材料力学实验指导书安大版本.docx
- 文档编号:15788638
- 上传时间:2023-07-07
- 格式:DOCX
- 页数:30
- 大小:33.41KB
材料力学实验指导书安大版本.docx
《材料力学实验指导书安大版本.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《材料力学实验指导书安大版本.docx(30页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
材料力学实验指导书安大版本
材料力学实验指导书(安大版本)
材料力学实验指导书
安徽大学力学实验室
2013年04月
目录
学生实验守则.................................................................................................................................0
前言.........................................................................................................................................1
实验一拉伸实验.........................................................................................................................3
实验二压缩试验.........................................................................................................................9
实验三材料弹性模量E和泊松比μ的测定实验.................................................................12实验四
实验五
实验六
实验七
实验八
扭转实验.......................................................................................................................16弯曲试验.......................................................................................................................21弯扭组合实验...............................................................................................................25叠梁三点弯曲正应力测定实验...................................................................................29压杆稳定实验...............................................................................................................33
学生实验守则
1、实验前要复习有关理论部分,预习实验指导书,按照教师要求写预习报告,报告要求:
写出实验目的、使用设备及工具、实验日期、同组人员、实验步骤、数据处理等。
2、每班根据情况分组,每组选小组长一人,每次来做实验由教师负责考勤,填写实验完成情况,无故不参加实验者不予补做。
3、学生应听从实验教师指导,经指导教师允许后方可进行操作,实验时大家要分工协作,严守操作规程,不得独自无目的地随意动作和动用与本次实验无关的仪器等。
4、仪器等设备如有损坏,小组长应立即报告指导教师进行处理,未经许可擅自违章操作者按学校规定的设备损坏赔偿制度处理。
5、实验结束后要整理好仪器,工具归放原处,经指导教师允许方可离开实验室。
6、每人应在规定日期内交实验报告一份,报告必须独立完成,书写及图表要清晰、整齐、计算要准确,不合格者要退回重做。
7、实验室要保持卫生,不准随地吐痰,禁止吸烟,进实验室后要遵守课堂纪律,不得大声喧哗、串流。
前言
材料力学实验是《材料力学》课程的一个重要部分,课程中的结论与定律,以及材料的机械性质都是通过实验加以验证或测定的,还有一些理论难以解决或无法解决的复杂问题也是通过实验来解决的,因此材料力学实验是工程专业学生应该了解和掌握的基本知识与基本技能。
1、实验内容
材料力学实验,就其目的而言,可分为三类:
