材料力学实验6.docx

第三章 基本实验部分§3－1 拉伸实验一、目的1、测定低碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率ψ；2、测定铸铁的强度极限σb；3、观察拉伸过程中的各种现象（屈服、强化、颈缩、断裂特征等），并绘制拉伸图（P－ΔL曲线）；4、比较塑性材料和脆性材料力学性质特点二、原理将划好刻度线的标准试件，安装于万能试验机的上下夹头内开启试验机，由于油压作用，便带动活动平台上升因下夹头和蜗杆相连，一般固定不动上夹头在活动平台里，当活动平台上升时，试件便受到拉力作用，产生拉伸变形变形的大小可由滚筒或引伸仪测得，力的大小通过指针直接从测力度盘读出，P-ΔL曲线可以从自动绘图器上得到低碳钢是典型的塑性材料，试样依次经过弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的用试验机的自动绘图器绘出低碳钢和铸铁的拉伸图（如图3-1）对于低碳钢试件，在比例极限内，力与变形成线性关系，拉伸图上是一段斜直线（试件开始受力时，头部在夹头内有一点点滑动，故拉伸图最初一段是曲线）低碳钢的屈服阶段在试验机上表现为测力指针来回摆动，而拉伸图上则绘出一段锯齿形线，出现上下两个屈服荷载对应于B′点的为上屈服荷载。

上屈服荷载受试件变形速度和表面加工的影响，而下屈服荷载则比较稳定，所以工程上均以下屈服荷载作为计算材料的屈服极限屈服极限是材料力学性能的一个重要指标，确定Ps时，须缓慢而均匀地使试件变形，仔细观察a)低碳钢拉伸图 图3-1 (b)铸铁拉伸图 试件拉伸达到最大荷载Pb以前，在标距范围内的变形是均匀分布的从最大载荷开始便产生局部伸长的颈缩现象；这时截面急剧减小，继续拉伸所需的载荷也减小了试验时应把测力指针的副针（从动针）与主动针重合，一旦达到最大荷载时，主动针后退，而副针则停留在载荷最大的刻度上，副针指示的读数为最大载荷Pb铸铁试件在变形极小时，就达到最大载荷Pb，而突然发生断裂没有屈服和颈缩现象，是典型的脆性材料（拉伸曲线见图3-1）三、仪器设备1. 液压式万能试验机、2.划线器、3.游标卡尺四、试件试件一般制成圆形或矩形截面，圆形截面形状如图3-2所示，试件中段用于测量拉伸变形，此段的长度L0称为“标距”两端较粗部分是头部，为装入试验机夹头内部分，试件头部形状视试验机夹头要求而定，可制成圆柱形（图3-2a）、阶梯形（图3-2b）、螺纹形（图3-2c）图3-2试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果会有影响。

为了避免这种影响，便于各种材料力学性能的数值互相比较，所以对试件的尺寸和形状国家都有统一规定，即所谓“标准试件”，其形状尺寸的详细规定参阅国家标准《金属拉伸试验试样》GB/T6397-1986标准试件的直径为d0，则标距L0＝10d0或L0＝5d0，d0一般取10mm或20mm矩形截面试件标距L与横截面面积A的比例为或五、低碳钢的拉伸实验步骤1、测量试件尺寸：用游标卡尺在试件标距长度L0范围内，测量两端及中间等三处截面的直径d0，在每一处截面垂直交叉各测量一次，三处共需测量六次取三处中最小一处之平均直径d0作为计算截面面积A0之用（要求测量精度精确到0.02mm）在试件的标距长度内，用划线器划出100mm的两根端线作为试件的原长L02、选择度盘：根据试件截面尺寸估算最大荷载(Fmax=A0×σb)，并选择合适的测力度盘配置好相应的砣（摆锤），调节好相应回油缓冲器的刻度3、指针调零：打开电源，按下(绿色)油泵启动按钮，关闭回油阀（手感关好即可，不用拧得太紧），打开进油阀（开始时工作油缸里可能没有液压油，需要开大一些油量，以便液压油快速进入工作油缸，使活动平台加速上升）当活动平台上升5～10mm左右，便关闭进油阀（如果活动平台已在升起的合适位置时，则不必先打开进油阀，仅将进油阀关好即可；如果活动平台升得过高，试件无法装夹，则需打开回油阀，将活动平台降到合适的位置并关好即可）。

