工程力學(xué)試驗(yàn)報告

1、15工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)報告自動化12級實(shí)驗(yàn)班§ 1-1金屬材料的拉伸實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)?zāi)康? 測定低碳鋼（Q235鋼）的強(qiáng)度性能指標(biāo)：上屈服強(qiáng)度ReH，下屈服強(qiáng)度 ReL和抗拉強(qiáng)度Rm。2 .測定低碳鋼（Q235鋼）的塑性性能指標(biāo)：斷后伸長率A和斷面收縮率Z。3 .測定鑄鐵的抗拉強(qiáng)度Rm。4 .觀察、比較低碳鋼（Q235鋼）和鑄鐵的拉伸過程及破壞現(xiàn)象，并比較其機(jī)械性能。5 .學(xué)習(xí)試驗(yàn)機(jī)的使用方法。、設(shè)備和儀器1 .試驗(yàn)機(jī)（見附錄）。2. 電子引伸計(jì)。3. 游標(biāo)卡尺。三、試樣(a)（b）圖1-1試樣拉伸實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中最基本的實(shí)驗(yàn)。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以相互比較，必須對試樣、試驗(yàn)機(jī)及實(shí)驗(yàn)方法做出明

2、確具體的規(guī)定。我國國標(biāo)GB/T228 2002金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法”中規(guī)定對金屬拉伸試樣通常采用圓形和板狀兩種試樣，如圖（1-1）所示。它們均由夾持、過渡和平行三部分組成。夾持部分應(yīng)適合于試驗(yàn)機(jī)夾頭的夾持。過渡部分的圓孤應(yīng) 與平行部分光滑地聯(lián)接，以保證試樣破壞時斷口在平行部分。平行部分中測量伸長用的長度稱為標(biāo)距。受力前的標(biāo)距稱為原始標(biāo)距，記作I。，通常在其兩端劃細(xì)線標(biāo)志。國標(biāo)GB/T228-2002中，對試樣形狀、尺寸、公差和表面粗糙度均有明確規(guī)定。四、實(shí)驗(yàn)原理低碳鋼（Q235鋼）拉伸實(shí)驗(yàn)（圖解方法）將試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭中，引伸計(jì)裝卡在試樣上，啟動試驗(yàn)機(jī)對試樣加載，試驗(yàn)機(jī)將自動繪

3、制出載荷位移曲線（ F-A L曲線），如圖（1-2）。觀察試樣的受力、變形直至破壞的全過程，可以看到低碳鋼拉伸過程中的四個階段（彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和局 部變形階段）。屈服階段反映在F-A L曲線圖上為一水平波動線。上屈服力FeH是試樣發(fā)生屈服而載荷首次下降前 的最大載荷。下屈服力FeL是試樣在屈服期間去除初 始瞬時效應(yīng)（載荷第一次急劇下降）后波動最低點(diǎn)所 對應(yīng)的載荷。最大力Rm是試樣在屈服階段之后所能 承受的最大載荷。相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)由以下公式計(jì)算：上屈服強(qiáng)度ReH : ReH =區(qū)S。下屈服強(qiáng)度ReL： ReL二甩S0(1-1)(1-2 )抗拉強(qiáng)度Rm：Rm二“（1-3）在強(qiáng)化階段任

4、一時刻卸載、再加載，可以觀察加載、御載規(guī)律和冷作硬化現(xiàn)象。在Fm以前，變形是均勻的。從 Fm開始，產(chǎn)生局部伸長和頸縮，由于頸縮，使頸縮處截面減小，致使載荷隨之下降，最后斷裂。斷口呈杯錐形。測量斷后的標(biāo)距部分長度 Lu和頸縮處最小直徑du,按以下兩式計(jì)算其主要塑性指標(biāo): 斷后伸長率A :A 丄 士 100%（ 1-4）Lo式中Lo為試樣原始標(biāo)距長度（名義尺寸50mm）。由于試樣的塑性變形集中在縮頸處并向兩邊逐漸減小，因此斷口位置不同，標(biāo)距部分的 塑性伸長也不同。若斷口在試樣中部，發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的縮頸段全部在標(biāo)距長度內(nèi)，標(biāo)距 長度就有較大的塑性伸長量；若斷口距標(biāo)距端很近，則發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的縮頸

