尺的使用。三、實驗設(shè)備1手動數(shù)顯材料試驗機2MaxTC220試驗機測試儀3游標(biāo)卡尺四、試樣制備低碳鋼試樣如圖所示，直徑d=10mm，測量并記錄試樣的原始標(biāo)距L0。五、實驗原理1. 材料達到屈服時，應(yīng)力基本不變而應(yīng)變增加，材料暫時失去了抵抗變形的能力，此時的應(yīng)力即為屈服極限s。2. 材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力，即為強度極限b。3. 試樣的原始標(biāo)距為L0，拉斷后將兩段試

2、樣緊密對接在一起。量出拉斷后的長度L1，伸長率為拉斷后標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比，即 4. 拉斷后，斷面處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比為斷面收縮率，即1 / 18式中A0試樣原始橫截面積；A1試樣拉斷后斷口處最小橫截面積。六、實驗步驟1調(diào)零。打開力儀開關(guān)，待示力儀自檢停后，按清零按鈕，使顯示屏上的按鈕顯示為零。2加載。用手握住手柄，順時針轉(zhuǎn)動施力使動軸通過傳動裝置帶動千斤頂?shù)慕z杠上升，使試樣受力，直至斷裂。3示力。在試樣受力的同時，裝在螺旋千斤頂和頂梁之間的壓力傳感器受壓產(chǎn)生壓力信號，通過回蕊電纜傳給電子示力儀，電子示力儀的顯示屏上即用數(shù)字顯示出力值。4關(guān)機。實驗完畢，卸下試樣，

3、操作定載升降裝置使移動掛梁降到最低時關(guān)閉力儀開關(guān)，斷開電源。 七、數(shù)據(jù)處理1. 記錄相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)原始直徑斷口直徑原始標(biāo)距拉斷后標(biāo)距長度（mm）do=10mmd1=Lo=L1=2. 計算伸長率和斷面收縮率3. 在應(yīng)力應(yīng)變圖中標(biāo)出屈服極限s和強度極限b八、應(yīng)力應(yīng)變圖分析低碳鋼的拉伸過程分為四個階段，分別為彈性變形階段、屈服階段、強化階段和縮頸階段。1. 彈性變形階段：在拉伸的初始階段，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系為直線，此階段符合胡克定律，即應(yīng)力和應(yīng)變成正比；2. 屈服階段：超過彈性極限后，應(yīng)力增加到某一數(shù)值時，應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)接近水平線的小鋸齒形線段，此時，應(yīng)力基本保持不變，而應(yīng)變顯著增加，材料失去了抵抗

4、變形的能力，鋸齒線段對應(yīng)的應(yīng)力為屈服極限；3. 強化階段：經(jīng)屈服階段后，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形，必須增加拉力，強化階段中最高點對應(yīng)的應(yīng)力為材料所能承受的最大應(yīng)力，即強度極限；4. 縮頸階段：當(dāng)應(yīng)力增大到最大值之后，試樣某一局部出現(xiàn)顯著收縮，產(chǎn)生縮頸，此后使試樣繼續(xù)伸長所需要的拉力減小，最終試樣在縮頸處斷裂。九、實驗作業(yè)1說明測定屈服極限s、強度極限b、伸長率和斷面收縮率的實驗原理及拉伸實驗的實驗步驟；2. 根據(jù)實驗過程中記錄的數(shù)據(jù)，計算材料的伸長率和斷面收縮率；3. 在應(yīng)力應(yīng)變圖中標(biāo)出屈服極限s和強度極限b；4. 對應(yīng)力應(yīng)變圖進行分析。第二節(jié)測定材料彈性模量E一、實驗名稱測

5、定材料的彈性模量。二、實驗?zāi)康?掌握測定Q235鋼彈性模量E的實驗方法；2熟悉CEG-4K型測E試驗臺及其配套設(shè)備的使用方法。三、實驗設(shè)備及儀器1CEG-4K型測E試驗臺2球鉸式引伸儀四、主要技術(shù)指標(biāo)1. 試樣：Q235鋼，如圖所示，直徑d=10mm，標(biāo)距L=100mm。2. 載荷增重F=1000N（砝碼四級加載，每個砝碼重25N，初載砝碼一個，重16N，采用1：40杠桿比放大）五、實驗原理實驗時，從F0到F4逐級加載，載荷的每級增量為1000N。每次加載時，記錄相應(yīng)的長度變化量，即為F引起的變形量。在逐級加載中，如果變形量L基本相等，則表明F與L為線性關(guān)系，符合胡克定律。完成一次加載過程，將

