材料力学实验指导书黑龙江工程学院2007年3月实验一低碳钢和铸铁的拉伸拉伸实验是检查金属材料力学性能普遍采用的一种极为重要的基本实验。
一低碳钢的拉伸实验一、实验目的1、观察低碳钢在拉伸过程中的各种现象，了解试件变形随荷载的变化规律。
2、测试低碳钢在拉伸过程中的几个力学性能指标：屈服极限、强度极限、延伸率和断面收缩率。
3、了解拉伸实验的原理和方法，掌握万能试验机的操作要领。
二、实验设备、量具及试件实验设备1、液压式万能试验机1.主动针2.从动针3.摆杆架4.描绘筒5.缓冲阀6.测力活塞7.测力油缸8.摆砣9.高压油蹦10.油箱11.丝杆12.放大器13.测力油管14.高压油管15.控制阀16.上横梁17.上夹具18.试件19.下夹具20.动横梁21.试抬22.机座23.工作活塞24.工作油缸25.光杆加力部分（试验机主机）开动电机带动高压油泵工作，通过控制阀将油压入工作油缸，推动活塞带动上横梁及工作台上升，此时如果试件安装在上下夹头中，则试件受拉伸；如果试件安放在工作台及横梁中，则由于工作台上升而使试件受压缩或弯曲。
其工作台及上横梁的上升速度有控制阀掌握，动横梁的位置可由控制台上的按纽来调节。
实验完毕，将控制阀开至卸载位置。
测力部分（即荷载测量机构）工作油通过高压油管与测力油缸相通。
测件受力后，工作油缸的压力传到测力油缸，是测力活塞连杆上移，从而带动摆杆摆砣转动，其转动角度与测力活塞受压成一定比例，并通过机械运动，转换成指针转动，使表盘中指示出试件所受载荷F的数值。
同时，由于工作台的上升，通过放大器带动自动绘图装置而与表盘内齿杆相连的记录笔，也向右移动，从而在记录纸上画出试验过程的“荷载——变形”曲线。
2、电子式万能试验机1.立柱；2.拉伸夹具；3.拉伸试件；4.移动横梁；5.测力传感器；6.压缩夹具；7.弯曲夹具；8.下横梁；9.同步齿形传动带；10.带轮；11.光电编码器；12.伺服电机；13.上横梁；14.滚珠丝杠；15.引伸计；16.手控键盘；17.减速机电子万能试验机是双空间式的，其移动横梁与上横梁之间的空间为拉伸实验空间，移动横梁与下横梁之间的空间为压缩实验空间。
在拉伸空间安装有拉伸夹具，在压缩空间安装有压缩夹具和弯曲夹具。
测力传感器、引申计、光电编码器、数据采集电路（与控制系统集成在一起）组成测量系统，测力传感器用于测量实验载荷，引伸计用于测量试件的变形，光电编码器用于测量横梁移动的位移。
各个测量信号均经过数据采集电路送入计算机存储、处理和显示。
伺服电机的输出功率经减速器、同步齿形传动带传递给滚珠丝杠，然后滚珠丝杠带动移动横梁升降将实验载荷施加到试件上。
伺服控制器与伺服电机和光电编码器组成闭环控制系统，控制移动横梁的运动。
伺服控制器向上经过控制电路与计算机联系，最终由计算机实现对可移动横梁的运动进行控制，包括位置、速度等。
由于电子万能试验机采用了闭环控制，加载过程和数据采集都是在计算机的控制下完成的，因此可以选择不同的参数控制方式进行实验。
参数控制方式是指以应力（或载荷）、位移、应变等诸实验参数中的某一个作为加载控制因素。
例如，位移控制就是设定的横梁的运动速度（通常是恒定速率的），让试验机按照设定的横梁速度和方向对试件进行加载。
3、量具：游标卡尺4、试件为了使实验数据可以相互比较，应按国标GB228-2002的规定作成标准试件，如因材料尺寸限制等原因不能做成标准试时，应按规定作成比例试件。
图1-3L0—标距d0—试验前圆截面试件标距部分的直径A0—试验前试件标距部分的截面面积三、实验原理图1-4在做低碳钢拉伸实验时，试验机能自动绘出表示荷载与变形关系的拉伸图，如图1-4，整个过程包括弹性变形阶段（OA）、塑性屈服阶段（BC）、强化阶段（CD）、局部颈缩阶段（DE）。
