本科材料力学实验讲义教学

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1 / 25 材料力学实验

§1 拉伸实验

一、实验目的

1、 在比例极限内，验证虎克定律，并测定低碳钢的弹性模量E。

2、 测定低碳钢的其他机械性质，如屈服极限强度极限延伸率面积收缩率等。

3、 测定铸铁的强度极限。

4、 比较塑性材料和脆性材料的机械性质的特点。

二、实验设备及试件

实验设备仪器

1．万能试验机

2．引伸仪

3．千分卡

4．游标卡尺

实验试件

试件尺寸和开头对实验结果有所影响。为使实验所得结果可以互相比较，要采用标准试件，按国家标准GB228—63规定加工。本实验用园截面试件，形状如图1

头 部

图1 标准试件

三、实验原理

1．已知虎克定律关系式为EAPLL

用引伸仪夹紧试件， 引伸仪标距尺寸为L，可以连续测量标距尺寸伸△L，及载荷P，从拉伸曲线可以看出弹性阶段的应力应变线性关系。由电脑可以算出弹性模量E。

2．对低碳钢的其他机械性质的测定，如s、b、和等，必须研究实验过程中载荷和变形的关系（拉伸图）及试件的最后破坏形式。 本科材料力学实验讲义教学

2 / 25 根据屈服载荷Ps和最大载荷Pb来计算屈服极限s和强度极限b。计算公式如下：

APAPbbss,

根据试验后测出标距的长度L1及断裂处截面的面积A1，然后计算延伸率和面积收缩率。计算公式如下：

%100%10011AAAALL

3．对铸铁强度极限b的测定，由于受力后变形很小，就突然断裂，所以只测定强度极限b。即

APbb。

四、试验步骤:（液压万能实验机）

1．测量试样有关数据。

2．顺序开机，主机电源→计算机→打印机。运行软件进入联机状态。

3．进入试验窗口，选择设置试验方案，输入所需的用户参数。

4．在实验老师指导下安装试样，根据试样长度调整移动横梁位置。启动油泵电机，将转换开关打到“夹头”档。先夹紧试样的一端，然后升降下横梁到适当位置，力值清零（消除横梁和试样及其他附件自重），最后夹紧试样另一端，试样夹紧后把转换开关打到“油缸”档，位置或变形值清零。

5．在实验老师指导下安装引伸计。

6．点击试验窗口的“运行”按扭，进入试验状态，顺时针旋转手动阀手轮进行加载。过屈服阶段后，点击“引伸计切换”按钮，计算机自动切换为位移控制。由实验老师取下引伸计。拉伸继续，直到试样断裂。试样结束时，油泵自动停止。（软件发出指令，防止试验结束后活塞继续上升）。

7．把转换开关打到夹头档，启动油泵，取下试样，再逆时针旋转手动阀手轮，使活塞退到底。

8．测量有关数据，输入计算机。打印实验报告。 本科材料力学实验讲义教学

3 / 25 试验步骤：（电子万能试验机）

1．测量试样有关数据，检查限位块位置。

2．顺序开机，主机电源→计算机→打印机。运行软件进入联机状态。

3．进入试验窗口，选择设置试验方案，输入所需的用户参数。

4．在实验老师指导下安装试样，根据试样长度调整移动横梁位置。

5．先夹紧试样的一端，力值清零（消除横梁和试样及其他附件自重），然后升降下横梁到适当位置，夹紧试样另一端（按小键盘上“试样保护”让力值接近零点，再按“停止“键）。

6．在实验老师指导下安装引伸计。

7．点击试验窗口的“运行”按扭，进入试验状态，进行加载。过屈服阶段后，点击“引伸计切换”按钮，计算机自动切换为位移控制。由实验老师取下引伸计。拉伸将继续。

五、注意事项

1．实验开始后不要按手动键盘。

2．实验开始后不能点击“发送速度”，“点动速度”按钮。

3．引伸仪使用时要特别小心，过屈服阶段后必须马上取出，以免受损。

六、实验数据记录

1 实验前试件尺寸测量数据

低碳钢试样须量取标距尺寸L，直径d，直径测量取三处平均值输入电脑。

2．实验后试件尺寸测量

标距尺寸L，断裂后直径量二处取平均值。

§2 压缩试验

一、实验目的

1．测定压缩时低碳钢的屈服极限s和铸铁的强度极限b。

2．观察低碳钢和和铸铁压缩时的变形和破坏现象，并进行比较。

二、实验设备和试件

实验设备

1．万能试验机 本科材料力学实验讲义教学

4 / 25 2．千分卡。

3．游标尺卡

试验试件

低碳钢和铸铁等金属材料的试件一般制成园柱形见图2（a）。其高度h与直径d之比，应为31dh。

三、实验原理

低碳钢为塑性材料，当试件快达到屈服载荷Ps时，要特别小心地观察测力指针的转动。在缓

慢而均匀地加载下，最初测力指针等速转动，当试件屈服时，测力指针转速明显减慢，或停止。此时载荷即为屈服载荷Ps。低碳钢试件最后压成饼状而不会破裂，所以无法测出最大载荷或求出强度极限b。铸铁为脆性材料，因为变形小，难以测定屈服载荷Ps。当试件达到最大载荷时Pb，就突然破裂，可求出强度极限b。试件先被压成鼓形，最后沿着与试件轴线成45度左右的斜截面断裂。

