力学试验指导书

力学试验指导书

镇江技师学院

数字制造系

内容提要

本书为《材料力学》理论教学的配套教材——材料力学基本实验指导书。书

中主要介绍了低碳钢和铸铁材料的拉伸和压缩实验，金属的冲击实验以及金属的硬度测定实验，包括实验目的、实验设备、实验原理，实验方法与步骤以及思考题等内容。书中还介绍了有关仪器和设备的使用。

学生实验须知

1．实验前必须预习实验指导书中相关的内容，了解本次实验的目的、要求及注意事项。

2．按预约实验时间准时进入实验室，不得无故迟到、早退、缺席。 3．进入实验室后，不得高声喧哗和擅自乱动仪器设备，损坏仪器要赔偿。 4．保持实验室整洁，不准在机器、仪器及桌面上涂写，不准乱丢纸屑，不准随地吐痰。

5．实验时应严格遵守操作步骤和注意事项。实验中，若遇仪器设备发生故障，应立即向教师报告，及时检查，排除故障后，方能继续实验。

6．实验过程中，若未按操作规程操作仪器，导致仪器损坏者，将按学校有关规定进行处理。

7．实验过程中，同组同学要相互配合，认真测取和记录实验数据；

8．实验结束后，将仪器、工具清理摆正。不得将实验室的工具、仪器、材料等物品携带出实验室。

9．实验完毕，实验数据经教师认可后方能离开实验室。

10．实验报告要求字迹端正、绘图清晰、表格简明、实验结果正确。

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实验一 金属的拉伸试验

一、实验目的

1. 观察拉伸过程中各种力学现象，并绘制其拉伸图； 2. 测定低碳钢在拉伸过程中几个主要机械性能：屈服极限σs，抗拉强度σb，延伸率δ和

截面收缩率φ；

3. 测定铸铁的抗拉强度σb；

4. 比较低碳钢与铸铁的机械性能的特点。

二、设备和仪器

1. 液压式万能试验机； 2. 游标卡尺； 3.

锤头； 4. 冲头等。

三、实验原理 1、试样

于试样的尺寸和形状对试验结果有一定的影响，为使各

种材料机械性能的数值能相互比较，对于试样的形状和尺寸

采用标准试样。本实验采用的试 样尺寸，形状如图1-1所示，其 中直径do=10mm,标距Lo=100mm, 其它h=40mm，D=16mm.

1-1拉伸试样尺寸及形状 2、原理

材料的力学性能是拉伸破坏试验来确定的。拉伸试验是将试样安装在液压万能试验机上进行的，用夹头将试样夹紧，并通过它对试样加载。利用试验机的自动绘图器绘制出低碳钢的力-伸长曲线。应当指出，绘图器所绘制的拉伸变形ΔL主要是整个试样的拉伸，还包括机器本身的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素。试样开始受力时，头部在夹头内的滑动较大，故绘制出的曲线 图最初一段是曲线，一旦试样被夹紧，在拉 伸曲线上即出现直线阶段，证明在这段范围 内材料遵循虎克定律。载荷继续增至C点时， 材料出现屈服现象，而拉伸曲线上出现锯齿 状线段，测力指针来回波动，在工程上将此 时的载荷Fs与截面积Αo之比成为屈服极 限，即

σs=Fs∕Αo

屈服极限以后，材料抵抗变形的能力有 所增加，载荷增至B点时载荷最大 记为Fb，对应的应力成为抗拉强度，记为σb 即

1-2低碳钢的力-拉伸曲线 σb= Fb∕Αo

最大载荷前材料的拉伸基本上是均匀分布 的，以最大载荷开始，产生局部伸长和颈缩。 细颈出现后，截面迅速减小，继续拉伸所需 载荷也随之减小，直至K点断裂为止。

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取下试样，测量断裂后标距长度L1及断裂后的最小直径d1，则材料的延伸率和截面收缩率按下式计算：

