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材料力学实验指导书
材料力学
实验指导书
黑龙江工程学院
2007年3月
实验一低碳钢和铸铁的拉伸
拉伸实验是检查金属材料力学性能普遍采用的一种极为重要的基本实验。
一低碳钢的拉伸实验
一、实验目的
1、观察低碳钢在拉伸过程中的各种现象,了解试件变形随荷载的变化规律。
2、测试低碳钢在拉伸过程中的几个力学性能指标:
屈服极限、强度极限、延伸率和断面收缩率。
3、了解拉伸实验的原理和方法,掌握万能实验机的操作要领。
二、实验设备、量具及试件
实验设备
1、液压式万能实验机
1.主动针2.从动针3.摆杆架4.描绘筒5.缓冲阀
6.测力活塞7.测力油缸8.摆砣9.高压油蹦10.油箱
11.丝杆12.放大器13.测力油管14.高压油管15.控制阀
16.上横梁17.上夹具18.试件19.下夹具20.动横梁
21.试抬22.机座23.工作活塞24.工作油缸25.光杆
加力部分<实验机主机)
开动电机带动高压油泵工作,通过控制阀将油压入工作油缸,推动活塞带动上横梁及工作台上升,此时如果试件安装在上下夹头中,则试件受拉伸;如果试件安放在工作台及横梁中,则由于工作台上升而使试件受压缩或弯曲。
其工作台及上横梁的上升速度有控制阀掌握,动横梁的位置可由控制台上的按纽来调节。
实验完毕,将控制阀开至卸载位置。
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测力部分<即荷载测量机构)
工作油通过高压油管与测力油缸相通。
测件受力后,工作油缸的压力传到测力油缸,是测力活塞连杆上移,从而带动摆杆摆砣转动,其转动角度与测力活塞受压成一定比例,并通过机械运动,转换成指针转动,使表盘中指示出试件所受载荷F的数值。
同时,由于工作台的上升,通过放大器带动自动绘图装置而与表盘内齿杆相连的记录笔,也向右移动,从而在记录纸上画出实验过程的“荷载——变形”曲线。
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2、电子式万能实验机
1.立柱;2.拉伸夹具;3.拉伸试件;4.移动横梁;5.测力传感器;6.压缩夹具;
7.弯曲夹具;8.下横梁;9.同步齿形传动带;10.带轮;11.光电编码器;
12.伺服电机;13.上横梁;14.滚珠丝杠;15.引伸计;16.手控键盘;17.减速机
电子万能实验机是双空间式的,其移动横梁与上横梁之间的空间为拉伸实验空间,移动横梁与下横梁之间的空间为压缩实验空间。
在拉伸空间安装有拉伸夹具,在压缩空间安装有压缩夹具和弯曲夹具。
测力传感器、引申计、光电编码器、数据采集电路<与控制系统集成在一起)组成测量系统,测力传感器用于测量实验载荷,引伸计用于测量试件的变形,光电编码器用于测量横梁移动的位移。
各个测量信号均经过数据采集电路送入计算机存储、处理和显示。
伺服电机的输出功率经减速器、同步齿形传动带传递给滚珠丝杠,然后滚珠丝杠带动移动横梁升降将实验载荷施加到试件上。
伺服控制器与伺服电机和光电编码器组成闭环控制系统,控制移动横梁的运动。
伺服控制器向上经过控制电路与计算机联系,最终由计算机实现对可移动横梁的运动进行控制,包括位置、速度等。
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由于电子万能实验机采用了闭环控制,加载过程和数据采集都是在计算机的控制下完成的,因此可以选择不同的参数控制方式进行实验。
参数控制方式是指以应力<或载荷)、位移、应变等诸实验参数中的某一个作为加载控制因素。
例如,位移控制就是设定的横梁的运动速度<通常是恒定速率的),让实验机按照设定的横梁速度和方向对试件进行加载。
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3、量具:
游标卡尺
4、试件
为了使实验数据可以相互比较,应按国标GB228-2002的规定作成标准试件,如因材料尺寸限制等原因不能做成标准试时,应按规定作成比例试件。