5、段只有一部 分在標(biāo)距長度內(nèi)，另一部分在標(biāo)距長度外，因此，標(biāo)距長度的塑性伸長量就小。這說明斷口 位置對測得的伸長率有影響，為此應(yīng)用所謂移位法測定斷后標(biāo)距長度1,。eft<71。3，則可直接測量標(biāo)距試驗(yàn)前將試樣標(biāo)距分成十等分。若斷口到鄰近標(biāo)距端距離大于兩端點(diǎn)間的距離。若斷口到鄰近標(biāo)距端距離小于或等于103，則應(yīng)用所謂移位法（亦稱為補(bǔ)償法）測定：在長段上從斷口 O點(diǎn)起取長度基本上等于短段格數(shù)的一段得 B點(diǎn)，再由B點(diǎn)起 取等于長段所余格數(shù)（偶數(shù)）之半得 C點(diǎn)（見圖1-8（a）;或取所余格數(shù)（奇數(shù)）減 1與加1之半得 C與C點(diǎn)（見圖1-8（ b）;移位后的 L1分別為：AO+OB+2B或者AO+O

6、B+BC+BC測量時，兩段在斷口處應(yīng)緊密對接，盡量使兩段軸線在一直線上。若斷口處形成縫隙，此縫隙應(yīng)計(jì)入L1內(nèi)。斷面收縮率Z:(1-5)式中So和Su分別是原始橫截面積和斷后最小橫截面積。鑄鐵拉伸鑄鐵拉伸時沒有屈服階段，拉伸曲線微微彎曲，在變形很小的情況下即斷裂(見圖1-3)，斷口為平端口。因此對鑄鐵只能測得其抗拉強(qiáng)度Rm，即：Rm = m( 1-6)So鑄鐵的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于低碳鋼的抗拉強(qiáng)度。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1 .原始記錄參考表 1-2和表1-3填寫。表1-2原始尺寸材料原始標(biāo)距Lo (mm)原始橫截面直徑do(mm)原始最小橫截面積2S0 (mm )IIIIII12平均12平均12平均低碳鋼5

7、010.0810.090.08510.0610.1010.0810.0410.0910.06579.564鑄鐵/10.1210.0810.109.999.999.999.869.939.89576.899表1-3斷后尺寸斷后標(biāo)距Lu(mm)斷后縮頸處最小直徑 du (mm)斷后最小橫截面積Su(mm2)12平均64.315.855.945.89527.2932 數(shù)據(jù)處理低碳鋼據(jù)Fm值和F- L圖計(jì)算力軸每毫米代表的力值 m,從F- L圖上找出F°h和F°l點(diǎn)的位 置，量出它們至 L軸的垂直距離heH和heL，從而計(jì)算出F°h和F°l值（即mheH和mhe

8、L，然 后按公式（1-1）（ 1-3）計(jì)算上屈服強(qiáng)度 ReH、下屈服強(qiáng)度ReL和抗拉強(qiáng)度Rm，按公式（1-4） 和（1-5）計(jì)算斷后伸長率 A和斷面收縮率Z 。Fm=43.99kN解：由圖可知 FeH=30.11kN, FeL=27.17kN,heH=4.586mmheL=5.261mmReH=378.4MPaReL=341.5MPa Rm=553.9MPaA=28.62%，Z=65.70%鑄鐵據(jù)記錄的最大拉力 Fm，按公式（1-6）計(jì)算抗拉強(qiáng)度 Rm。解：由圖可知Fm=12.25kNRm=159.3MPa六、思考題1 低碳鋼試樣拉伸斷裂時的載荷比最大力Fm小，如按公式R二匸計(jì)算斷裂時的應(yīng)力，

