1、。工程力學實驗指導書主講：林植慧機械與汽車工程學院SCHOOL OF MECHANICAL AND AUTOMOTIVE ENGINEERING。1。實驗一 ,二 低碳鋼 (Q235 鋼 ) 、鑄鐵的軸向拉伸試驗一、實驗目的與要求1觀察低碳鋼(Q235 鋼 ) 和鑄鐵在拉伸試驗中的各種現象。2測繪低碳鋼和鑄鐵試件的載荷 變形曲線 ( Fl曲線 ) 及應力 應變曲線 (曲線) 。3測定低碳鋼拉伸時的比例極限P ，屈服極限s 、強度極限b 、伸長率、斷面收縮率和鑄鐵拉伸時的強度極限b 。4測定低碳鋼的彈性模量E。5觀察低碳鋼在拉伸強化階段的卸載規律及冷作硬化現象。6比較低碳鋼( 塑性材料 ) 和鑄

2、鐵 ( 脆性材料 ) 的拉伸力學性能。二、實驗設備 、儀器和試件1微機控制電子萬能試驗機。2電子式引伸計。3游標卡尺。4低碳鋼、鑄鐵拉伸試件。三、實驗原理與方法材料的力學性能主要是指材料在外力作用下，在強度和變形方面表現出來的性質，它是通過實驗進行研究的。低碳鋼和鑄鐵是工程中廣泛使用的兩種材料，而且它們的力學性質也較典型。試驗采用的圓截面短比例試樣按國家標準（ GB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法 ）l0制成，標距 l 0 與直徑 d0 之比為10或5 ，如圖 1-1 所示。這樣可以避免因試樣尺寸和形狀d 0的影響而產生的差異，便于各種材料的力學性能相互比較。圖中：d0 為試樣直

3、徑， l 0 為試樣的標距。國家標準中還規定了其他形狀截面的試樣。圖 1-1金屬拉伸試驗在微機控制電子萬能試驗機上進行，在實驗過程中，與電子萬能試驗機聯機的計算機顯示屏上實時繪出試樣的拉伸曲線( 也稱為 F l 曲線 ) ，如圖1-2 所示。低碳鋼試樣的拉伸曲線 ( 圖 1-2a) 分為彈性階段，屈服階段，強化階段及局部變形階段。如果在強化階段。11。卸載， F l 曲線會從卸載點開始向下繪出平行于初始加載線彈性階段直線的一條斜直線，表明它服從彈性規律。如若重新加載，F l 曲線將沿此斜直線重新回到卸載點，并從卸載點按原強化階段曲線繼續向前繪制。此種經過冷拉伸使彈性階段加長、彈性極限提高，圖

4、1-2塑性降低的現象，工程中稱為冷作硬化現象。l01 3。其拉伸曲線 ( 圖 1-2b) 比較簡單，圓截面鑄鐵試樣：標距 l 0 與直徑 d0 之比為d 0既沒有明顯的直線段，也沒有屈服階段，變形很小時試樣就突然斷裂，強度極限為衡量脆性材料強度時的唯一指標。斷口與橫截面重合，斷口粗糙。抗拉強度b 較低，無明顯塑性變形。與電子萬能試驗機聯機的計算機自動給出低碳鋼試樣的屈服載荷Fs 、最大載荷 Fb 和鑄鐵試樣的最大載荷 Fb 。取下試樣測量試樣斷后最小直徑d1 和斷后標距 l1 ，由下述公式sFs， bFb，l 1 l 0100% ，A0 A1100%A0A0l 0A0可計算低碳鋼的拉伸屈服點s

5、 、抗拉強度b 、伸長率 ，和斷面收縮率 ；鑄鐵的抗拉強度b 。如若實驗前將試樣的初始直徑d0 ，初始標距長度l 0 等數據輸入計算機，計算機可繪出應力 - 應變 () 曲線，并在實驗結束后給出該材料的屈服點s 和抗拉強度b 。應當指出，上述所測定的力學性能均為名義值，工程應用較為方便，稱為工程應力和工程應變。由于試樣受力后其直徑和長度都隨載荷變化而改變，真實應力和真實應變須用試樣瞬時截面積和瞬時標距長度進行計算。注意到試樣在屈服前，其直徑和標距變化很小，真應力和真應變與工程應力和工程應變差別不大。試樣屈服以后，其直徑和標距都有較大的改變，此時的真應力和真應變與工程應力和工程應變會有較大的差別