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圆截面
矩形截面
长试件
短试件
图1-3
L0—标距
d0—实验前圆截面试件标距部分的直径
A0—实验前试件标距部分的截面面积
三、实验原理
图1-4
在做低碳钢拉伸实验时,实验机能自动绘出表示荷载与变形关系的拉伸图,如图1-4,整个过程包括弹性变形阶段 在实验的过程中可看到几个现象: <1)弹性现象;<2)屈服现象;<3)颈缩现象。 jLBHrnAILg 由实验可知,图中OA部分当卸载后,试件立即恢复原状,变形与载荷成正比,只就是虎克定律所表示的直线关系,这种变形是弹性变形。 当载荷增加到一定值,即图BC段锯齿型平台处,测力计刻度盘指针停止转动或来回摆动,此时载荷不增加或减少,而试件还继续伸长,这种现象叫屈服现象。 若试件表面经过抛光处理,则可观察到试件表面上出现与轴线约成45°角的倾斜条纹,是由于金属材料内部晶格之间之间产生相对滑移而形成的,使材料产生相对滑移而形成的,使材料产生塑性变形。 国际规定,首次下降最小载荷处为下屈服点Fs。 过了屈服阶段后,材料强化,载荷继续上升,为了观察冷作现象,可以在某点A处停止加载,则曲线沿O1A′DE规律变化。 载荷继续升到最大值即图D点时,试件截面的某一位置,开始急剧缩小致使负荷下降,即为材料的颈缩现象,Fb为最大载荷。 xHAQX74J0X 四、实验步骤 1、测量试件尺寸 1)测量试件直径d0,对于圆试件在计算长度内在两端及中部三处用游标卡尺测量,每一处都要在两个相互垂直的方向上量出直径,取其平均直径最小截面处的平均直径作为试件的直径。 LDAYtRyKfE 2)确定计算长度L0。 在试件中间等粗的细长部分内,量取计算长度L0(按10倍或者5倍试件确定>。 然后,用刻线机或笔把计算长度L0分成若干等分(通常是以5mm或10mm为一等分>。 以便当试件断裂不在中间时进行换算,从而求得比较正确的伸长率。 但刻、划线时应尽量轻微。 Zzz6ZB2Ltk 2、调整实验机 1)液压式万能实验机 试件的最大载荷选择相应的测力度盘,配好相应的摆陀,把缓冲阀转到相应位置,指针归零,检查和安装好自动绘图结构。 dvzfvkwMI1 2)电子式万能实验机 根据试件的材料和尺寸、估计试件大致能承受的载荷,从而选定好相应的拉力传感器,进行试件的参数设定和调零,检查数据记录及打印输出装置是否连接。 rqyn14ZNXI 3安装试件 1)将试件装入夹具。 2)注意避免试件放斜或歪曲。 4进行实验 注意观察试件在拉伸过程中的形状变化和曲线的变化情况,试件拉断后,立即停机存盘、打印所得拉伸图和记录最大荷载并观察颈缩现象。 EmxvxOtOco 5实验结束 1)关机 2)测量试件后标距长度L1和颈缩处的最小直径d1。 测量时将试件的两半对接在一起,使其尽量紧贴。 二铸铁拉伸实验 一、实验目的 1、测定铸铁拉伸强度极限 。 2、比较低碳钢与铸铁的拉伸机械性能和破坏形式。 二、实验设备及量具 1、万能实验机。 2、游标卡尺。 三、实验的内容与原理 铸铁是脆性料,其拉伸图如图1-5,在拉伸过程中不产生屈服和颈缩现象,很快达到最大载荷Fb而突然断裂。 其值远小于低碳钢的强度极限。 整个拉伸过程中变形极小,伸长量不中试件原长时0.5%,而延伸率则更小。 SixE2yXPq5 四、实验方法和步骤 参考低碳钢拉伸实验。 图1-5 三实验结果处理 1、根据低碳钢拉伸实验记录的Fs和Fb;可按下面公式得出材料强度方面的性能: 0 屈服极限σs=Fs/A0 强度极限σb=Fb/A0 2、根据低碳钢拉伸前后的d0、L0、d1、L1,求出材料塑性方面的性能: 延伸率δ= 断面收缩率ψ= 3、由铸铁拉伸记录Fb,求出其强度极限 σb=Fb/A0 五、实验结果分析讨论 1、从材料的强度指标、塑性指标和破坏断口等方面比较低碳钢和铸铁的拉伸机械性质。 2、从拉伸图F—ΔL曲线上看,低碳钢试件在最大载荷D点时不断裂而载荷降至E点时反而断裂,为什么? 