式中：Lo为原标距长度，Αo为原截面面积，L1为断后标距长度，Α1为断后最小截面面积。

铸铁试样在承受拉力变形极小时就达到最大载荷。如图1-3所示。它没有屈服和颈缩阶段。其抗拉强度远低于碳钢的抗拉强度。

其值仍为：σb= Fb∕Αo 四、实验步骤 1、低碳钢试样 试样制备

为了便于观察标距范围内沿轴向的变形情况，在标距Lo

范围内每隔10mm或每隔5mm刻划一条圆 周线，将标距分为十格。在标距两端线上，打两个浅的冲眼， 1-3铸铁拉伸图

作为标距的标志，两标点间的连线应平行于试样的轴线。

用游标卡尺测量标距两端及中间这三个截面处的直径。在每一截面内沿相互垂直的两个直径方向各测量一次取其平均值，用所测得的三个平均值中最小的值计算截面面积A0，计算时取三位有效数字。

试验机准备

根据低碳钢的抗拉强度σb和截面积A0，估计试样的最

大载荷，根据最大载荷的大小选择合适的测力度盘。

调整测力指针对准零点，并使随动指针与之靠拢。同时调整好自动绘图器。

安装试样：先将试样安装在试验机下夹头内，再移动下夹头使其达到适当位置，并把试样上端夹紧。 进行试验

开动试验机使之缓慢匀速加载。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。试样断裂后停机。有随动指针读出最大载荷Fb，并记录下来。

取下试样，将断裂试样的两段对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量断裂后标距段的长度L1，再测量颈缩处的最小直径d1，用以计算断口处的最小截面积A1。 2. 铸铁试样

所有步骤同上。 五、对实验报告的要求

1．附拉伸曲线和数据记录表

2．根据屈服载荷及最大载荷计算屈服强度及抗拉强度

3．根据试件前后的标距长度及横截面积计算延伸率及断面收缩率。

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实验二 金属硬度试验

一、实验目的

1. 掌握金属布氏、洛氏、维氏和显微维氏硬度的试验原理和测定方法； 2. 了解各种硬度试验方法的特点、应用范围及选用原则； 3. 学会使用各种硬度计。 二、实验设备及仪器 1. 布氏硬度计1台 2. 洛氏硬度计1台

3. 读数放大镜 最小分度为 4. 标准硬度块 不同硬度试验方法的 二等标准硬度块各一套 三、实验原理

1．布氏硬度试验

布氏硬度试验原理是用一定直径D 的钢球或硬度合金球，施加相应的试 验力F压入试样表面，经 过规定保持时间T后除去试验力，试 样表面将残留压痕.测量 压痕平均直径d。求得压痕球形表面 积S。布氏硬度值就是试验力 F除以球形表面积S所得的商。其计

4-1布氏硬度试验原理

算公式如下：当试验力F的单位为

a)钢球压入试样表面 b)试样表面残留压痕 kgf时：

通常布氏硬度值不标出单位。

于压头的材料不同，因此布氏硬度用不同的符号表示。当压头为淬火钢球时，其符号为HBS；当压头为硬质合金球时，其符号为HBW。

布氏硬度试验时一般采用直径较大的球体，因而所得压痕面积较大。压痕面积大使其硬度值能反映金属在较大范围内各组成物的平均性能。 2、洛氏硬度试验

洛氏硬度试验的原理与布氏 硬度方法不同，它不是测定压痕的面积， 而是测量压痕的深度，以深度的大小表示

材料的硬度值。洛氏硬度试验所用的压头 为120°的金钢石圆锥体或直径为 的淬火钢球。

洛氏硬度的优点在于操作简便迅速； 硬度值可在表盘上直接读出；压痕较小。 可在工件表面进行试验；采用不同标尺 可测定各种软硬不同的金属和厚薄不一 的试样的硬度。然而于其压痕较小。

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代表性差，于材料中有偏析及组织不 均匀等缺陷，致使所测硬度值重复性差 分散性大。