6、得到L的一組數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束后，求L1到L4的平均值L平，代入胡克定律計算彈性模量。即備注：引伸儀每格代表0.001mm。六、實驗步驟及注意事項1調(diào)節(jié)吊桿螺母，使杠桿尾部上翹一些，使之與滿載時關(guān)于水平位置大致對稱。2把引伸儀裝夾到試樣上，必須使引伸儀不打滑。注意：對于容易打滑的引伸儀，要在試樣被夾處用粗紗布沿圓周方向打磨一下。引伸儀為精密儀器，裝夾時要特別小心，以免使其受損。采用球鉸式引伸儀時，引伸儀的架體平面與試驗臺的架體平面需成45°左右的角度。3掛上砝碼托。4加上初載砝碼，記下引伸儀的初讀數(shù)。5分四次加等重砝碼，每加一次記錄一次引伸儀的讀數(shù)。注意：加砝碼時要緩慢放手，以使之為靜載

7、，防止砝碼失落而砸傷人、物。6實驗完畢，先卸下砝碼，再卸下引伸儀。七、數(shù)據(jù)記錄及計算1. 原始數(shù)據(jù)記錄分級加載初載一次加載二次加載三次加載四次加載引伸儀讀數(shù)L0=L1=L2=L3=L4=2. 計算（1）各級形變量的計算分級加載一次加載二次加載三次加載四次加載平均值形變量L1=L2=L3=L4=L平=（2）材料面積的計算（3）彈性模量的計算（彈性模量單位MPa）八、實驗作業(yè)1說明測定彈性模量E的實驗原理、步驟及注意事項；2根據(jù)實驗過程中記錄的原始數(shù)據(jù)，計算材料的彈性模量E。第三節(jié)低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)實驗一、實驗名稱低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)實驗。二、實驗?zāi)康?測定低碳鋼的剪切屈服極限及剪切強度極限；2測定

8、鑄鐵的剪切強度極限；3觀察比較兩種材料扭轉(zhuǎn)變形過程中的各種現(xiàn)象及其破壞形式，并對試件斷口進行分析。三、實驗設(shè)備及儀器1扭轉(zhuǎn)試驗機2游標(biāo)卡尺四、試樣制備低碳鋼和鑄鐵試樣如圖所示，直徑d=10mm，分別測量并記錄試樣的原始標(biāo)距L0。五、實驗原理扭轉(zhuǎn)實驗是將材料制成一定形狀和尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣，置于扭轉(zhuǎn)試驗機上進行的，利用扭轉(zhuǎn)試驗機上面的自動繪圖裝置可繪出扭轉(zhuǎn)曲線，并能測出金屬材料抵抗扭轉(zhuǎn)時的屈服扭矩和最大扭矩。通過計算可求出屈服極限及剪切強度極限。 其中：六、實驗步驟1測量試件標(biāo)距；2選擇試驗機的加載范圍，弄清所用測力刻度盤；3安裝試樣，調(diào)整測力指針；4實驗測試。開機緩慢加載，注意觀察試件、測力指針和

9、記錄圖，記錄主要數(shù)據(jù)，在低碳鋼扭轉(zhuǎn)時，有屈服現(xiàn)象，記錄測力盤指針擺動的最小扭矩為屈服扭矩Ts，直至實驗結(jié)束記錄最大扭矩Tb；5鑄鐵在扭轉(zhuǎn)時無屈服現(xiàn)象，直至實驗結(jié)束記錄最大扭矩Tb；6關(guān)機取下試件，將機器恢復(fù)原位。七、數(shù)據(jù)記錄及處理1. 原始數(shù)據(jù)記錄材料直徑d0(mm)標(biāo)距L0(mm)屈服扭矩Ts(Nm)最大扭矩Tb(Nm)低碳鋼10鑄鐵102. 計算（1）抗扭截面系數(shù)Wt的計算（單位mm3）（2）低碳鋼的屈服極限及剪切強度極限的計算（單位MPa） （3）鑄鐵剪切強度極限的計算（單位MPa）八、繪制斷口示意圖并分析破壞原因(a)低碳鋼斷口示意圖 (b)鑄鐵斷口示意圖破壞原因分析：低碳鋼材料的抗剪