(1)测定材料机械性质的试验。
例如材料的强度、刚度、韧度、硬度等特性是通过拉伸、压缩、扭转、冲击等试验加以测定。
(2)验证理论的实验。
研究材料力学问题时,通常是根据实验所观察到的现象,加以简化假设,然后进行理论分析。
而所得结论的正确性则必须通过实验验证。
例如梁的实验等属于这类实验。
(3)应力分析实验。
工程上很多实际问题的情况比较复杂,当理论计算遇到困难时,可通过实验方法来解决应力分所问题。
2、实验方法
(1)实验前的准备工作
首先要明确实验目的、原理和步骤以及操作规程,对实验小组成员加以明确分工,一般分为记录者、载荷测读者与变形测读者,试验机操作者(其中记录者为整个实验过程的总指挥),实验前应检查与调整试验机与仪表,然后安装试样,最后必须经过指导教师检查认可,方能进行实验。
(2)进行试验
在进行实验前最好先试加载荷,观察各种机器、仪表运行是否正常,然后再正式加载并测定和记录数据。
实验完毕,要检查数据是否齐全,并清理设备,仪器归放原处。
(3)书写实验报告
实验报告是实验结果的总结,一般应包括下列内容;
1.实验名称、日期,实验者与小组成员姓名。
2.实验目的及装置。
3.实验记录与数据的处理。
将实验过程中所测定的数据记录在报告上,并注明有关的测量单位和放大倍数;当对同—个量作多次测量时,应取其算术平均值。
1
4.计算。
计算时用计算尺或计算器即已足够精确,一般选二位有效数字。
有关计算公式应列出。
5.实验曲线的绘制。
对实验结果一般还需用图表或曲线表示。
曲线应画在方格线上,并注明坐标轴所代表的物理量和比例尺。
在绘制曲线时,不要用直线逐点联成折线,而应适当的联成光滑曲线。
2
实验一拉伸实验
一、实验目的
1.测定低碳钢拉伸时的机械性能(ζs、ζb、δ、ψ);
2.测定铸铁拉伸时的强度极限ζb;
3.观察低碳钢拉伸时的屈服现象;
4.分析各试样断口情况和破坏原因;
5.了解万能试验机的构造原理;
6.进行万能试验机的操作练习、学习操作规程和安全注意事项。
二、实验设备
1.万能试验机;
2.游标卡尺;
图1-1万能试验机
三、试样
金属材料拉伸实验常用的试样形状如图1-2所示。
图中工作段长度l称为标距,试样的拉伸变形量一般由这一段的变形来测定,两端较粗部分是为了便于装入试验机的夹头内。
3
为了使实验测得的结果可以互相比较,试样必须按国家标准做成标准试样,即l?
5d或
l?
10d。
对于一般板的材料拉伸实验,也应按国家标准做成矩形截面试样。
其截面面积和试样标距
关系为l?
l?
A为标距段内的截面积。
四、实验原理
1.为了检验低碳钢拉伸时的机械性质,应使试样轴向受拉直至断裂,在拉伸过程中以及试样断裂后,测读出必要的特征数据(如;屈服载荷PS、最大载荷Pb、断后标距部分长度L1、断后最细部分截面直径d1。
)经过计算,便可得到表示材料力学性能的指标:
屈服极限ζs、强度极限ζb、延伸率δ和断面收缩率Ψ。
由此可计算
屈服极限:
?
s?
PSP
;强度极限:
?
b?
b;A0A0
延伸率:
?
?
L1?
L0A?
A1
?
100%;断面收缩率:
?
?
0?
100%;L0A0
(1)屈服极限ζs及强度极限ζb的测定
弹性阶段过后,当到达屈服阶段时,低碳钢的P?
?
l曲线(图1-3)呈锯齿形。
与最高载荷PP对应的应力称为上屈服点,它受变形速度和试样形状的影响,一般不作为强度指标。
同样,载荷首次下降的最低点(初始瞬时效应)也不作为强度指标。
一般将初始瞬时效应以后的最低载荷Ps,除以试样的初始横截面面积A0,作为屈服极限ζs,即:
?
s?
PS
。
A0
屈服阶段过后,进入强化阶段,试样又恢复了抵抗继续变形的能力,强化后的材料就产生了残余应变,卸载后再重新加载,具有和原材料不同的性质,材料的强度提高了。
但是断裂后的残余变形比原来降低了。
这种常温下经塑性变形后,材料强度提高,塑性降低的现象称为冷作硬化。
载荷到达最大值Pb时,试样某一局部的截面明显缩小,出现“颈缩”现象,试样即将被拉断。
以试样的初始横截面面积A0除Pb得强度极限ζb,即?
b?
Pb
。
A0
4
图1-3低碳钢拉伸图
(2)延伸率δ及断面收缩率Ψ的测定
试样的标距原长为L0,拉断后将两段试样紧密地对接在一起,量出拉断后的标距长为
L1,断后延伸率δ应为:
?
?
L1?
L0?
100%。
L0
断口附近塑性变形最大,所以L1的量取与断口的部位有关。
对于塑性材料,断裂前变
形集中在紧缩处,该部分变形最大,距离断口位置越远,变形越小,即断裂位置对延伸率是有影响的。
为了便于比较,规定断口在标距中央三分之一范围内测出的延伸率为测量标准。
如断口不在此范围内,则需进行折算,也称断口移中。
具体方法如下:
以断口O为起点,在长度上取基本等于短段格数得到B点,当长段所剩格数为偶数时(见图1-4b),则由所剩格数的一半得到C点,取BC段长度将其移至短段边,则得断口移中得标距长,其计算式为L1?