6、。低碳鋼的彈性模量E 由以下公式計算：。22。EFl 0A0 l式中F 為相等的加載等級，l 為與F 相對應的變形增量。四、試驗步驟1. 低碳鋼 (Q235 鋼 ) 拉伸試驗步驟：（ 1）在試件上用游標卡尺量取 100mm，在兩端各打一小孔，量取兩小孔的距離，即初始標距長度 l 0 ；然后在試樣標距段的兩端和中間三處測量試樣直徑，每處直徑取兩個相互垂直方向的平均值，做好記錄，取三處直徑的最小值作為試樣的初始直徑d0 。（ 2）打開計算機電源 , 雙擊桌面上的 TestExpert 圖標啟動試驗程序 , 或從 WINDOWS菜單中點擊“開始” “程序” “ CCSS” “ TestExpert

7、” 。接著顯示程序啟動畫面 , 點擊該畫面或等待數秒鐘可直接進入程序主界面。（ 3）打開 EDC系統 , 移動主菜單進入到 PC-CONTROL狀態。（ 4）在試驗機上裝夾低碳鋼試樣： 先按啟動按鈕啟動EDC，使用手動盒移動橫梁到合適位置, 以方便夾持試樣，然后用上夾頭卡緊試樣一端，使用手動盒提升試驗機活動橫梁，使試樣下端緩慢插入下夾頭的V形卡板中，鎖緊下夾頭。（ 5）在試樣的試驗段上安裝引伸計，注意安裝后須輕輕拔出引伸計定位銷釘。（ 6）通道清零。（ 7）在微型電子計算機測試應用程序界面中設置實驗條件( 所有試驗條件以.CON 作為擴展名) ，主要有試驗形式 ( 如拉伸 ) 、載荷、變形量程

8、、加載速度、試樣編號、尺寸、材料等。設置完畢，可自定義文件名并確定工作目錄后存盤；（ 8）單擊界面左側“試驗”按鈕，開始實驗；。3。（ 9）試件進入屈服階段后即可拆卸引伸計，并插好引伸計銷釘。（ 10）當載荷 變形 ( F l ) 曲線進入強化階段后， 單擊界面左側“上升”按鈕，進行卸載。當載荷卸至 1kN左右時再單擊界面左側“下降”按鈕，重新加載。并注意觀察低碳鋼的卸載規律和冷作硬化現象。（ 11）繼續實驗，注意觀察試樣的變形情況和“頸縮”現象。試樣斷裂后立即單擊應用程序界面左側“結束實驗”按鈕。（ 12）松開夾具，取出斷裂的試件，測量斷后最小直徑d1 ，斷后標距長度d1 。（ 13）完成試

9、驗后 , 進入曲線操作界面查看原始數據、試驗結果和統計值。（ 14）待試驗完畢后，請把斷裂的試件放歸指定位置，將試驗機數據清零。2. 鑄鐵拉伸試驗步驟：（ 1）在試樣標距段的兩端和中間三處測量試樣直徑，每處直徑取兩個相互垂直方向的平均值，做好記錄，取三處直徑的最小值作為試樣的初始直徑d0 。（ 2）重復實驗步驟（ 2）（ 3）（ 4）（ 6）（ 7）（ 8）（ 12）（ 13）（ 14）進行鑄鐵試樣拉伸實驗。在實驗教師指導下讀取實驗數據。經實驗指導教師檢查實驗結果后，結束實驗并整理實驗現場。五、實驗注意事項1為避免損傷試驗機的卡板與夾頭，同時防止鑄鐵試樣脆斷飛出傷及操作者，應注意裝卡試樣時，橫

10、梁移動速度要慢，使試樣下端緩慢插入下夾頭的V 形卡板中，不要頂撞卡板頂部；試樣下端不要裝卡過長，以免頂撞夾頭內部裝配卡板用的平臺。2為保證實驗順利進行，試驗時要讀取正確的試驗條件，嚴禁隨意改動計算機的軟件配置。3、裝夾、拆卸引伸計時，要注意插好定位銷釘，實驗時要注意拔出定位銷釘，以免損壞引伸計。六、思考題1為什么拉伸試驗必須采用標準試樣或定標距試樣?2為什么加載速度要緩慢?3屈服極限S ，強度極限b 是不是試件在屈服和斷裂時的真實應力?為什么 ?4什么是卸載規律和冷作硬化現象?試舉例說明冷作硬化現象的工程應用。5由拉伸試驗測定的材料機械性能在工程上有何實用價值?。44。實驗三 , 四 低碳鋼

