材料力学实验资料

1、实验一 拉伸实验拉伸试验、是研究材料力学性能的最基本试验，方法简单，数据可靠。工矿企业，研究所一般都用此类方法对材料进行出厂检验或进厂复检，用测得的s、b(0.2)、和等指标来评定材质和进行强度、刚度计算。因此，对材料进行轴向拉伸试验和压缩试验具有工程实际意义。不同材料在拉伸过程中表现出不同的力学性能和现象。低碳钢和铸铁分别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在拉伸试验中弹性、屈服、强化、和颈缩四个阶段尤为明显和清楚。一、 实验目的1、观察分析低碳钢的拉伸过程和铸铁的拉伸、压缩过程，比较其力学性能。2、测定低碳钢的s、b、 ；测定铸铁的拉伸强度极限b 。3、了解材料试验机的结构原理，掌握操作方法。二、 实验设备1、电子万能试验机。2、液压式万能试验机。3、游标卡尺。三、 拉伸试样试样的制备应按照相关的产品标准或GB/T 2975的要求切取样坯和制备试样。试验表明，所用试样的形状和尺寸，对其性能测试结果有一定影响。为了使金属材料拉伸试验的结果具有可比性与符合性，国家已制定统一标准。依据此标准，拉伸试样为比例试样，试样的横截面形状为圆形。这两种试样便于机加工，也便于尺寸的

2、测量和夹具的设计。本试验所用的拉伸试样是经机加工制成的圆形横截面的长比例试样,即L=10d。如图1所示。图1 拉伸试件四、 实验原理1. 低碳钢拉伸实验（1）屈服极限s及强度极限b的测定 试样加载到达屈服阶段时，低碳钢的Pl曲线呈锯齿形（图2）。与最高载荷对应的应力称为上屈服极限，它受变形速度和试样形状的影响，一般不作为强度指标。同样，载荷首次下降的最低点（初始瞬时效应）也不作为强度指标。一般把初始瞬时效应之后的最低载荷Ps对应的应力作为屈服极限s，以试样的初始横截面面积A0除Ps，即得屈服极限。屈服阶段过后，进入强化阶段，试样又恢复了承载能力（图2）。载荷到达最大值Pb时，试样某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象。以试样的初始横截面面积A0除Pb，即得强度极限。图2 低碳钢拉伸时的Pl曲线（2）延伸率及断面收缩率的测定 试样的标距原长为，拉断后将两端试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为l1，延伸率为试样拉断后，设颈缩处的最小横截面面积为A，由于断口不是规则的圆形，应在两个相互垂直的方向上量取最小截面的直径，以其平均值计算A，然后按下式计算断面收缩率:2、铸铁的拉伸实验由于铸

3、铁在拉伸过程中没有屈服阶段，且在很不显著的变形下即断裂，故对铸铁只能测得其强度极限，即五、 实验步骤与方法（1） 试件准备和尺寸测量用游标卡尺量取试件的标距和直径(如图1)，测量三次取平均值（下同），直径测量取上中下三部位；将标距等分10份，用笔画线（11条线）以作记号。（2） 开机、准备实验先启动电源，电源指示灯亮后，再启动油泵，预热30分钟。此步骤可以提前到步骤1之前。（3） 调整试验机横梁位置，设置有关参数等。（4） 安放试件。（5） 按规定选择参数，进行加载试验。（6） 试件断裂后，卸去荷载，取下试件。（7） 数据处理量取断裂面的直径和标距，根据仪器自动记录的曲线，填写实验报告。六、 问题讨论（1） 钢筋和铸铁在承受拉力作用时，力学性能有何不同？（2） 根据低碳钢和铸铁拉伸试件的断口特征，分析其破坏的原因。实验二 压缩实验压缩试验是为了测定工程材料在受压时的力学性能。有的材料如混凝土、岩石、铸铁等，抗拉能力差，但它的抗压能力很好。这些材料，除了抗压强度与抗拉强度不同之外，还有值及破坏形式上也存在着压缩与拉伸的差别。因此，压缩试验同样是工程材料力学试验的重要内容之一。一、 试验目

4、的（1） 测定铸铁压缩时的强度极限和低碳钢的屈服极限。（2） 观察铸铁和低碳钢压缩时的变形和破坏形式，找出它们的不同之处。二、 仪器设备与工具（1） 电子万能试验机或压力试验机等。（2） 游标卡尺等。三、 试样制备与安装金属压缩试件有圆柱体、正方形柱体、矩形板、带凸耳板状等几种形状。铸铁和低碳钢的压缩试件一般做成圆柱体。高度与直径的比的大小会影响到试验的结果。试件过于细长则易压弯，过于粗短则受两端摩擦力的影响大。为了确保试件处于单向压缩状态，以及试验结果具有可比性，国家标准金属压缩试验方法GB731487对侧向无约束试件做出了以下有关规定：（1） 试件仅适应于测定。（2） 试件适应于测定、（规定非比例压缩应力）和（规定总压缩应力）。（3） 试件适应于测定和压缩杨氏模量。为了减少摩擦力的影响，试件两端面应尽量光滑，相互平行，且与轴线垂直。 试件安装在试验机上下压座之间，见图1。下承压座是一个球形承垫，如果试件两端面稍有不平行，则球形承垫可以产生调节作用，使压力通过试件的轴线。 图1压缩试件安装四、 试验原理（1） 低碳钢压缩试验低碳钢在压缩时的曲线见图2。在屈服之前，曲线与拉伸时相同。在