在实验的过程中可看到几个现象：（1）弹性现象；（2）屈服现象；（3）颈缩现象。
由实验可知，图中OA部分当卸载后，试件立即恢复原状，变形与载荷成正比，只就是虎克定律所表示的直线关系，这种变形是弹性变形。
当载荷增加到一定值，即图BC段锯齿型平台处，测力计刻度盘指针停止转动或来回摆动，此时载荷不增加或减少，而试件还继续伸长，这种现象叫屈服现象。
若试件表面经过抛光处理，则可观察到试件表面上出现与轴线约成45°角的倾斜条纹，是由于金属材料内部晶格之间之间产生相对滑移而形成的，使材料产生相对滑移而形成的，使材料产生塑性变形。
国际规定，首次下降最小载荷处为下屈服点F s。
过了屈服阶段后，材料强化，载荷继续上升，为了观察冷作现象，可以在某点A处停止加载，则曲线沿O1A′DE规律变化。
载荷继续升到最大值即图D点时，试件截面的某一位置，开始急剧缩小致使负荷下降，即为材料的颈缩现象，F b为最大载荷。
四、实验步骤1、测量试件尺寸1）测量试件直径d0，对于圆试件在计算长度内在两端及中部三处用游标卡尺测量，每一处都要在两个相互垂直的方向上量出直径，取其平均直径最小截面处的平均直径作为试件的直径。
2）确定计算长度L0。
在试件中间等粗的细长部分内，量取计算长度L0 (按10倍或者5倍试件确定)。
然后,用刻线机或笔把计算长度L0分成若干等分(通常是以5mm或10mm为一等分)。
以便当试件断裂不在中间时进行换算，从而求得比较正确的伸长率。
但刻、划线时应尽量轻微。
2、调整试验机1）液压式万能试验机试件的最大载荷选择相应的测力度盘，配好相应的摆陀，把缓冲阀转到相应位置，指针归零，检查和安装好自动绘图结构。
2）电子式万能试验机根据试件的材料和尺寸、估计试件大致能承受的载荷，从而选定好相应的拉力传感器，进行试件的参数设定和调零，检查数据记录及打印输出装置是否连接。
3安装试件1）将试件装入夹具。
2）注意避免试件放斜或歪曲。
4进行实验注意观察试件在拉伸过程中的形状变化和曲线的变化情况，试件拉断后，立即停机存盘、打印所得拉伸图和记录最大荷载并观察颈缩现象。
5实验结束1）关机2）测量试件后标距长度L1和颈缩处的最小直径d1。
测量时将试件的两半对接在一起，使其尽量紧贴。
二铸铁拉伸试验一、实验目的。
1、测定铸铁拉伸强度极限b2、比较低碳钢与铸铁的拉伸机械性能和破坏形式。
二、实验设备及量具1、万能试验机。
2、游标卡尺。
三、实验的内容与原理铸铁是脆性料，其拉伸图如图1-5，在拉伸过程中不产生屈服和颈缩现象，很快达到最大载荷F b而突然断裂。
其值远小于低碳钢的强度极限。
整个拉伸过程中变形极小，伸长量不中试件原长时0.5%，而延伸率则更小。
四、实验方法和步骤参考低碳钢拉伸实验。
F图1-5三实验结果处理1、根据低碳钢拉伸实验记录的F s和F b；可按下面公式得出材料强度方面的性能：0屈服极限σs=F s/A0强度极限σb=F b/A02、根据低碳钢拉伸前后的d0、L0、d1、L1，求出材料塑性方面的性能：延伸率 δ=%100001⨯-L L L 断面收缩率 ψ=%100010⨯-A A A 3、由铸铁拉伸记录F b ，求出其强度极限σb =F b /A 0五 、实验结果分析讨论1、从材料的强度指标、塑性指标和破坏断口等方面比较低碳钢和铸铁的拉伸机械性质。
2、从拉伸图F —ΔL 曲线上看，低碳钢试件在最大载荷D 点时不断裂而载荷降至E 点时反而断裂，为什么？实验二 低碳钢和铸铁压缩一 、实验目的1、测定压缩时低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限。
