材力实验讲义 少学时和工程力学

材料在轴向拉伸、压缩和扭转时的力学性能预习要求：1、 预习教材中有关材料在拉伸、压缩、扭转时力学性能的内容；2、 预习本实验内容及微控电子万能试验机的原理和使用方法；一、实验目的1、 观察低碳钢在拉伸时的各种现象，并测定低碳钢在拉伸时的屈服极限，强度极限，延伸率和断面收缩率y；2、 观察铸铁在轴向拉伸时的各种现象；3、 观察低碳钢和铸铁在轴向压缩过程中的各种现象；4、 观察低碳钢和铸铁在扭转时的各种现象；5、 掌握微控电子万能试验机的操作方法。二、实验设备与仪器1、 微控电子万能试验机；2、 扭转试验机；3、 50T微控电液伺服万能试验机；4、 游标卡尺。三、试件试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果有影响。为了便于比较各种材料的机械性能，国家标准中对试件的尺寸和形状有统一规定。根据国家标准（GB639786），将金属拉伸比例试件的尺寸列表如下：试 件标距长度L0横截面积A0圆试件直径d0表示延伸率的符号比例/长短或10d0任 意任 意10或5d0任 意任 意5本实验的拉伸试件采用国家标准中规定的长比例试件（图一），试验段直径d0=10mm，标距l0=100mm.。本实验的压缩试件采用国家标准（GB7314-87）中规定的圆柱形试件h/d0=2, d0=15mm, h=30mm (图二)。图二hd0本实验的扭转试件按国家标准（GB6397-86）制做。l0d0图一四、实验原理和方法（一）低碳钢的拉伸试验essbssspBBDE图四CDlF图三实验时，首先将试件安装在试验机的上、下夹头内，并在实验段的标记处安装引伸仪，以测量试验段的变形。然后开动试验机，缓慢加载，同时，与试验机相联的微机会自动绘制出载荷变形曲线（FDl曲线，见图三）或应力应变曲线（se曲线，见图四）。随着载荷的逐渐增大，材料呈现出不同的力学性能：1、线性阶段在拉伸的初始阶段，se曲线为一直线，说明应力s与应变e成正比，即满足胡克定律。线性段的最高点称为材料的比例极限（sp），线性段的直线斜率即为材料的弹性模量E。若在此阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也完全消失。卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限（se）。一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。2、屈服阶段超过比例极限之后，应力与应变不再成正比，当载荷增加到一定值时，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象称为屈服。使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限（ss）。实验曲线在屈服阶段有两个特征点，上屈服点B和下屈服点B（见图五），上屈服点对应于实验曲线上应力波动的起始点，下屈服点对应于实验曲线上应力完成首次波动之后的最低点。上屈服点受加载速率以及试件形状等的影响较大，而下屈服点B则比较稳定，故工程上以B点对应的应力作为材料的屈服极限ss。当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成45o的斜纹。这是由于试件的45o斜截面上作用有最大切应力，这些斜纹是由于材料沿最大切应力作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。3、硬化阶段经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。若在此阶段卸载，则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线，其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。当载荷卸到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。卸载完之后，立即再加载，则加载时的应力应变关系基本上沿卸载时的直线变化。因此，如果将卸载后已有塑性变形的试样重新进行拉伸试验，其比例极限或弹性极限将得到提高，这一现象称为冷作硬化。在硬化阶段应力应变曲线存在一最高点，该最高点对应的应力称为材料的强度极限（sb）。强度极限所对应的载荷为试件所能承受的最大载荷Pb。4、缩颈阶段试样拉伸达到强度极限sb之前，在标距范围内的变形是均匀的。当应力增大至强度极限sb之后，试样出现局部显著收缩，这一现象称为缩颈。缩颈出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲线呈现下降趋势，直至最后在E点断裂。试样的断裂位置处于缩颈处，断口形状呈杯状，这说明引起试样破坏的原因不仅有拉应力，还有切应力，这是由于缩颈处附近试件截面形状的改变使横截面上各点的应力状态发生了变化。图五es（二）铸铁的拉伸试验铸铁的拉伸实验方法与低碳钢的拉伸实验相同，但是铸铁在拉伸时的力学性能明显不同于低碳钢，其应力应变曲线如图五所示。铸铁从开始受力直至断裂，变形始终很小，既不存在屈服阶段，也无颈缩现象。