10、能力低于抗拉（壓）能力，低碳鋼扭轉(zhuǎn)時沿最大切應(yīng)力的作用面發(fā)生斷裂，為切應(yīng)力作用而剪斷，因此，其破壞斷面與曲線垂直，見圖(a)所示；鑄鐵材料的抗拉強度較低，鑄鐵扭轉(zhuǎn)時沿最大拉應(yīng)力的作用面發(fā)生斷裂，由應(yīng)力狀態(tài)可知，純剪切最大拉應(yīng)力作用的主平面與X軸夾角為45°，因此，鑄鐵圓形試件破壞斷面與軸線成45°螺旋面，如圖(b)所示。九、實驗作業(yè)1說明測定低碳鋼剪切屈服極限、剪切強度極限及鑄鐵剪切強度極限的實驗原理及步驟；2根據(jù)實驗過程中記錄的原始數(shù)據(jù)，計算低碳鋼的剪切屈服極限、剪切強度極限及鑄鐵的剪切強度極限；3繪制低碳鋼和鑄鐵的斷口示意圖，并分析其破壞原因。第四節(jié)矩形截面梁純彎曲正應(yīng)

11、力的電測實驗一、實驗名稱矩形截面梁純彎曲正應(yīng)力的電測實驗二、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)使用電阻應(yīng)變儀，初步掌握電測方法；2測定矩形截面梁純彎曲時的正應(yīng)力分布規(guī)律，并與理論公式計算結(jié)果進行比較，驗證彎曲正應(yīng)力計算公式的正確性。三、實驗設(shè)備1WSG80型純彎曲正應(yīng)力試驗臺2靜態(tài)電阻應(yīng)變儀四、主要技術(shù)指標(biāo)1矩形截面梁試樣圖1 試樣受力情況材料：20號鋼，E=208×109Pa；跨度：L=600mm，a=200mm，L1=200mm；橫截面尺寸：高度h=28mm，寬度b=10mm。2載荷增量載荷增量F=200N（砝碼四級加載，每個砝碼重10N采用1：20杠桿比放大），砝碼托作為初載荷，F(xiàn)0=26 N。3

12、精度 滿足教學(xué)實驗要求，誤差一般在5%左右。五、實驗原理如圖1所示，CD段為純彎曲段，其彎矩為，則，。根據(jù)彎曲理論，梁橫截面上各點的正應(yīng)力增量為： （1）式中：y為點到中性軸的距離；Iz為橫截面對中性軸z的慣性矩，對于矩形截面 （2）由于CD段是純彎曲的，縱向各纖維間不擠壓，只產(chǎn)生伸長或縮短，所以各點均為單向應(yīng)力狀態(tài)。只要測出各點沿縱向的應(yīng)變增量，即可按胡克定律計算出實際的正應(yīng)力增量。 （3）在CD段任取一截面，沿不同高度貼五片應(yīng)變片。1片、5片距中性軸z的距離為h/2，2片、4片距中性軸z的距離為h/4，3片就貼在中性軸的位置上。測出各點的應(yīng)變后，即可按（3）式計算出實際的正應(yīng)力增量，并畫出

13、正應(yīng)力沿截面高度的分布規(guī)律圖，從而可與（1）式計算出的正應(yīng)力理論值進行比較。 六、實驗步驟及注意事項1開電源，使應(yīng)變儀預(yù)熱。2在CD段的大致中間截面處貼五片應(yīng)變片與軸線平行，各片相距h/4，作為工作片；另在一塊與試樣相同的材料上貼一片補償片，放到試樣被測截面附近。應(yīng)變片要采用窄而長的較好，貼片時可把試樣取下，貼好片，焊好固定導(dǎo)線，再小心裝上。3調(diào)動蝶形螺母，使杠桿尾端翹起一些。4把工作片和補償片用導(dǎo)線接到預(yù)調(diào)平衡箱的相應(yīng)接線柱上，將預(yù)調(diào)平衡箱與應(yīng)變儀聯(lián)接，接通電源，調(diào)平應(yīng)變儀。5先掛砝碼托，再分四次加砝碼，記下每次應(yīng)變儀測出的各點讀數(shù)。注意加砝碼時要緩慢放手。6取四次測量的平均增量值