于洛氏硬度试验所用载荷较大。

4-2 洛氏硬度试验原理图 不宜用来测定极薄工件及氮化层、金属

a)用金刚石圆锥体压头的试验过程 镀层等的硬度。

b)HRC及HRC硬度值的图解 c)HRB硬度值的图解 四、实验步骤

1、了解各种硬度计的构造原理，学习操作规程及安全事项，掌握操作方法； 2、对各种试样选择合适的硬度试样方法，确定试验条件。并根据试验条件更换压头及砝码，根据试样形状更换工作台； 3、用标准硬度块校验硬度计；

4、测定各种试样的硬度，记录试验结果。 五、对实验报告的要求

1、说明本实验使用的各种硬度计的型号及操作规程； 2、分析各种试样的硬度试验方法与试验条件的选择原则，并附硬度试验结果； 3、说明各种硬度值表示方法的含义。

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实验三 金属冲击试验

一、实验目的

1. 掌握常温下金属冲击试验方法；

2. 了解冲击试验机结构、工作原理及正确的使用方法。

二、实验仪器及设备 1. 摆锤式冲击试验机 2. 游标卡尺

三、实验原理

金属冲击试验是一种动态力学试验。它将具有一定形状和尺寸的带有U型或V型缺口的试样，在冲击载荷作用下折断，以测定其冲击吸收功AK和冲击韧性值ak的一种试验方法。

冲击试验通常在摆锤式冲击试验机上进行，其原理如图3-1所示。试验时将试样放在试验机支座上，使之处于简支梁状态。首先将摆锤举起至A位置，其预扬角为α，释放摆锤冲断试样后，摆锤扬到C位置其扬角为β。

3-1冲击试验原理图

设在A处摆锤具有的能量为EA。

EA＝PH＝Pl(1-cosα)

式中P——摆锤的重力 l——摆锤旋转轴到摆心的距

离

试样冲断后，摆锤扬至C处，其能量为EC。

EC=Ph=pl(1-cosβ)

如果忽略空气阻力等各种能量损失，则冲断试样所消耗的能量为：

AK=Pl(cosβ－cosα)

AK的具体数值可根据β角的大小直接从冲击试验机的表盘上读出，其单位为J。将冲击吸收功AK除以试样缺口底部的横截面积SN所得的商，就是金属材料的冲击韧性值aK，即

aK=AK/SN

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aK的单位通常为J/cm 。

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对于金属夏比U型缺口和V型缺口试样的冲击吸收功分别用AKU和AKV表示，它们的冲击韧性值分别用aKU和aKV表示。 四、实验步骤

根据国家标准规定，冲击试样可使用夏比U 型缺口和夏比V型缺口两种试样。这两种试样的 标准形状尺寸分别如图3-2a和b所示。试样尺寸 为10×10×55mm，缺口深度为2mm.尺寸偏差及表 面粗糙度应符合图3-2中的规定。

试验操作中应注意以下要点： 1） 试验时应检查试样尺寸，所用的量具精度 不应低于。

2） 试样前应检查摆锤空打时指针是否指零， 其偏差超过最小分度值的1∕4.

3） 试样应紧贴支座放置，并使摆锤的刀刃打 击在背向缺口的一面。应使用试样机所带的样规来 放试样，以保证试样缺口位于两支座的中心。其偏 差不大于。

4） 常规冲击试验的温度一般应为10-35℃. 5） 每一种条件下的冲击试样应不少于3个试 样。试验数据至少保留两位有效数字。 五、对实验报告的要求

1、画出冲击试样形状及尺寸，并注明材料牌号及 其热处理状态。

2、整理试验数据，确定其Αk及ak值。

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3-2a U型缺口冲击试样

拉伸实验记录表

试验材料 热处理状态 拉伸前的数据 直径d0 标距L0

(1) (2) 平均 (1) (2) 平均 (1) (2) 平均 横截面Ⅰ 横截面Ⅱ 横截面Ⅲ 最小横截面面积A0 2 拉伸过程中的数据 屈服载荷FC(N) 最大载荷Fb(N) 拉断试样后的数据 断裂处直径d1 标距L1 (1)

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