实验二低碳钢和铸铁压缩 一、实验目的 1、测定压缩时低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限。 2、观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象,并进行比较。 二、实验设备 1、万能实验机 2、游标卡尺 三、试件 压缩试件为圆柱形,如图2-1所示,不宜太高,否则,容易压弯,也不宜太短,否则试件上下端面与实验机承压座之间产生摩擦力,对试件的承压力产生影响,一般试件规定为 ,通常脆性材料 ,端面光洁度为▽7-▽9。 6ewMyirQFL 图2-1 四、实验原理 图2-2图2-3 1、低碳钢 低碳钢为塑性材料,其压缩图如图2-2所示,开始时遵守胡克定律沿直线上升,比例极限以后变形加快,但无明显屈服阶段。 相反的,图形逐渐向上弯曲。 这是因为在过了比例极限后,随着塑性变形的迅速增长,而试件的横截面积逐渐增大,而承受的载荷也随着增大。 kavU42VRUs 从实验知道,低碳钢试件可以被压成极薄的平板而不被破坏。 因此,其强度极限一般是不能确定的。 只能确定的是压缩的屈服极限应力<图2-2)y6v3ALoS89 σs=Fs/A0 2、铸铁 铸铁为脆性材料,其压缩曲线在开始时接近于直线,与纵轴之夹角很小,以后曲率逐渐增大,最后至破坏,因此只能确定其强度极限<图2-3)M2ub6vSTnP σb=Fb/A0 铸铁试件受压力而缩短,表明有很少的塑性变形的存在。 当载荷达到最大值时,试件即破坏,并在其表面上出现了倾斜的裂缝,铸铁受压后的破坏是突然发生的,是脆性材料的特性。 0YujCfmUCw 从实验的结果与以前的拉伸实验结果作一比较,可以看出,铸铁承受压缩的能力远远大于承受拉伸的能力。 抗压强度远远大于抗拉强度,这是脆性材料的一般属性。 eUts8ZQVRd 五、实验步骤 1、用游标卡尺测量试件的高度h0和直径d0取互相垂直方向直径的平均值作为试件的直径。 2、将试件置于实验机承压部位。 3、在试件没有受力时进行调整。 4、开机进行实验,一直到试件破坏<注意低碳钢不能压到破坏,压到45KN时即停止实验)。 5、低碳钢记录屈服荷载F,铸铁记录最大荷载Fb。 6、卸去载荷,取出破坏试件。 7、打印出实验曲线。 8、关机。 六、实验结果处理 1、根据低碳钢压缩时记录的Fs,求出其屈服极限 σs=Fs/A0 2、根据铸铁压缩时记录的Fb求出其强度极限 σb=Fb/A0 七、实验结果分析与讨论 1、低碳钢为什么不能得到抗压极限强度? 2、低碳钢和铸铁在压缩时的力学性能有什么区别? 实验三圆轴扭转实验 低碳钢和铸铁在扭转实验中也充分体系现了它们的特点。 低碳钢在发生大量塑性变形之后被剪坏,此破坏是由横截面上的剪应力造成。 而铸铁在很小的变形情况下即破坏,是由45O斜截面上的拉应力造成的。 sQsAEJkW5T 一低碳钢的扭转实验 一、实验目的 1、测定低碳钢在扭转时的剪切屈服极限τS和剪切强度极限τb。 2、观察低碳钢扭转破坏过程及破坏形式。 二、实验设备及量具 1、电子式扭转实验机 图3-1主机结构图 实验机由加载机构,测力单元、显示器、实验机附件<标定装置)等组成。 加载机构,安装在导轨上的加载机构,由松下伺服电机带动,通过减速器使夹头旋转,对试件施加扭矩。 实验机的正反加栽和停车,可按显示器的标志按扭。 为了适应各种材料扭力的需要,实验机具有较宽的调速范围。 无级调速0°—360°任意角度可调。 GMsIasNXkA 测力单元,通过夹头传来的力矩经传感器处理输出,在液晶显示器和计算机上同步显示出来,根据满意程度选择保存或打印。 TIrRGchYzg 2、游标卡尺 三、实验原理 圆截面直杆试件在受扭转时,横截面上产生剪应力。 在实验机自动绘图装置上得到扭矩和转角的关系图。 如图3-1所示。 图中斜直线表示了塑性材料在比例极限内,剪应力与剪应变服从胡克定律,最大剪应力发生在截面的边缘。 