AB?
2BC。
如果长段取B点后所剩格数为奇数(见图1-4c),则取所剩格数加一格之半得C1点和
减一格之半得C点,移中后标距长为:
L1?
AB?
2BC1?
BC。
将计算所得的L1代入式中,可求得折算后的延伸率δ。
试样拉断后,设颈缩处的最小横截面面积为A1,由于断口不是规则的圆形,应在两个
相互垂直的方向上量取最小截面的直径,以其平均值计算A1,然后按下式计算断面收缩率:
?
?
A0?
A1?
100%。
A0
5
图1-4断口移中示意图
2.铸铁属脆性材料,轴向拉伸时,在变形很小的情况下就断裂,故一般测定其抗拉强度极限ζb。
FO
图1-5铸铁拉伸图
五、实验步骤
低碳钢拉伸实验:
1.用游标卡尺量取在标距范围内的截面直径和标距值。
并将其分成n格(图1-5),以便观察标距范围内沿轴向的变形情况。
6
图1-5试样划线
2.选择摆锤,确定测力度盘。
3.开动机器,打开送油阀使工作台上升10毫米停机。
将指针调到零位并使从动针与主动针重合。
4.在绘图仪上装好纸和笔。
5.将试样装在上、下夹头之间夹紧。
6.开动机器,缓慢均匀加载并观察所发生的现象:
(1)当主动针停滞不前或出现倒退时材料即屈服,屈服阶段中主动针回转的最小值即为屈服载荷Ps;
(2)屈服阶段结束,强化阶段开始,这时需要继续加大拉力使试样继续变形;
(3)当载荷到达最大值时,主动针再次出现停滞不前并开始倒退,注意观察颈缩现象,记下最大载荷值即极限载荷Pb。
7.关机,取下试样,测量拉断后的标距长度L及断口处的最小直径d。
铸铁拉伸试验:
铸铁属脆性材料,拉伸时在变形很小的情况下突然发生断裂,实验时只需记录最大载荷Pb即可求得强度极限ζb,方法同前。
六、思考题
1.由实验现象和结果比较低碳钢和铸铁的机械性能有何不同?
2.实验时如何观察低碳钢的屈服点?
测定?
s时为何要对加载速度提出要求?
初始瞬时
效应在电子万能试验机上和液压万能试验机上的反映程度如何,为什么?
3.材料相同而标距分别为5d0和10d0的两种试样,其?
、?
、?
s、?
b是否相同?
为什么?
4.什么情况下此采用断口移位法?
如何进行断口移位?
5.比较低碳钢拉伸、铸铁拉伸的断口,分析破坏的力学原因。
注意事项:
1.试验过程中碎片可能飞溅,为避免发生事故,请勿靠近主机面对试样。
2.试验结束时,将活塞降低到最低位置。
7
七、实验结果
低碳钢拉伸实验
铸铁拉伸试验
8
实验二压缩试验
一、实验目的
1.测定压缩时低碳钢的屈服极限ζs和铸铁的强度极限ζb;
2.分析各试样断口情况和破坏原因;
3.了解万能试验机的构造原理;
4.进行万能试验机的操作练习、学习操作规程和安全注意事项。
二、实验设备
1.液压式万能试验机或微机液压式万能试验机;
2.游标卡尺。
三、试样
压缩试样通常为圆柱形,也分为短、长两种,试样受压时,两端面与试验机垫板间的
H摩擦力约束试样的横向变形,影响试样的强度。
随着比值的增加,上述摩擦力对试样D
中部的影响减弱,但比值也不能过大,否则将引起失稳。
测定材料抗压轻度的短试样,通H常规定1?