11、(Q235 鋼 ) 、鑄鐵的壓縮試驗一、實驗目的與要求1測定低碳鋼的壓縮屈服點s 和鑄鐵的抗壓強度c 。2觀察鑄鐵試樣的破壞斷口，分析破壞原因。3分析比較兩種材料拉伸和壓縮性質的異同。二、實驗設備、儀器和試件1微機控制電子萬能試驗機。2游標卡尺。3低碳鋼、鑄鐵壓縮試件。三、實驗原理與方法金屬材料的壓縮屈服點s 和抗壓強度b ，由壓縮試驗測定。按試驗規范(GB 7314-87) 要求，壓縮試樣應制成短圓柱形( 參看圖 2-1) 。圖 2-1圖 2-2分析和實驗均表明，壓縮試驗時，試樣的上、下端面與試驗機支承墊之間會產生很大的摩擦力 ( 參看圖2-2) ，這些摩擦力將阻礙試樣上部和下部產生橫向變形

12、，致使測量得到的抗壓強度偏高。因而應采取措施( 磨光或加潤滑劑) 減少上述摩擦力。注意到試樣的高度也會影響實驗結果，當試樣高度h0 增加時，摩擦力對試樣中段的影響減少，對測試結果影響較小。此外，如若試樣高度直徑比( h0/ d0) 較大，極易發生壓彎現象，抗壓強度測量值也不會準確。所以壓縮試樣的高度與直徑的比值( h0/ d0) 一般規定為1 h0/ d0 3。此外，還須設法消除壓縮載荷偏心的影響。進行低碳鋼壓縮試驗時，為測取材料的壓縮屈服點s ，應緩慢加載，同時仔細觀察F l曲線的發展情況，曲線由直線變為曲線的拐點處所對應的載荷即為屈服載荷Fs。材料屈服之后開始強化，由于壓縮變形使試樣的橫截

13、面積不斷增大，盡管載荷不斷增大，但是，直至將試樣。55。壓成餅形也不會發生斷裂破壞，如圖2-3 所示。因此無法測量低碳鋼的抗壓強度Fb，壓縮試驗載荷變形曲線如圖2-3 所示。鑄鐵壓縮試驗時，由壓縮試驗載荷變形曲線( 圖 2-4) 可看出，隨著載荷的增加，破壞前試樣也會產生較大的變形，直至被壓成“微鼓形”之后才發生斷裂破壞，破壞的最大載荷即為斷裂載荷。破壞斷口與試樣加載軸線約成45o角 ( 如圖 2-4) 。由于單向拉伸、壓縮時的最大切應力作用面與最大正應力作用面約成450 角，因此，可知上述破壞是由最大切應力引起的。仔細觀察試樣斷口的表面，可以清晰地看到材料受剪切錯動的痕跡。圖 2-3.圖 2

14、-4四、實驗步驟1在試件上用游標卡尺量取試樣兩端和中間三處測量試樣直徑，每處直徑取兩個相互垂直方向的平均值，做好記錄，取三處直徑的最小值作為試樣的初始直徑d0 ，并用其計算截面初始面積 A0。2打開計算機電源 , 雙擊桌面上的 TestExpert 圖標啟動試驗程序 , 或從 WINDOWS菜單中點擊“開始” “程序” “ CCSS” “ TestExpert ”。接著顯示程序啟動畫面 , 點擊該畫面或等待數秒鐘可直接進入程序主界面。3打開 EDC系統 , 移動主菜單進入到PC-CONTROL狀態。4把低碳鋼試樣放置在試驗機球形支承座的中心位置上，試樣上下一般都要放置堅硬平整的墊塊，用以保護試

15、驗機壓頭及支承座，并可調整試驗區間的高度，減少空行程。5通道清零。6在微型電子計算機測試應用程序界面中設置實驗條件( 所有試驗條件以.CON 作為擴展名) ，主要有試驗形式 ( 如壓縮 ) 、載荷、變形量程、加載速度、試樣編號、尺寸、材料等。設置完畢，可自定義文件名并確定工作目錄后存盤。7單擊界面左側“試驗”按鈕，開始實驗。8注意觀察載荷 變形 ( F- l ) 曲線，找出壓縮屈服點，進入強化階段后，觀察試樣變形，由于試樣為塑性材料，試樣壓成餅形也不會發生斷裂破壞，因此無法測量低碳鋼的抗壓強度，試樣發生較明顯變形后，可以卸載。9鑄鐵壓縮試驗的步驟與低碳鋼壓縮相同。但因鑄鐵破壞是脆斷，試樣發生一