当扭矩继续增加超过MPa,出现应力不增加而变形<扭转角)继续增加,转角愈大,塑性区愈深入到中心,材料开始屈服。 在屈服过程中,横截面剪应力由线性分布趋于均匀分布。 此时扭矩为MS。 7EqZcWLZNX 图3-2 试件经过屈服阶段后,载荷上升,材料开始强化,应力增加,直至C点时,试件被剪断破坏。 四、实验步骤 1、测量试件的直径d0,取试件两端及中部三处用游标卡尺测量,每一处都要在两个相互垂 直的方向上量出直径,取其平均直径最小截面处的平均直径作为试件的直径。 确定计算长度L0,在试件中间等粗的细长部分内,量取计算长度L0(按10倍或者5倍试件确定>。 然后,用刻线机或笔把计算长度L0分成若干等分(通常是以5mm或10mm为一等分>。 以便当试件断裂不在中间时进行换算,从而求得比较正确的伸长率。 但刻、划线时应尽量轻微。 lzq7IGf02E 2、调整扭转实验机夹具之间的距离,并选择相应的卡头。 3、设定参数并调零。 4、将试件安装于扭转实验机的夹具中。 5、在试件的轴线方向,用粉笔划一直线。 6、先慢速加载,至M—Φ曲线已超过线性段后,然后启动电动机加载至试件破坏。 7、打印出实验报告。 8、从夹具中取出破坏的试件后关机。 二铸铁的扭转实验 一、实验目的 1、测定铸铁在扭转时的剪切强度极限τb。 2、观察扭转破坏形式。 图3-3 二、实验原理 铸铁扭转时在变形很小的情况下破坏,只能测到最大扭矩Mb。 铸铁因抗拉强度较弱,故扭转破坏时的断口为与轴线成450螺旋面,并因该面上的主拉应力所拉断,如图3-3所示。 zvpgeqJ1hk 图3-4 三、实验步骤 同低碳钢扭转实验。 四、实验结果处理 1、低碳钢: 屈服极限 强度极限 最大扭转角 2、铸铁: 强度极限 最大扭转角 五、实验结果分析讨论 低碳钢和铸铁试件扭转时断口各是什么形状? 试简述破坏原因。 实验四直梁弯曲正应力的测定 一、实验目的 1、测量梁在纯弯曲时的正应力值及在截面上的分布规律,并与理论计算值进行比较,验证正应力公式; 2、学习实验应力分析电测法<电阻应变片电测法)的基本原理和测试方法。 二、实验设备 1、力学实验台 2、游标卡尺、钢板尺 图4-1 1.纯弯梁2.支架3.销子4.加力杆接头5.加力杆6.台架主体 7.手轮8.蜗杆升降机构9.拉压力传感器10.压头11.加载下梁 三、实验原理 梁受到在对称平面内作用的外力而发生纯弯曲时,由理论分析得到截面任一点处的正应力公式为: <4-1)NrpoJac3v1 式中: M为作用在测量截面上的弯矩; y为测量点离中性轴的距离; IZ截面对中性轴的惯性矩。 图4-2 本实验采用低碳钢制成的矩形截面梁,按图4-2所示的方法加载,则该梁在cd段内承受纯弯曲, ,在cd段内沿梁的轴向粘贴五个应变片<图4-3),各片到中性轴的距离为1nowfTG4KI , , 当梁在载荷作用下发生弯曲变形时,粘贴在梁上的应变片的电阻值将随着梁的变化而变化,通过电阻应变仪可以分别测量出各对应点的实际应变值 ,然后根据胡克定律可求出各点的应力值: fjnFLDa5Zo <4-2) 式中: E为材料的弹性模量 图4-3 按式<4-1)计算出各点的正应力理论值 ,与实验值 进行比较,从而验证弯曲正应力公式的正确性。 本实验在小型加力架上加载,当手轮顺时针旋转时,螺杆2下移,带动压力传感器和压头下降,使横梁受到压力 ,通过A、B点一分为二地传给两根拉杆,使试件在C、D两点受到 的作用力。 载荷 的大小经传感器感受后由测力计显示。 tfnNhnE6e5 四、电测法的基本原理 电测法是实验应力的基本方法之一,它可以看成是由电阻应变片,电阻应变仪及记录器三部分组成。 工作原理大致如下: 将电阻应变片固定在被测构件的表面,当构件变形时,电阻应变片的电阻发生变化,通过变仪中的电桥,将此转化为电压或电流信号,并经过放大器的放大,作用后换算成应变数值或输出与应变成正比例的模拟信号,输入记录器记录下来,也可输入计算机用预定程序处理,得到所需的应力和应变数值。 HbmVN777sL 1、应变片及其转化原理 电阻应变片简称应变片,它是由具有一定的电阻薄金属箔或细金属丝的栅状物粘贴在两层绝缘薄膜中作成。 