?
3,至于长试样,多用于测定钢、铜等材料的弹性常数E、μ及比例极限和D
屈服极限等。
本次压缩试验用短形试样见图2-1所示。
试样两端须经研磨平整,互相平行,
H且端面须垂直于轴线。
试样尺寸对压缩变形量和变形抗力均有很大影响。
为使结果能互D
H相比较,必须采取相同的值。
此外试样端部的摩擦力不仅影响试验结果,而且改变破断D
形式,应尽量减少。
图2—1压缩试样
四、实验原理
压缩试验是研究材料性能常用的试验方法。
对铸铁、铸造合金、建筑材料等脆性材料尤为合适。
通过压缩试验观察材料的变形过程、破坏形式,并与拉伸试验进行比较,可以分析不同应力状态对材料强度、塑性的影响,从而对材料的机械性能有比较全面的认识。
当试样受压时,其上下两端面与试验机支撑之间产生很大的摩擦力,使试样两端的横向变形受到阻碍,故压缩后试样呈鼓形。
摩擦力的存在会影响试样的抗压能力甚至破坏形9
式。
为了尽量减少摩擦力的影响,试验时试样两端必须保证平行,并与轴线垂直,使试样受轴向压力。
另外。
端面加工应有较高的光洁度。
低碳钢压缩时也会发生屈服,但并不象拉伸那样有明显的屈服阶段,低碳钢压缩图如图2-2所示。
因此,在测定PS时要特别注意观察。
在缓慢均匀加载下,试验力值均匀增加,
当材料发生屈服时,试验力值增加将减慢,甚至减小,这时对应的载荷即为屈服载荷PS。
屈服之后加载到试样产生明显变形即停止加载。
这是因为低碳钢受压时变形较大而不破裂,因此愈压愈扁。
横截面增大时,其实际应力不随外载荷增加而增加,故不可能得到最大载荷Pb,因此也得不到强度极限?
b,所以在试验中是以变形来控制加载的。
铸铁试样压缩时,在达到最大载荷Pb前出现较明显的变形然后破裂,此时试验力值迅
速减小,铸铁试样最后略呈鼓形,断裂面与试样轴线大约呈450。
铸铁压缩图如图2-3所示。
图2-2低碳钢压缩图图2-3铸铁压缩图
五、实验步骤
1.测量试样的直径和高度。
测量试样两端及中部三处的截面直径,取三处中最小一处的平均直径计算横截面面积。
2.将试样放在试验机活动台球形支撑板中心处。
3.设定试验方案和试验参数;对于低碳钢,要及时记录其屈服载荷,超过屈服载荷后,继续加载,将试样压成鼓形即可停止加载。
铸铁试样加压至试样破坏为止。
4.初值置零;
5.点击开始试验按钮,开始试验,试验结束自动停止,生成试验报告;
6.安装下一根试样,重复实验,直到所有试样全部试验结束;
7.打印试验报告。
六、思考题
1.为何低碳钢压缩测不出破坏载荷,而铸铁压缩测不出屈服载荷?
2.根据铸铁试样的压缩破坏形式分析其破坏原因,并与拉伸作比较?
3.通过拉伸与压缩实验,比较低碳钢的屈服极限在拉伸和压缩时的差别?
4.通过拉伸与压缩实验,比较铸铁的强度极限在拉伸和压缩时的差别?
10
七、实验结果
低碳钢与铸铁压缩实验
11
实验三材料弹性模量E和泊松比μ的测定实验
一、实验目的
1.测定常用金属材料的弹性模量E和泊松比μ;2.验证胡克(Hooke)定律。
二、实验设备
1.组合实验台中拉伸装置2.XL2118A系列静态电阻应变仪3.游标卡尺、钢板尺。
11111119876
1.弯扭组合实验试样2.弯扭组合实验固定托
架
3.弯扭组合实验支架4.实验装置平台5.实验装置调节地脚6.实验台加载机构7.纯弯曲梁实验支柱8.实验台立柱9.加载传感器
10.纯弯曲实验加载付梁11.纯弯曲实验梁(夹层
梁)
12.纯弯曲实验加载吊环
图3-1XL3418S实验装置外形结构
三、试样
试样采用矩形截面试样,电阻应变片布片方式如图1。
在试样中央截面上,沿前后两
?