断口垂直于试样轴线，这说明引起试样破坏的原因是最大拉应力。（三）低碳钢和铸铁的压缩实验实验时，首先将试件放置于试验机的平台上，然后开动试验机，缓慢加载，同时，与试验机相联的数据采集系统会自动绘制出载荷变形曲线（FDl曲线）或应力应变曲线（se曲线），低碳钢和铸铁受压缩时的应力应变曲线分别见图六和图七。esssspBB图七es图六低碳钢试件在压缩过程中，在加载开始段，从应力应变曲线可以看出，应力与应变成正比，即满足虎克定律。当载荷达到一定程度时，低碳钢试件发生明显的屈服现象。过了屈服阶段后，试件越压越扁，最终被压成腰鼓形，而不会发生断裂破坏。铸铁试件在压缩过程中，没有明显的线性阶段，也没有明显的屈服阶段。铸铁的压缩强度极限约为拉伸强度极限的34倍。铸铁试件断裂时断口方向与试件轴线约成55o。一般认为是由于切应力与摩擦力共同作用的结果。（四）低碳钢和铸铁的扭转实验实验时，首先将试件安装在试验机的左、右夹头内，并在试件实验段表面沿轴线方向划一条直线，以观察试验段的变形。然后开动试验机，缓慢加载，同时，自动绘图装置绘制出扭矩转角曲线（Tj曲线）。低碳钢试件受扭时，在加载开始段，从Tj曲线可以看出，扭矩与转角成正比，即满足扭转虎克定律。当载荷达到一定程度时，低碳钢试件发生明显的屈服现象，即扭矩不增加，而转角不断增大。过了屈服阶段后，试件抵抗变形的能力又有所加强，到最后试件被连续扭转几圈后才沿着与轴线方向垂直的截面被剪断，这说明，导致低碳钢试件破坏的原因是扭转切应力。铸铁试件受扭时，整个过程变形不明显，启动扭转试验机后不久，试件就发生断裂破坏，断口为沿着与轴线成45o方向的螺旋面，这说明导致铸铁试件扭转破坏的原因是拉应力。五、实验步骤（低碳钢拉伸实验）1试件准备用划线机在标距l0范围内每隔10毫米刻划一根圆周线，将标距分成十等分。2测量试件尺寸用游标卡尺测量标距两端及中间三个横截面处的直径，每一横截面分别沿两个互垂方向各测一次取平均值。取所测得三个横截面直径中的最小值作为实验值。3试验机准备根据低碳钢强度极限b的估计值和横截面面积A0估算实验的最大载荷。以此来选择合适的测力量程。4安装试件5安装引伸仪6检查及试车检查以上步骤的完成情况后，开动试验机，预加少量载荷（应力不应超过材料的比例极限）然后卸载至零点，以检查试验机工作是否正常。7进行试验 开动试验机使之缓慢匀速加载。注意观察应力应变曲线，以了解材料在拉伸时不同阶段的力学性能。 在比例极限以下卸载，观察试件的弹性变形情况。 继续加载,在屈服阶段观察试件表面的滑移线。 进入强化阶段后。卸载至零，再加载，观察冷作硬化现象。 继续加载，当达到强度极限后，观察缩颈现象。 加载直至试件断裂。 取下试件，用游标卡尺测量断裂后的标距l1,测量断口（颈缩）处的直径d1。8整理各种仪器设备，结束实验。六、实验结果处理（低碳钢拉伸实验）1 比例极限、屈服极限和强度极限可由实验报表自动给出。 2 测量试件断裂后的标距长度和最小横截面直径，以计算延伸率和断面收缩率。 断裂后，试件的最小横截面即位于缩颈处，将断裂试件的两段对齐并尽量挤紧，用游标卡尺测量断口处直径。若断口到最邻近标距端点的距离大于1/3 l0，则直接测量标距端点的距离l1，若小于或等于1/3 l0，则需按下述方法进行断口移中测定l1:在长段上从断口o处取基本等于短段的格数得B点，若所余格数为偶数（图8-1）则取其一半得C点。此时: l1= AB + 2BC 若所余格数为奇数（图8-2），则分别取所余格数减一的1/2得C点和所余格数加一的1/2得C点。此时 l1= AB + BC + B C若断口在标距以外时，则此次实验结果无效。图8-1图8-2七、思考题1.根据不同的断口形状说明材料的两种基本断裂形式，并说明破坏原因。2.用材料和直径相同而标距长度分别为5d0和10d0两种试件测定延伸率，试验结果有何差别？为什么？ 3. 在低碳钢的拉伸se曲线（图四）中，标出试件的弹性变形与塑性变形。实验二 材料弹性常数E、的测定 电测法测定弹性模量E和泊松比预习要求：1、 预习电测法的基本原理（见本节实验讲义后所附内容）；2、 设计本实验的组桥方案；3、 拟定本实验的加载方案；4、 设计本实验所需数据记录表格。一、实验目的1. 测量金属材料的弹性模量E和泊松比；2. 验证单向受力胡克定律；3. 学习电测法的基本原理和电阻应变仪的基本操作。二、实验仪器和设备1. 微机控制电子万能试验机；2. 电阻应变仪；3. 游标卡尺。三、试件65Mn钢矩形截面试件，中间实验段的名义尺寸为：b´t = (16´6)mm2。材料的屈服极限。图一 实验试件四、实验原理和方法1、实验原理材料在比例极限内服从虎克定律，在单向受力状态下，应力与应变成正比： （1）上式中的比例系数E称为材料的弹性模量。由以上关系，可以得到： （2） 材料在比例极限内，横向应变与纵向应变之比的绝对值为一常数： （3）上式中的常数m称为材料的横向变形系数或泊松比。本实验采用增量法，即逐级加载，分别测量在各相同载荷增量DP作用下，产生的应变增量Dei。于是式（2）和式（3）分别写为： （4） （5）根据每级载荷得到的Ei和mi，求平均值： （6） （7）以上即为实验所得材料的弹性模量和泊松比。上式中n为加载级数。2、实验方法2.1电测法（见本节实验讲义后所附内容）本实验采用1/4桥测量应变。