如图: 栅状物称为敏感栅。 应变片的种类: V7l4jRB8Hs a—丝绕式b—短接式c—箔式 实验时,用专门的胶将应变片粘贴在构件表面需要测定应变的部位,并使应变片的纵向沿需测定的应变的方向。 这样,当该处的沿此方向产生应变 时,应变片也产生同样的应变 ,敏感栅的电阻就由初始值R变为R+△R。 83lcPA59W9 △R/R=K 实验表明,在一范围内,敏感栅的电阻变化率与正应变 成正比,式中,比例常数K为应变灵敏系数,其值与敏感栅的材料有关,常用应变片的灵敏系数为1.7—3.6。 mZkklkzaaP 由上式可知,只要测出敏感栅的电阻变化率,即可确定相应应变。 2、测量电桥原理 如上页图示,电桥的四个桥臂电阻分别为R1,R2,R3,R4,A和C点间接电源,B和D为输出端。 设A和C间电压为 ,则BD端输出电压 BD= 当时称为电桥平衡。 由上式可知电桥平衡条件为 设电桥在接上电阻时处于平衡,那么,当上述电阻分别改变,则由式可知, △ = 略去高阶微量后得到电桥的输出电压与桥臂电阻改变量的一般关系: △ = 当则: △ = 实验时,将四个相同的规格的应变片同时接入电桥,当构件受力后,应变分别为 为结合式。 3、电阻应变仪 电阻应变仪是配合电阻应变片测量应变的专用仪器。 电阻应变仪一般由电桥、放大器与指示器组成。 电桥将应变片的电阻变化转换为电压变化,通过放大器放大后,由指示器指示应变读数。 在进行动态应变测量时,则还需要配置记录器<例如光线示波器与磁带记录仪等)以记录应变随时间变化的关系曲线。 AVktR43bpw 电阻应变仪的种类很多,常用的有平衡式电阻应变仪和数字电阻应变仪。 下面介绍数字电阻应变仪: 数字电阻应变仪采用单桥式,应变片的电阻变化经测量电桥转换为电信号,通过放大器等仪器后,直接显示应变数值。 其工作过程大致是: 震荡器产生一定幅值的交流信号做测量电桥的电源,当桥臂上的应变片感受应变时,测量电桥输出一个幅值与应变成正比的交流电压信号,由放大器放大后,经解调还原为一个与应变成正比的模拟信号。 再经A/D转换器被转换为数字量,经过标定,显示表即直接显示应变数值。 ORjBnOwcEd 五、实验步骤 1、打开电阻应变仪的电源,预热。 2、测量贴片的位置的高度和宽度。 3、调整实验台,注意保证直梁受平面弯曲,用钢尺检查两边的Q值是否相等,,压头是否在横梁的中点,接线是否正确。 2MiJTy0dTT 4、设置仪器参数: 测力仪的量程和传感器量程和灵敏度;应变部分参数<1/4桥—S1,S2都设为b,S3设为灵敏系数,K=2.00,S4,S5忽略,S6设为0,S7设为10,S8设为1,S9为1,退出即可)未加载时平衡测力通道和所选测力应变通道电桥<应变部分按平衡键,测力部分按增键)然后转入测量状态。 <如果接补偿则S6设为1)gIiSpiue7A 5、测量 1)初载F0时对应变仪所选通道调零。 2)加载测量实验数据,本实验取初始载荷F1=0.5KN,Fmax=2.5KN,△P=0.5KN,每增加载荷500N,记录应变读数 i,共加载5级,然后卸载,再重复测量,共测四次,取数值较好的一组,记录到数据列表中。 uEh0U1Yfmh 6、实验完毕,实验数据经教师检查合格后,卸载,关闭电源。 实验五弯扭组合梁实验 一、实验目的 1、用电测法测定平面应力状态下一点的主应力大小及方向,并与理论值比较 2、学习应变法测试原理及应用,进一步熟悉电阻应变仪的操作方法 3、学习布片原则,应变成分和组桥方法 二、实验设备 1、力学实验台 图5-1 1.紧固螺钉2.固定支座3.薄壁圆筒4.扇形加力架5.钢丝 6.钢丝接头7.拉压力传感器8.蜗杆升降机构9.手轮10.台架主体 2、游标卡尺和直尺 三、实验原理 在图5-2所示的悬臂铝管自由端C截面处于同一水平面内刚性连接一垂向直杆CD。 D点距铝管轴线为S,与D点作用一铅垂力P,使铝管发生弯曲扭转组合变形。
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