四、实验步骤

1．测量低碳钢和铸铁试件的直径。并记录下原始数据。

2．把低碳钢试件放在试验机压座正中，逐渐加力，当变形继续增加而载荷数值变化缓慢时，此时载荷即为屈服载荷Ps，记下读数。继续加工到100kN以内，使试件从鼓形压扁到饼状为止。

3．把铸铁试件放在试验机压座正中加压，逐渐加力直至试件被破坏为止。记下极限载荷。

4．比较各种破坏形式及进行试验整理和计算。

五、注意事项

1． 试件必须放平，并在压台当中位置上，以免发生偏心。

2． 防止铸铁试件压坏时碎片飞溅伤人。

3． 试验开始后不要按手动键盘。

4．实验开始后不能点击“发送速度”，“点动速度”按钮。

六、实验数据记录

实验前测量有关试样数据，输入电脑。

图 2

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5 / 25 实验报告

1． 每组一份打印“低碳钢拉伸试验报告”，“低碳钢压缩报告”，“铸铁拉伸实验报告”，“铸铁压缩实验报告”。

2． 每组交实验报告外每个同学交一份试验报告。

思考题：

1． 弹性阶段与塑性阶段的区别。

2． 脆性材料与韧性材料力学性能有什么区别。

3． 绘制拉伸、压缩试样断口略图。解释断口的原因。

4． 低碳钢和铸铁压缩后为什么成鼓形。

5． 其他自己思考的结论与问题。

§3 扭转实验

一、实验目的

1． 在比例极限内验证扭转虎克定律，测定剪切弹性模量G。

2． 测定低碳钢的剪切屈服极限s和剪切强度极限b。

3． 测定铸铁的剪切强度极限b。

二、实验设备及工具

1．扭转试验机

2．划线机

3．游标卡尺

三、实验原理

在材料的剪切比例极限内，扭转角公式为：

PnGIlM0

式中Mn为扭矩，IP为圆截面的极惯性矩。同样采用增量法，逐级加载。如每增加同样大小的扭矩△Mn，扭转角的增量△基本相等，这就验证了剪切虎克定律。根据测得的各级扭转角增量△i，可用下式算出相应的剪切弹性模量：

PiniIlMG0 （1） 本科材料力学实验讲义教学

6 / 25 式中下标i为加载级数（i＝1，2，···，n）

继续利用扭转机的自动绘图器记录nM曲线，其结果如图3所示。

当扭矩达到一定数值时，试件横截面边缘处的剪应力开始达到剪切屈服极限s，这时的扭矩叫MP，在扭矩超过MP后，横截面上的剪应力的分布不再是线性的（图的右方两图）。在园轴的外部处理，材料发生屈服形成环行塑性区，同时nM图变成曲线（见图3）。

此后，随着试件继续扭转变形，塑性区不断向圆心扩展，nM曲线稍微上升，直至B点趋于平坦，扭矩度盘上指针几乎不动或摆动，指针摆动的最小值既是试件全部屈服所对应的扭矩Ms，这时塑性区占据了几乎全部截面（图4右图）。s近似等于：

pssWM43 （2）

图 4 低碳钢圆轴在不同扭矩下剪应力分布图

式中316dWp是试件的抗扭截面模量。

试件再继续变形，材料进一步强化，达到nM曲线上的C点，试件发生断裂。由扭矩标盘上的随动指针读出最大扭矩Mb。与式（2）相似，可得：

pbbWM43 （3） 图 3 低碳钢的Mn—φ曲线 φ

τs τs 本科材料力学实验讲义教学

7 / 25 铸铁的nM曲线如图5所示，从开始受扭，直到破坏，近似为一直线。故近似的按弹性应力公式计算

pbbWM （4）

试件受扭，材料处于纯剪应力状态（图6）。在与杆轴成±45°角的螺旋面上，分别受到主应力1、3的作用。低碳钢的抗拉能力大于抗剪能力，故从横截面剪断，而铸铁的抗拉能力较抗剪能力弱，故沿着与1方向成正交的方向拉断。

四、实验步骤

Ⅰ．低碳钢试件的扭转实验

1．测量试件的直径d，应量三处，每处在相互垂直的方向各量一次，取平均值，最好以其中最小一处的平均直径作为计算直径。

2．用划线器沿试件的轴线方向划几条相距为5mm的直线，在试件中部划数条多了个距离的横截面周界线，以便观察变形及破坏情况。

3．将试件装在扭转机上，先把试件装入固定握紧器中拧紧，然后调整活动握紧器装入试件的另一端，拧紧握紧器。

4． 将图纸安置在绘图器上。

5． 进行试验

用慢速（或手摇装置）逐渐加至初载荷，记下此时扭角的读数。然后等量逐级加载，每增加一次扭矩△Mn，记扭角读数一次，加载到MP为止。

开始加载时，就应使自动绘图器也同时工作。当nM图开始由直线转变成曲线时，即表示扭矩已达到MP。 τ σ1 σ3

φ

图 5 铸铁的Mn—φ曲线 图 6 纯剪应力状态