9、S0則計(jì)算得到的應(yīng)力會比抗拉強(qiáng)度Rm小。為什么“應(yīng)力減小后”試樣反而斷裂？4 鑄鐵試樣拉伸，斷口為何是平截面？為何斷口位置大多在根部 ？5 做低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)時為什么要用引伸計(jì)，又為什么在試樣拉斷前要取下引伸計(jì)，為什么此時可以取下引伸計(jì)？七、實(shí)驗(yàn)報告要求包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)備名稱、型號，實(shí)驗(yàn)記錄（列表表示）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分析討論。畫出試樣斷裂后形狀示意圖（可畫在數(shù)據(jù)記錄和處理欄內(nèi)），試驗(yàn)機(jī)自動繪制的F- L圖附于實(shí)驗(yàn)報告內(nèi)。附注：實(shí)驗(yàn)步驟試樣材質(zhì)辯識：鑄鐵試樣顏色較深，表面可見凸起的小顆粒，豎直落地時聲音沉悶；而 低碳鋼顏色較亮，表面可見刀紋，豎直落地時聲音輕脆。1 測量試樣尺寸直徑do在試樣標(biāo)距

10、兩端和中間三個截面上測量直徑，每個截面在相互垂直方向各測量一次，取其平均值。用三個平均值中最小者計(jì)算橫截面面積，數(shù)據(jù)列表記錄。標(biāo)距長度L o量取計(jì)算長度L 0 （取L 0=10 do,或L 0=5 do）,在試樣兩端劃細(xì)線標(biāo)志，用刻 線機(jī)將其劃分成10等分（或5等分）。2. 開機(jī)打開電源開關(guān)；啟動計(jì)算機(jī)進(jìn)入 Win dos操作系統(tǒng)；點(diǎn)擊試驗(yàn)機(jī)控制軟件，進(jìn)入試驗(yàn)機(jī)操作界面；按復(fù)位按扭使控制系統(tǒng)上電。3. 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊“模式設(shè)置”選項(xiàng)，選擇試驗(yàn)?zāi)Ｊ?-拉伸實(shí)驗(yàn)。3. 試驗(yàn)基本參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊“操作”按扭，進(jìn)入“試驗(yàn)基本參數(shù)”界面，選擇變形測量模式一引伸計(jì)。4. 試驗(yàn)過程設(shè)置主要有：試樣基本參數(shù)設(shè)定

11、；試驗(yàn)力檔位設(shè)定；變形調(diào)零；變形檔位設(shè)定；曲線參數(shù)設(shè) 定等。詳細(xì)設(shè)置請參見附1-2電子拉力試驗(yàn)機(jī)。5 裝夾試樣，安裝引伸計(jì)上下夾頭均為斜鍥夾塊，將試樣的夾持部位放入V型槽中央。注意低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)須測定標(biāo)距范圍內(nèi)的變形，因此試樣上下夾持部位均須留出5-10mm,以便安裝引伸計(jì)。鑄鐵拉伸實(shí)驗(yàn)則不用安裝引伸計(jì)。6 測試待一切準(zhǔn)備工作完成后，點(diǎn)擊“上行”按扭，開始拉伸實(shí)驗(yàn)。測試完畢保存實(shí)驗(yàn)文件。 注意實(shí)驗(yàn)過程中觀察圖形和數(shù)據(jù)顯示窗口以及試樣破壞情況。特別提請注意的是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)曲 線出現(xiàn)水平線一定程度后，試樣開始進(jìn)入局部變形階段時，點(diǎn)擊“取引伸計(jì)”按扭，迅速取 下引伸計(jì)，以免引伸計(jì)損傷。7 打印點(diǎn)擊“報告

12、打印”，輸出實(shí)驗(yàn)曲線。8.卸載并取出試樣卸載并取出試樣，注意保護(hù)試樣斷口形貌。9 .測量斷后標(biāo)距 Li和斷后頸縮處最小直徑 di （僅對低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)） 測量時應(yīng)注意將低碳鋼試樣兩段的斷口緊密對接，若斷口到鄰近標(biāo)距端距離小于或等于Lo 3時，則應(yīng)用所謂移位法（亦稱為補(bǔ)償法）測定斷后標(biāo)距長度J。測量頸縮處最小直徑du時，在最小處互相垂直的兩個方向測量直徑。注意應(yīng)用卡尺測量前端較窄的部位，以免由 于弧線的影響而測量不到實(shí)際的最小值。10.關(guān)機(jī)注意清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，將相關(guān)儀器還原。§ 1-2低碳鋼和鑄鐵的壓縮試驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康? 測定低碳鋼的壓縮屈服點(diǎn)；sc和鑄鐵的抗壓強(qiáng)度 二be。2. 觀察并