移动平衡锤使摆杆保持铅垂（铅垂的标准是摆杆右侧面和标示牌的刻画线对齐重合）然后轻轻地旋转螺杆使主动针对准度盘上的零点，并轻轻按下拨钩拨动从动针与主动针靠拢，注意要使从动针靠在主动针的右边同时调整好自动绘图器，装好纸和笔并打下绘图笔4、安装试件：先将试件安装在试验机上夹头内，再开动下夹头升降电机（或转动下夹头升降手轮）使其达到适当的位置，然后把试件下端夹紧，夹头应夹住试件全部头部5、检查：先请指导教师检查以上步骤完成情况，并经准许后方可进行下步实验6、进行试验：用慢速加载（一般进油阀顺手转2下，即半圈左右），缓慢均匀地使试件产生变形当指针转动较快时，关小一些进油量，指针转动较慢时，则增大一些进油量在试件受拉的过程中注意观察测力指针的转动和自动绘图器上的P-△L曲线的轨迹当测力指针倒退时（有时表现为指针来回摆动，说明材料已进入屈服阶段，注意观察屈服现象，此时不要增加油量也不要减少油量，让材料慢慢屈服，并抓住时机，记录屈服时的最小载荷Fs（下屈服点），也就是指针来回摆动时的最小值当主动针开始带动从动针往前走，说明材料已过屈服阶段，并进入强化阶段这时可以适当的再增大一些进油量，即用快一点的速度加载。

在载荷未达到强度极限之前把载荷全部卸掉，重新加载以观察冷作硬化现象，继续加载直至试件断裂在试件断裂前，注意指针移动，当主动针往回走，此时材料已进入颈缩阶段，注意观察试件颈缩现象，这时可以适当地减少一些进油量当听到断裂声时，立即关闭进油阀，并记录从动针指示的最大载荷Fb7、结束工作取下试件，并关闭电源将试件重新对接好用游标卡尺测量断后标距长L1（即断后的两个标记刻画线之间的距离）和断口处的直径d1在断口处两个互相垂直方向各测量一次），最后观察断口形状和自动绘图器上的拉伸曲线图是否与理论相符注意事项：（1）试件夹紧后，不得再开动下夹头的升降电机否则要烧坏电机2）开始加载要缓慢，防止油门开得过大，引起载荷冲击突然增加，造成事故3）进行试验时，必须专人负责，坚守岗位，如发生机器声音异常，立即停机4）试验结束后，切记关闭进油阀，取下试件，打开回油阀，并关闭电源六、铸铁的拉伸实验实验步骤与低碳钢基本相同，但拉伸图没有明显的四个阶段，只有破坏荷载Pb，而且数值较小，变形也不大因此加载时速度一定要慢，进油阀不要开得过大，断裂前没有任何预兆，突然断裂，是典型的脆性材料最后观察断口形状和自动绘图器上的拉伸曲线图是否与理论相符，其断口形状与低碳钢有何不同，请教师检查试验记录。

七、数据处理根据材料的屈服载荷Fs和最大载荷Fb，计算屈服极限σs和强度极限σb； ； 根据试件试验前后标距长度及断面面积计算： 八、思考题1、从试件的破坏断口及其拉伸图上，反应了两种材料的哪些异同？为什么将低碳钢的极限应力σjx定为σs，而将铸铁的定为σb？2、为何在拉伸试验中必须采用标准试件或比例试件？材料和直径相同而长短不同的试件延伸率是否相同？§3－2 压缩实验一、目的1、测定压缩时低碳钢的屈服极限σs和铸铁的强度极限σb2、观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏情况二、仪器设备1、液压式万能试验机2、游标卡尺三、试件低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成圆柱形（图3-3）其直径d0与高h0之间比例应控制在即高度不能太大以避免试件在试验中发生挠曲现象但h0也不能太小，由于上下垫板发生摩擦，也影响试验结果由于摩擦阻止了靠近垫板部分的金属的横向变形，因而试件变形后如图3-4所示形成鼓形，越靠近垫板变形越小这种摩擦力的影响，试件越小影响越大所以需要在试件两端面涂上润滑剂（润滑油或石蜡），以减小摩擦同时在安放试件时要注意放在压板的中心，并使用导向装置（图3-5），使试件仅承受轴向压力。

