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工程力学实验指导书谢志芬 编桂林电子科技大学机电工程学院力学室2006年3月1 / 242-3碳钢与铸铁的拉伸、压缩实验(实验一)一、目的1、测定碳钢在拉伸时的屈服极限S,强度极限b,延伸率和断面收缩率,测定铸铁拉伸时的强度极限b。2、观察碳钢、铸铁在拉伸过程中的变形规律及破坏现象,并进行比较,使用绘图装置绘制拉伸图(P-L曲线)。3、测定压缩时低碳钢的屈服极限S。和铸铁的强度极限b。4、观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象,并进行比较。5、掌握电子万能试验机的原理及操作方法6、了解液压万能试验机的工作原理及操作方法。 二、设备微机控制电子万能材料试验机、液压式万能材料试验机、游标卡尺。三、拉伸试祥1. 为使各种材料机械性质的数值能互相比较,避免试件的尺寸和形状对试验结果的影响,对试件的尺寸形状GB6397-86作了统一规定,如图2-3所示: 图2-3用于测量拉伸变形的试件中段长度(标距L0)与试件直径d。必零满足L0d0=10或5,其延伸率分别记做和10和52、压缩试样:低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般做成很短的圆柱形,避免压弯,一般规定试件高度h直径d的比值在下列范围之内:13为了保证试件承受轴向压力,加工时应使试件两个端面尽可能平行,并与试件轴线垂直,为了减少两端面与试验机承垫之间的摩擦力,试件两端面应进行磨削加工,使其光滑。2 / 24四、实验原理 图2-4为试验机绘出的碳钢拉伸P-L曲线图,拉伸变形L是整个试件的伸长,并且包括机器本身的弹性变形和试件头部在夹头中的滑动,故绘出的曲线图最初一段是曲线,流动阶段上限B受变形速度和试件形式影响,下屈服点B则比较稳定,工程上均以B点对应的载荷作为材料屈服时的载荷PS,以试样的初始横截面积A0除PS,即得屈服极限: 图2-4 (2.1) 屈服阶段过后,进入强化阶段,试样又恢复了承载能力,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,这时示力盘的从动针停留在Pb不动,主动针则迅速倒退表明载荷迅速下降,试样即将被拉断。以试样的初始横截面面积A。除Pb得强度极限为 (2.2) 延伸率及断面收缩率的测定,试样的标距原长为L0拉断后将两段试样紧密地对接在一起,量出拉断后的标距长为L1延伸率应为 (2.3) 断口附近塑性变形最大,所以L1的量取与断口的部位有关,如断口发生于L的两端或在L之外,则试验无效,应重做,若断口距L。的一端的距离不在标距长度的中央区域内,要采用断口移中的办法;以度量试件位断后的标距,设两标点CC1之间共有10格,断口靠近左段,如图2-5,从临近断口的第一刻线d起,向右取1025格,记作a,这就相当于把断口摆在标距中央,再看a点到C1点有多少格,就由a点向左取相同的格数,记作b,令L表示C至b的长度,L表示b至a的长度,则L2L的长度中包含的格数等于标距长度内的格数10,即L2L=L1。3 / 24 图2-5试样拉断后,设颈缩处的最小横截面面积为A1,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A1,然后按下式计算断面收缩率: (2.4)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,其强度极限远小于低碳钢的强度极限。图2-6为低碳钢试件的压缩图,在弹性阶段和屈服阶段,它与拉伸时的形状基本上是一致的,而且也基本相同,所以说,低碳钢材料在压缩时的E和都与拉伸时大致相同,低碳钢的塑性好,由于泊松效应,试件越压越粗,不会破坏,横向膨胀在试件两端受到试件与承垫之间巨大摩擦力的约束,试件被压成鼓形,进一步压缩,会压成圆饼状,低碳钢试件压不坏,所以没有强度极限。图2-6 图2-7图2-7为铸铁试件压缩图,P-L比同材料的拉伸图要高4-5倍,当达到最大载荷时铸铁试件会突然破裂,断裂面法线与试件轴线大致成的倾角。这表面,铸铁压缩破坏主要是由剪应力引起的。5 / 24五、实验步骤拉伸试验步骤:1、试件准备(1)测量试样尺寸 测定试样初始横截面面积A时,在标距L的两端及中部三个位置上,沿两个互相垂直的方向,测量试样直径,以其平均值计算各横截面面积,取三个横截面面积中的最小值为A。2、试验机准备使用电子万能试验机时(1)检查试验机的夹具是否安装好,各种限位是否在实验状态下就位;(2)启动试验机的动力电源及计算机的电源;(3)调出试验机的操作软件,按提示逐步进行操作;(4)安装试件。