13、分析兩種材料在壓縮過程中的各種現(xiàn)象。二、設(shè)備和儀器1 電子萬能試驗(yàn)機(jī)2 游標(biāo)卡尺三、試樣低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試樣一般制成圓柱形，其公差、表面粗糙度、兩端面的平行度和對試樣軸線的垂直度在國標(biāo)GB7314-87中有明確規(guī)定。目前常用的壓縮試驗(yàn)方法是兩端平壓法。由于試樣兩端面不可能理想地平行，試驗(yàn)時必須使用球形承墊（見圖2-1a），試樣應(yīng)置于球形承墊中心，藉球形承墊自動調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)軸向受載。由于試樣的上下兩端與試驗(yàn)機(jī)承墊之間會產(chǎn)生很大的摩擦力，它們阻礙著試樣上部及下部的橫向變形，導(dǎo)致測得的抗壓強(qiáng)度較實(shí)際偏高。當(dāng)試樣的高度相對增加時，摩擦力對試樣中部的影響就會相應(yīng)變小，因此抗壓強(qiáng)度與比值h。/ d

14、o有關(guān)，同時考慮穩(wěn)定性因素，為此國家標(biāo)準(zhǔn)對試樣高度ho與直徑do之比規(guī)定在13的范圍內(nèi)。本次實(shí)驗(yàn)采用-10X 15的圓柱形試樣。四、試驗(yàn)原理(a)(b)圖2-1圖2-2試驗(yàn)時緩慢加載，試驗(yàn)機(jī)自動繪出壓縮圖（即F-內(nèi)曲線）。低碳鋼試樣壓縮圖如圖 2-1b所示。試樣開始變形時，服從虎克定律，呈直線上升，此后變形增長很快，材料屈服。此時載荷暫時保持恒定或稍有減小，這暫時的恒定值或減小的最小值即為壓縮屈服載荷 Fsc。有時屈服階段出現(xiàn)多個波峰波谷，則取第一個波谷之后的最低載荷為壓縮屈服載荷 Fsc。以后圖形呈曲線上升，隨著塑性變形的增長，試樣橫截面相應(yīng)增大，增大了的截面又能承受更大的載荷。試樣愈壓愈扁

15、，甚至可以壓成薄餅形狀 (如圖2-1a所示)，而不破裂，所以測不出抗壓強(qiáng)度。鑄鐵試樣壓縮圖如圖 2-2a所示。載荷達(dá)最大值 Fbc后稍有下降，然后破裂，能聽到沉悶 的破裂聲。鑄鐵試樣破裂后呈鼓形，并在與軸線大約成 45°的面上破斷，這主要是由切應(yīng)力造成的。四、試驗(yàn)結(jié)果處理原始數(shù)據(jù)記錄參考表 2-1。sc =Fsc(2-1)表2-1原始數(shù)據(jù)記錄表材料直徑do(mm)橫截面面積So(mm2)屈服載荷Fsc(KN)最大載何Fbc(KN)12平均低碳鋼9.969.979.96577.9923.156鑄鐵10.1010.0910.09580.039/57.475據(jù)試驗(yàn)記錄計(jì)算低碳鋼的壓縮屈服點(diǎn)

16、二sc和鑄鐵的抗壓強(qiáng)度-be。代入數(shù)據(jù)，接的為 296.9MPaFbcSo(2-2)代入數(shù)據(jù)，接的為 718.1MPa五、思考題1、低碳鋼壓縮后為什么成鼓形？鑄鐵壓縮時如何破壞？為什么?2、低碳鋼拉伸有Fm,壓縮時測不出最大載荷， 為什么說它是拉壓等強(qiáng)度材料？為什么說 鑄鐵是拉壓不等強(qiáng)度材料?六、實(shí)驗(yàn)報告要求包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康模O(shè)備名稱、型號，實(shí)驗(yàn)記錄(列表表示)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，實(shí)驗(yàn)后試樣 形狀示意圖，分析討論。附注：實(shí)驗(yàn)步驟1開機(jī)打開電源及油泵電機(jī)，啟動計(jì)算機(jī)及測試軟件。2 測量試樣尺寸用游標(biāo)卡尺在試樣高度中點(diǎn)處兩個相互垂直的方向上測量直徑，取其平均值。數(shù)據(jù)列表 記錄。3 .裝夾試樣，安裝引伸計(jì)。