5、屈服之后的曲线，就与拉伸的不同了。在弹性范围内，加载速率应控制在。在明显塑性变形范围内，加载的应变速率应控制在之间。材料受压屈服时，变形继续增大，载荷保持不变或出现波动，如图2所示。按图示的方法，读取各种情形下的压缩屈服载荷，然后计算压缩屈服点。（1）前面已指出，与试件轴线成45oC斜截面上的剪应力是使材料发生滑移，即屈服的原因。由材料力学知道，无论试件横截面上的正应力是拉应力还是压应力，只要大小相同，则在45oC斜截面上产生的剪应力的大小都是相同的，因此与应是相等或相近的。屈服过后，试件变短，横截面积变大，曲线继续上升，直至试件被压成饼状。因此低碳钢压缩试验不能测出其强度极限。图2低碳钢压缩曲线（2） 铸铁压缩试验铸铁压缩时的曲线呈非线性，见图3，这一点与铸铁拉伸时的曲线是相同的。所不同的是铸铁压缩到达强度极限载荷前出现较大变形，由原来的圆柱体变为腰鼓形或斜圆柱。脆性材料受压试件的破坏是个复杂的外部施力、内部损伤破坏的力学过程。国内外都在研讨、争论这个问题。试件端部的受力状态与试件的破坏形式有密切关系（图4）。不加任何垫片时，铸铁试件沿着与轴线成45o55o方向破坏，图3铸铁压缩试验

6、曲线破坏时斜面上的剪应力与同样的材料在剪切试验中所测得的剪切破坏极限相当接近。试件两端面加垫薄片（三合板）时，其受压破坏形式如图4（b）所示。（a）两端不加任何垫板（b）两端加垫三合板（）图4铸铁试件压缩破坏形式抗压强度按下式计算：（2）五、 试验步骤（1） 测量试件尺寸。用游标卡尺测量压缩试件上、中、下3处截面的平均值径，取它们中的最小值计算截面面积，同时测量试件的高度。（2） 调整试验机横梁位置，设置有关参数等。（3） 安放试件。（4） 按规定选择加载速度，然后加载试验。（5） 对低碳钢试件，注意观察，记下屈服载荷，或在计算机屏幕上读取值；对铸铁试件，加载至破坏为止，记下最大载荷。六、 讨论问题压缩试验问题讨论：（1） 比较低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性能和断口形状，分析破坏原因。剪切试验问题讨论：（1） 比较低碳钢Q235号钢和之间的比值。（2） 观察低碳钢试件剪切断口，分析破坏原因。比较低碳钢拉伸破坏断口与剪切破坏断口。实验三 剪切试验工程中使用的构件或零部件，除了受到拉伸和压缩的应力作用之外，还受到剪切应力的作用。特别是那些由铆钉、销钉、螺栓联接的构件，见图1，其中联接螺栓等

7、受到剪力的作用，它们的抗剪强度如何关系到构件的安全。因此，工程设计时不仅要考虑材料的抗拉强度和抗压强度，还要考虑材料的抗剪强度。剪切试验就是为了测定材料的而进行的一种试验。1铆钉；2螺栓；3销钉图1承受剪切的铆钉、销钉、螺栓一、 试验目的（1） 测定低碳钢的抗剪强度。（2） 观察破坏断口，分析破坏原因。二、 仪器设备与工具（1） 电子万能试验机WD200B或其他万能试验机、压力试验机。（2） 剪切试验座及压头。（3） 游标卡尺等。三、 试验原理剪切试验有多种做法，图2图5为其中常用的4种剪切试验原理图。1胶接材料；2金属板图2胶接材料拉伸剪切试验原理 图3高分子材料压缩剪切试验原理图4金属剪切试验原理 图5岩石材料剪切试验原理本次试验采用图4的装置，受试材料为低碳钢。四、 试验步骤（1） 测量试件受剪处直径，取平均值，计算。（2） 安装试件，把试件插入剪切块孔里，调节左右对称。（3） 调整试验机横梁位置，选择适当量程。（4） 加载试验，记下剪断时的最大荷载。五、 结果分析根据试验所测得的及试件受剪处的平均直径，计算。六、 讨论问题（5） 比较低碳钢Q235号钢和之间的比值。（6） 观察

8、低碳钢试件剪切断口，分析破坏原因。比较低碳钢拉伸破坏断口与剪切破坏断口。实验三 扭转实验一、 实验目的（1） 测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力和抗扭强度。（2） 测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度。（3） 绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。二、 实验设备和仪器（1） 扭转试验机（2） 游标卡尺三、 实验试样按冶金部标准采用圆形截面试件，两端成六角形。如图1所示。aa 图1 扭转试件图圆形截面试样的直径，标距或，平行部分的长度为。若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB1012888。四、 实验原理与方法（1） 测定低碳钢扭转时的强度性能指标试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩，低碳钢的扭转屈服应力为 （）式中：为试样在标距内的抗扭截面系数。在测出屈服扭矩后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩，低碳钢的抗扭强度为（）对上述两公式的来源说明如下：低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的图如图3所示。当达到图中点时，与成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力，如能测得此时相应的外力偶矩，如图3a所示，则扭转屈服应力为 （）经过点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图3b所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图3c所示的情况，对应的扭矩为

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