14、作為測量的平均應(yīng)變，代入（3）式計算可得各點的彎曲正應(yīng)力，并畫出測量的正應(yīng)力分布圖。7加載過程中，要注意檢查各傳力零件是否受到卡、別等，受卡、別等應(yīng)卸載調(diào)整。8實驗完畢將載荷卸為零，工具復(fù)原，經(jīng)指導(dǎo)老師檢查方可關(guān)閉應(yīng)變儀電源。七、數(shù)據(jù)處理1計算彎曲梁截面各點處的理論正應(yīng)力增量（1）記錄測點的位置測點編號12345測點至中性軸的距離y(mm)1470714（2）計算矩形橫截面對中性軸z的慣性矩Iz （3）根據(jù)公式直接計算各點的理論正應(yīng)力增量測點編號12345理論正應(yīng)力增量(MPa)2計算彎曲梁截面各點處的實際正應(yīng)力增量（1）各測點原始數(shù)據(jù)記錄測點初載一次加載二次加載三次加載四次加載1應(yīng)變儀讀數(shù)0

15、=1=2=3=4=2應(yīng)變儀讀數(shù)0=1=2=3=4=3應(yīng)變儀讀數(shù)0=1=2=3=4=4應(yīng)變儀讀數(shù)0=1=2=3=4=5應(yīng)變儀讀數(shù)0=1=2=3=4=（2）各測點應(yīng)變增量的計算測點一次加載二次加載三次加載四次加載平均值1應(yīng)變增量1=2=3=4=平=2應(yīng)變增量1=2=3=4=平=3應(yīng)變增量1=2=3=4=平=4應(yīng)變增量1=2=3=4=平=5應(yīng)變增量1=2=3=4=平=（3）各測點實際正應(yīng)力增量的計算測點編號12345實際正應(yīng)力增量(MPa)3計算各測點理論與實際正應(yīng)力的誤差e 測點編號12345誤差e八、實驗作業(yè)1說明矩形梁純彎曲正應(yīng)力電測實驗的原理、實驗步驟及注意事項等；2分別計算各測點的理論和實

16、際彎曲正應(yīng)力增量，驗證彎曲正應(yīng)力公式的正確性；3繪制彎曲正應(yīng)力沿截面高度的分布規(guī)律圖。第五節(jié)測定材料切變模量G一、實驗名稱測定材料切變模量G。二、實驗?zāi)康?掌握測定Q235鋼切變模量G的實驗方法；2熟悉NY-4型扭轉(zhuǎn)測G儀的使用方法。三、實驗設(shè)備及儀器1NY-4型扭轉(zhuǎn)測G儀2百分表3游標(biāo)卡尺四、主要技術(shù)指標(biāo)1. 試樣：直徑d=10mm，標(biāo)距L0=60-100mm（可調(diào)）， 材料Q235鋼。2力臂：長度a=200mm，產(chǎn)生最大扭矩T=4Nm。3百分表：觸點離試樣軸線距離b=100mm，放大倍數(shù)K=100格/mm，用百分表測定扭轉(zhuǎn)的位移。4. 砝碼：4塊，每塊重5N，砝碼托作初載荷，T0=0.26

17、Nm，扭矩增量T=1Nm。5精度：誤差不超過5%。五、實驗原理實驗時，從F0到F4逐級加載，扭矩的每級增量為1Nm。每次加載時，相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角變化量即為T引起的變形量。在逐級加載中，如果變形量基本相等，則表明與T為線性關(guān)系，符合剪切胡克定律。完成一次加載過程，可計算得到的一組數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束后，求1到4的平均值平，代入剪切胡克定律計算彈性模量。即六、實驗步驟及注意事項1桌面目視基本水平，把儀器放在桌上（先不加砝碼托及砝碼）。2調(diào)整兩懸臂桿的位置，大致達到選定標(biāo)距，固定左旋臂桿，再固定右旋臂桿，調(diào)整右橫桿，使百分表觸頭距試樣軸線距離b=100mm，并使表針預(yù)先轉(zhuǎn)過十格以上（b值也可不調(diào)，按實際測值計算）。3用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測量標(biāo)距，作為實際計算用。4掛上砝碼托，記下百分表的初讀數(shù)。5分四次加砝碼，每加一次記錄一次表的讀數(shù)，加砝碼時要緩慢放手。6實驗完畢，卸下砝碼。七、數(shù)據(jù)記錄及計算1. 原始數(shù)據(jù)記錄試樣標(biāo)距為L0= mm。分級加載初載一次加載二次加載三次加載四次加載百分表讀數(shù)