16、定變后，會。66。發生斷裂破壞， 為防止試樣壓斷時可能有碎屑崩出，試驗前應在試樣周圍加設有機玻璃防護罩。鑄鐵壓縮試驗只能測得試樣的斷裂載荷Fb。注意觀察試樣斷裂后的變形和斷口的表面形貌。10根據實驗中測得數據，由式s =Fs / A0 計算低碳鋼的壓縮屈服點，由式b =Fb/ A0 計算鑄鐵的抗壓強度，其中A0 為試樣截面原始面積。11經實驗指導教師檢查實驗結果后，結束實驗并整理實驗現場。五、實驗注意事項1為保證實驗順利進行，試驗時要讀取正確的試驗條件，嚴禁隨意改動計算機的軟件配置。2鑄鐵壓縮實驗加載前要設置好試驗機的有機玻璃防護罩，以免金屬碎屑飛出發生危險。六、思考題1為什么無法測取低碳鋼的

17、抗壓強度?2觀察鑄鐵試樣的破壞斷口，分析為什么鑄鐵試樣壓縮時沿著斜截面破壞?3分析比較兩種材料拉伸和壓縮性質的異同。4比較鑄鐵的抗拉強度和抗壓強度并分析脆性材料的力學性能特點。5由低碳鋼和鑄鐵的拉伸、壓縮試驗結果，比較塑性材料與脆性材料的力學性質。77。實驗五低碳鋼彎曲實驗一、實驗目的和要求1學習使用應變片和電阻應變儀測定靜態應力的基本原理和方法。2用電測法測定純彎曲鋼梁橫截面不同位置的正應力。3. 繪制正應力沿其橫截面高度的的分布圖，觀察正應變（正應力）分布規律，驗證純彎曲梁的正應力計算公式。二實驗設備、儀器和試件1多功能組合實驗裝置。2靜態電阻應變儀。3游標卡尺。4電阻應變片。5矩形截面鋼

18、梁（彈性模量E205GPa ，b=18.5 ； h=38 ； c=127 ）。三、實驗原理和方法（ 1）理論公式：本實驗的測試對象為低碳鋼制矩形截面簡支梁，加載方式如圖4-1 所示。h圖 4-1由材料力學可知，鋼梁中段將產生純彎曲，其彎矩大小為PMc（ 1）2橫截面上彎曲正應力公式為My（ 2）I Z式中 y 為被測點到中性軸z 的距離， I z 為梁截面對z 軸的慣性矩。88。bh3（ 3）I Z12橫截面上各點正應力沿截面高度按線性規律變化，沿截面寬度均勻分布，中性軸上各點的正應力為零。截面的上、下邊緣上各點正應力為最大，最大值為M 。maxW（ 2）實測公式：實驗采用螺旋推進和機械加載方

19、法，可以連續加載，荷載大小可由電子測力儀讀出。當增加壓力P 時，梁的四個點受力分別增加作用力P / 2 ，如圖 4-1 所示。為了測量梁純彎曲時橫截面上應變分布規律，在梁的純彎曲段側面布置了5 片應變片，如4-1 所示，各應變片的粘貼高度見梁上各點標注。此外，在梁的上表面沿橫向粘貼了第6 片應變片，用以測定材料的泊松比；在梁的端部上表面零應力處粘貼了第7 片溫度補償應變片，可對以上各應變片進行溫度補償。在彈性范圍內，如果測得純彎曲梁在純彎曲時沿橫截面高度上的軸向應變，則由單向應力狀態的胡克定律，即：E（ 4）由上式可求出各點處的應力實驗值。將應力實驗值E 與理論值My進行比較， 以驗證I Z彎曲正應力公式。如果測得應變片4 和 6 的應變滿足6 /4則證明梁彎曲時近似為單向應力狀態，即梁的縱向纖維間無擠壓的假設成立。實驗采用增量法。每增加等量載荷P，測得各點相應得應變增量實 一次。因每次P相同，故實 應是基本上按比例增加。四實驗步驟1檢查矩形截面梁的寬度 b 和高度 h，荷載作用點到梁支點距離c 和各應變片到中性層的距離 yi 。2檢查應