,以测量轴面的轴线方向分别对称的贴一对轴向应变片R1、R1?
和一对横向应变片R2、R2向应变?
和横向应变?
'。
12
R3'
图3-2拉伸试样及布片图
四、实验原理
1.弹性模量E的测定
由于实验装置和安装初始状态的不稳定性,拉伸曲线的初始阶段往往是非线性的。
为了尽可能减小测量误差,实验宜从一初载荷P0(P0≠0)开始,采用增量法,分级加载,分别测量在各相同载荷增量?
P作用下,产生的应变增量?
?
,并求出?
?
的平均值。
设试样初始横截面面积为A0,又因?
?
?
l/l,则有
E?
?
P
?
?
A0
上式即为增量法测E的计算公式。
式中A0—试样截面面积
?
?
—轴向应变增量的平均值
用上述板试样测E时,合理地选择组桥方式可有效地提高测试灵敏度和实验效率。
采用相对桥臂测量将两轴向应变片分别接在电桥的相对两臂(AB、CD),两温度补偿片接在相对桥臂(BC、DA),偏心弯曲的影响可自动消除。
根据桥路原理得到?
d?
2?
p测量灵敏度提高2倍。
2.泊松比μ的测定
利用试样上的横向应变片和补偿应变片合理组桥,为了尽可能减小测量误差,实验宜从一初载荷P0(P0≠0)开始,采用增量法,分级加载,分别测量在各相同载荷增量?
P作用下,横向应变增量?
?
'和纵向应变增量?
?
。
求出平均值,按定义
?
?
?
?
?
?
13'
便可求得泊松比μ。
五、实验步骤
1.设计好本实验所需的各类数据表格。
2.测量试样尺寸。
在试样标距范围内,测量试样三个横截面尺寸,取三处横截面面积的平均值作为试样的横截面面积A0。
见附表1
3.拟订加载方案。
可先选取适当的初载荷P0,估算Pmax该实验载荷范围Pmax?
4000N,
分4~6级加载。
4.根据加载方案,调整好实验加载装置。
5.按实验要求接好线(为提高测试精度建议采用图2所示相对桥臂测量方法,纵向应变?
d?
2?
p,横向应变?
d'?
2?
p'),调整好仪器,检查整个测试系统是否处于正常工作状态。
6.加载。
均匀缓慢加载至初载荷P0,记下各点应变的初始读数;然后分级等增量加载,
每增加一级载荷,依次记录各点电阻应变片的应变值,直到最终载荷。
实验至少重复两次。
见附表2,相对桥臂测量数据表格,其他组桥方式实验表格可根据实际情况自行设计。
7.作完实验后,卸掉载荷,关闭电源,整理好所用仪器设备,清理实验现场,将所用仪器设备复原,实验资料交指导教师检查签字。
注意事项
1.测试仪未开机前,一定不要进行加载,以免在实验中损坏试样。
2.实验前一定要设计好实验方案,准确测量实验计算用数据。
3.加载过程中一定要缓慢加载,不可快速进行加载,以免超过预定加载载荷值,造成测试数据不准确,同时注意不要超过实验方案中预定的最大载荷,以免损坏试样;该实验最大载荷4000N。
4.实验结束,一定要先将载荷卸掉,必要时可将加载附件一起卸掉,以免误操作损坏试样。
5.确认载荷完全卸掉后,关闭仪器电源,整理实验台面
六、思考题
1.本实验为什么采用全桥接线的对臂测量方法?
2.如果应变片贴的不准或试样装夹不好,会对实验结果有什么影响?