安装时仅将试件上端夹紧,下端悬空,然后再试件上夹持引伸计;(5)启动下降按钮将试件移下,停止安装好试件,进行调零,回到试验初始状态;(6)根据实验设定,启动实验开关进行加载,注意观察试验中的试件及计算机上的曲线变化;(7)实验完成,保存记录数据,打印实验数据报告;(8)试件破坏后(非破坏性试验应先卸载),断开控制器并关闭,关闭动力系统及计算机系统,清理还原。使用液压万能试验机时(1)调整试验机 按2-1的要求调整检查万能材料试验机,根据Pbb。估计试件的最大载Pb,按最大载荷数值为度盘测力范围的40-80的标准来选择度盘和与其相匹配的摆锤,并调整示力指针为零。(2)安装试样 先将试件安装在试验机上夹头内,再移动下夹头使之达到适当位置,须注意使试样垂直,并把试样下端夹紧。(3)检查及预拉 请教师检查以上实验步骤完成情况。开动试验机,并使自动绘图器工作。预加少量载荷(勿使应力超过比例极限),然后卸载接近零点,以检查试验机是否处于正常状态。 5 / 24(4)进行试验 打开送油阀,用慢速加载,缓慢而均匀地使试件产生变形,注意观察测力指针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象,以测力指针停止转动的载荷或指针多次回转时,第一次回转后的最小载荷作为屈服点载荷Ps,并注意观察是否出现滑移线。屈服后在强化阶段任一点处,停止加载,然后卸载,再重新加载,以观察冷作硬化现象。继续加载直至试件断裂。在断裂前注意观察颈缩现象。此时拉力达到最大载荷,测力指针开始回转,而副针停留位置的读数,即最大载荷Pb,试件断裂后停机,取下试件。铸铁试验只要记下最大载荷及绘出拉伸图。取下自动绘图仪所绘的拉伸曲线图纸,以便写实验报告时参考。(5)试验结束 打开回油阀,将载荷卸掉,清理实验现场。压缩试验步骤:1、测量试样尺寸, 测量试样两端及中间等三处截面的直径,取三处中最小一处的平均直径作为计算原截面积之用。2、调整试验机,选择测力度盘,调整指针对准零点,并调整自动绘图器。电子万能试验机按软件操作指南步骤进行。3、安装试样,将试样两端面涂上润滑油,然后准确地放在试验机活动台支承垫的中心上。4、检查及试车液压试验机试车时将试验机活动台上升,试件亦随之上升,当试件上端面接近承垫时应减慢活动台上升速度,避免突然接触引起剧烈加载,当试件与上承垫刚接触时,将自动绘图笔调整好,使它处于工作状态,用慢速预加少量载荷。然后卸载近零点,以检查试验机工作是否正常。5、进行试验对于抵碳钢试件,缓慢而均匀地加载,注意观察测力指针的转动情况和绘图纸上所描的曲线,以便及时而正确地读出屈服载荷,并把它记录下来,算出屈服极限6 / 24 (2.5)对于铸铁试件,缓慢而均匀地加载,同时使用自动绘图装置绘出P-曲线,直到试件破裂为止,记下破坏载荷,并算出强度极限: (2.6) 6、结束工作打开回油间,将载荷卸掉,取下试件,使试验机复原。六、注意事项1、试验时,必须严格遵守试验机的操作规程,液压试验机工作台升降电机只能用于升降工作台,不能用于加荷。2、电子万能试验机的试验程序设定后,不能随意改动。在实验过程中操作软件一定要按部就班,以免产生误操作,损坏试验机。3、压缩试件要尽量放在压板中心,以免载荷偏心。4、如果在试验过程中,由于某种特殊或意外的原因,液压试验机油泵突然停止工作,此时应将负荷卸掉使油压降低。检查后,重新开动油泵进行试验,不应在高压下起动,以免发生意外损坏。七、实验报告试验结果应以表格或图线的形式表达,并附以必要的文字说明,包括下列内容:料力学性能指标:S、b、的计算。将P-L实验曲线转换成-曲线,将上述机械性能指标标注在曲线上,要有数值和单位。画出试件断口形状图。比较两种材料的机械性能特点,并分析其破坏原因。八、预习及思考讨论题预习本节及2-1,并回答以下思考题。(1)参考试验机自动绘图仪绘出的拉伸图,分析从试件加力至断裂的过程可分为哪几个阶段? 7 / 24相应于每一阶段的拉伸曲线的特点和物理意义是什么?(2)S和b是不是试件在屈服和断裂时的真实应力?为什么?(3)由拉伸试验测定的材料机械性质在工程上有何实用价值?(4)试验时如何观察碳钢的屈服极限?(5)WE-30液压试验机上的两个马达各有何用途?能否用工作台升降电机对试件加载?(6)拉伸和压缩时,低碳钢的屈服点是否相同,铸铁的强度极限是否相同?(7)压缩试件为什么要做成短而粗的圆柱形,长了会有什么影响?(8)铸铁试件压缩破坏时断裂面法线与试件轴线夹角约成多少?为什么?3-6 弯曲正应力实验(实验二)一、实验目的1、用电测法测定梁纯弯曲时沿其横截面高度的正应变(正应力)分布规律;2、验证纯弯曲梁的正应力计算公式。3、初步掌握电测方法。二、实验仪器和设备1、多功能组合实验装置一台;2、TS3860型静态数字应变仪一台;3、纯弯曲实验梁一根。4、温度补偿块一块。三、实验原理和方法弯曲梁的材料为钢,其弹性模量E=210GPa,泊松比=0.29。用手转动实验装置上面的加力手轮,使四点弯上
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