图3-3 图3-4 图3-5四、操作步骤：1、低碳钢（1）测量尺寸：测量试件的高度和直径，直径取试件的上、中、下三处，每处垂直交叉各测量一次，取最小值来计算截面面积A02）选测度盘：根据试件的截面大小估算量程，并选好测力度盘，挂好相应的铊3）指针调零：按下启动按钮，随即关闭回油阀，拧开进油阀，将活动平台提升一小段，便关闭进油阀然后检查摆杆是否垂直，如果不垂直，调节平衡铊，使摆杆保持垂直最后将指针调零，并装好绘图纸和绘图笔4）安放试件：将试件安放在下夹板的中心位置或压缩实验装置的中心（注意一定要放在中心，否则偏心受压）5）加载：如果试件或压缩实验装置离上压板空间较大，有几十厘米空间，此时可以将进油阀开到较大，让活动平台快速上升这时右手控制进油阀，左手放在停止按钮上（控制台面上的红色按钮），眼睛看着试件或压缩实验装置当试件或压缩实验装置离上压板还差5cm时，左手立即按下停止按钮，右手关闭进油阀（顺时针转动手轮），直到关闭为止然后重新启动试验机，顺手转进油阀2下（半圈左右），并缓慢而均匀地加载打下绘图笔，转动滚筒，使绘图笔处于合适的位置。

并注意观察测力指针，如果指针转动较快，则关小一些进油量；如果转动较慢，则开大一些进油量并注意观察自动绘图器上的F－ΔL曲线曲线的开始部分为一段斜直线，说明低碳钢在弹性阶段，此时力与变形成比例当测力指针转动速度减慢或停顿，自动绘图器上的曲线出现拐点时，此时的荷载即为屈服荷载FS记下此荷载然后再加大一些进油量，继续加载，一般加到250KN即可，停机，此时试件被压成鼓状如果继续加载，随着载荷的增大，试件将越压越扁，最后将压成饼形而不破裂（如图3-6所示）2、铸铁铸铁压缩实验的方法和步骤与低碳钢压缩相同，但要注意铸铁是脆性材料，没有屈服点从P－ΔL曲线上可以看出，其压缩图在开始时接近于直线，以后曲率逐渐增大，当载荷达到最大载荷Fb时，测力指针停顿并开始往回走，预示试件很快破裂，这时关小一些进油量，当听到响声后，立即停机（按下红色按钮），打开回油阀，关闭进油阀，由从动针可读出Fb值试件最后被破坏（如图3-7所示），破裂面与试件轴线约成45°角图3-6低碳钢压缩 图3-7铸铁压缩注意事项：（1）当试件或压缩实验装置的顶面与上压板快接触时，进油量一定要小（进油阀控制在半圈即可），否则进油量较大，引起载荷瞬间突然增大，超过试验的最大量程，造成试验机损坏。

2）铸铁压缩时，不要靠近试件探望，以防试件破坏时，碎片飞出伤人五、数据整理计算低碳钢的屈服极限和铸铁强度极限 式中A0是试验前试件截面面积绘图表示两种材料的变形和断口形状、从宏观角度分析破坏原因；比较并说明两种材料的力学性质特点六、思考题1、试件偏心时对试验结果有何影响？2、为什么不能求得塑性材料的强度极限？3、铸铁拉、压破坏时断口为何不同？§3－4 材料切变模量G的测定实验（一） 用百分表扭角仪法测定切变模量G一、目的在比例极限内验证扭转时的剪切虎克定律，并测定材料的切变模量G二、仪器设备1、多功能组合实验台 2、百分表三、试件空心圆管：材料为不锈钢、内径d= 40.26mm、外径D= 46.44 mm、长度L=420mm四、预习要求：1、阅读第二章中多功能组合实验台工作原理、使用方法以及百分表的工作原理五、实验原理与方法实验装置如图3-13所示，加载示意图见图3-14试件的一端安装在圆管固定支座上，该端固定不动，另一端可以转动，并在可动端装有一滚珠轴承支座加以支承靠近轴承安装一横杆AB，在A点通过加载手轮加载。