14
七、实验结果
根据测得的应变,计算弹性模量和泊松比实验值。
再根据提供的弹性模量和泊松比理论值。
计算它们之间的相对误差。
附表1(试样相关参考数据)
弹性模量E实验值E?
'
?
P
?
A0
泊松比μ实验值?
?
?
?
?
15
实验四扭转实验
一、实验目的
1.掌握实验数据的获得及处理,对低碳钢和铸铁扭转破坏时的断面形状有所了解。
2.测定低碳钢扭转时的屈服点ηs和抗扭强度ηb,测定铸铁扭转时的抗扭强度ηb。
3.了解扭转试验机的结构和原理,掌握其操作方法。
二、实验设备
1.扭转试验机
2.游标卡尺.
图4-1型微机控制扭转试验机示意图
1单片机测控箱2固定夹具3活动夹具4减速箱5导轨工作平台6手动调整轮7伺服电机8机架
三、试样
扭转试样一般为圆截面,L0为标距,d0为圆截面直径,为防止打滑,扭转试样的夹持段宜为类矩形。
取试样的两端和中间三个截面,每个截面在相互垂直的方向各量取一次直径,取两个截面平均直径的算术平均值来计算极惯性矩IP,取三个截面中最小平均直径来计算抗扭截面模量Wt。
16
图4-2试样
四、实验原理
1.测定低碳钢扭转时的屈服点ηs和抗扭强度ηb
安装好试样后进行加载,在加载过程中,扭转试验机上可以直接读出扭矩T和扭转角θ,同时试验机也自动绘出T-θ曲线图,如图4-3所示。
图4-3低碳钢材料的扭转图
图4-4.低碳钢圆轴试样扭转时的应力分布示意
低碳钢试样在受扭的最初阶段,扭矩T与扭转角θ成正比关系(见图4-3),横截面上剪应力η沿半径线性分布,如图4-4(a)所示。
随着扭矩T的增大,横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限ηs且塑性区逐渐向圆心扩展,形成环形塑性区,但中心部分仍是弹
17
性的,见图4-4(b)。
试样继续变形,屈服从试样表层向心部扩展直到整个截面几乎都是塑性区,如图4-4(c)所示。
此时在T-θ曲线上出现屈服平台(见图4-3),试验机的扭矩读数基本不动,此时对应的扭矩即为屈服扭矩Ts。
随后,材料进入强化阶段,变形增加,扭矩随之增加,直到试样破坏为止。
因扭转无颈缩现象。
所以,扭转曲线一直上升直到破坏,试样破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb。
由Ts?
?
?
?
sdA?
?
s?
Ad/20?
(2?
?
d?
)?
?
sWt可得低碳钢4
3
材料的扭转屈服极限?
s?
Wt?
3Ts3T,同理,可得低碳钢材料扭转时强度极限?
b?
s,其中4Wt4Wt?
16d3为抗扭截面模量。
铸铁试样受扭时,在很小的变形下就会发生破坏,其扭转图如图4-5所示。
图4-5铸铁材料的扭转图
从扭转开始直到破坏为止,扭矩T与扭转角近似成正比关系,且变形很小,横截面上剪应力沿半径为线性分布,试样破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb铸铁材料的扭转强度极限为
?
b?
TbWt
五、操作步骤
1.检查试验机夹头的形式是否与试样相配合。
将速度范围开关置于0—36o/分处。
调速电位器置于零位。
2.根据所需最大扭矩来转动量程选择钮,选择相应的测力度盘。
按下电源开关,接通电源。
转动调零旋钮,使指针对准零位。
3.装好自动绘图器的笔和纸,挂好传动齿轮24,打开绘图器开关。
4.安装试样,先将试样的一端插入夹头1中,调整加载机构作水平移动,使试样另一端插入夹头29中后再给以夹紧。
先紧夹头1,再紧夹头29。
18
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 材料力学 实验 指导书 版本