2、观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象，并进行比较。
二 、实验设备1、万能试验机2、游标卡尺三 、试件压缩试件为圆柱形，如图2-1所示，不宜太高，否则，容易压弯，也不宜太短，否则试件上下端面与实验机承压座之间产生摩擦力，对试件的承压力产生影响，一般试件规定为001h b 3≤≤，通常脆性材料00h b 2=，端面光洁度为▽7-▽9。
图2-1四 、实验原理FΔLF图2-2 图2-31、低碳钢低碳钢为塑性材料，其压缩图如图2-2所示，开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段。
相反的，图形逐渐向上弯曲。
这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，而承受的载荷也随着增大。
从实验知道，低碳钢试件可以被压成极薄的平板而不被破坏。
因此，其强度极限一般是不能确定的。
只能确定的是压缩的屈服极限应力（图2-2）σs=F s/A2、铸铁铸铁为脆性材料，其压缩曲线在开始时接近于直线，与纵轴之夹角很小，以后曲率逐渐增大，最后至破坏，因此只能确定其强度极限（图2-3）σb=Fb/A0铸铁试件受压力而缩短，表明有很少的塑性变形的存在。
当载荷达到最大值时，试件即破坏，并在其表面上出现了倾斜的裂缝，铸铁受压后的破坏是突然发生的，是脆性材料的特性。
从实验的结果与以前的拉伸实验结果作一比较，可以看出，铸铁承受压缩的能力远远大于承受拉伸的能力。
抗压强度远远大于抗拉强度，这是脆性材料的一般属性。
五、实验步骤1、用游标卡尺测量试件的高度h0和直径d0取互相垂直方向直径的平均值作为试件的直径。
2、将试件置于试验机承压部位。
3、在试件没有受力时进行调整。
4、开机进行实验，一直到试件破坏（注意低碳钢不能压到破坏，压到45KN时即停止实验）。
5、低碳钢记录屈服荷载F,铸铁记录最大荷载F b。
6、卸去载荷，取出破坏试件。
7、打印出实验曲线。
8、关机。
六、实验结果处理1、根据低碳钢压缩时记录的F s，求出其屈服极限σs=F s/A2、根据铸铁压缩时记录的F b求出其强度极限σb=Fb/A0七、实验结果分析与讨论1、低碳钢为什么不能得到抗压极限强度？2、低碳钢和铸铁在压缩时的力学性能有什么区别？实验三圆轴扭转实验低碳钢和铸铁在扭转试验中也充分体系现了它们的特点。
低碳钢在发生大量塑性变形之后被剪坏，此破坏是由横截面上的剪应力造成。
而铸铁在很小的变形情况下即破坏，是由45O斜截面上的拉应力造成的。
一低碳钢的扭转实验一、实验目的1、测定低碳钢在扭转时的剪切屈服极限τS和剪切强度极限τb。
2、观察低碳钢扭转破坏过程及破坏形式。
二、实验设备及量具1、电子式扭转试验机图3-1 主机结构图试验机由加载机构，测力单元、显示器、试验机附件（标定装置）等组成。
加载机构，安装在导轨上的加载机构，由松下伺服电机带动，通过减速器使夹头旋转，对试件施加扭矩。
试验机的正反加栽和停车，可按显示器的标志按扭。
为了适应各种材料扭力的需要，试验机具有较宽的调速范围。
无级调速0°—360°任意角度可调。
测力单元，通过夹头传来的力矩经传感器处理输出，在液晶显示器和计算机上同步显示出来，根据满意程度选择保存或打印。
2、游标卡尺三、实验原理圆截面直杆试件在受扭转时，横截面上产生剪应力。
在试验机自动绘图装置上得到扭矩和转角的关系图。