17、軟件參數(shù)調(diào)零。4. 參量設(shè)置包括試驗(yàn)曲線類型選擇，試驗(yàn)力和變形窗口量程選擇。詳細(xì)參數(shù)設(shè)置請參見附 1-3-微機(jī)控制液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)。5. 測試待一切準(zhǔn)備工作完成后，正式測試。測試完畢，保存實(shí)驗(yàn)文件，數(shù)據(jù)分析輸出，讀取低 碳鋼壓縮屈服載荷 Fsc。在實(shí)驗(yàn)過程中注意觀察圖形和數(shù)據(jù)顯示窗口以及試樣破壞情況。6. 卸載并取出試樣注意觀察試樣有何變化。7 .關(guān)機(jī)注意清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，將相關(guān)儀器還原。§ 2梁彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 測定矩形截面梁純彎段應(yīng)變、應(yīng)力分布規(guī)律，為建立理論計(jì)算模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)；將實(shí)測值與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。2 .通過實(shí)驗(yàn)和理論分析深化對彎曲變形理論的理解，培養(yǎng)

18、思維能力。3 .學(xué)習(xí)多點(diǎn)測量技術(shù)。二、設(shè)備和儀器多功能力學(xué)試驗(yàn)臺，YE2538A型電阻應(yīng)變儀三、矩形截面梁的結(jié)構(gòu)、尺寸和純彎曲加載方式a=130mmb=18mm C=140mm h = 36mm圖2-1夾層梁實(shí)驗(yàn)裝置矩形截面梁的結(jié)構(gòu)、尺寸和加載方式如圖2-1所示。梁采用鋁合金材料。在梁的上、下表面各粘貼兩枚應(yīng)變片，以檢查載荷是否偏斜，一個側(cè)面上等間距地粘貼五枚應(yīng)變片，其編號如側(cè)視圖所示。由于觀察各點(diǎn)應(yīng)變變化情況，因此，采用1/4橋，多點(diǎn)共溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行測量。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.打開應(yīng)變儀電源、預(yù)熱。2 .測量首先按下【MEAS】鍵使應(yīng)變儀進(jìn)入測試狀態(tài)，然后觀察負(fù)荷通道顯示是否為零，若不為零，通

19、過試驗(yàn)臺的手柄將負(fù)荷調(diào)節(jié)為零。再通過數(shù)字鍵檢查各測點(diǎn)的電橋狀態(tài)是否為1/4橋、補(bǔ)償1或2 (依外接溫度補(bǔ)償片的點(diǎn)確定)，在確認(rèn)電橋選擇無誤后，分別通過數(shù)字鍵選 擇通道，然后點(diǎn)擊【BAL】完成該測點(diǎn)的應(yīng)變調(diào)零，依此類推，待各測點(diǎn)應(yīng)變通道調(diào)零均完 成后，才可開始加載，待載荷穩(wěn)定后，測量各通道的應(yīng)變值。測完一組數(shù)據(jù)后，然后再將載荷卸到零，重復(fù)三次。3. 完成全部試驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)教師檢查合格后，卸掉載荷、關(guān)閉電源、拆下引線、 整理好實(shí)驗(yàn)裝置，將所用工具放回原處后方可離開實(shí)驗(yàn)室。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理根據(jù)所測各點(diǎn)應(yīng)變，計(jì)算相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值；再計(jì)算各點(diǎn)理論應(yīng)力值。然后將實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值和理論應(yīng)力值進(jìn)行比較，計(jì)算它們間的相對誤差。數(shù)據(jù)處理參考表2-1。當(dāng)梁在載荷作用下發(fā)生彎曲變形時，工作片的電阻值將隨著梁的變形而發(fā)生變化，通過 電阻應(yīng)變儀可以分別測量出各對應(yīng)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)變值；R。然后根據(jù)胡克定律，計(jì)算出相應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力值R = E ；R