材料力学实验指导书(正文)

实验一材料在轴向拉伸、压缩时的力学性能一、实验目的1．测定低碳钢在拉伸时的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率 。

2．测定铸铁在拉伸以及压缩时的强度极限σb。

3．观察拉压过程中的各种现象，并绘制拉伸图。

4．比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）机械性质的特点。

二、设备及仪器1．电子万能材料试验机。

2．游标卡尺。

图1-1 CTM－5000电子万能材料试验机电子万能材料试验机是一种把电子技术和机械传动很好结合的新型加力设备。

它具有准确的加载速度和测力范围，能实现恒载荷、恒应变和恒位移自动控制。

由计算机控制，使得试验机的操作自动化、试验程序化，试验结果和试验曲线由计算机屏幕直接显示。

图示国产CTM －5000系列的试验机为门式框架结构，拉伸试验和压缩试验在两个空间进行。

图1-2 试验机的机械原理图试验机主要由机械加载（主机）、基于DSP的数字闭环控制与测量系统和微机操作系统等部分组成。

（1）机械加载部分试验机机械加载部分的工作原理如图1-2所示。

由试验机底座（底座中装有直流伺服电动机和齿轮箱）、滚珠丝杠、移动横梁和上横梁组成。

上横梁、丝杠、底座组成一框架，移动横梁用螺母和丝杠连接。

当电机转动时经齿轮箱的传递使两丝杠同步旋转，移动横梁便可水平向上或相下移动。

移动横梁向下移动时，在它的上部空间由上夹头和下夹头夹持试样进行拉伸试验；在它的下部空间可进行压缩试验。

（2）基于DSP的数字闭环控制与测量系统是由DSP平台；基于神经元自适应PID算法的全数字、三闭环（力、变形、位移）控制系统；8路高精准24Bit 数据采集系统；USB1.1通讯；专用的多版本应用软件系统等。

（3） 微机操作系统试验机由微机控制全试验过程，采用POWERTEST 软件实时动态显示负荷值、位移值、变形值、试验速度和试验曲线；进行数据处理分析，试验结果可自动保存；试验结束后可重新调出试验曲线，进行曲线比较和放大。

可即时打印出完整的试验报告和试验曲线。

图1-3为POWERTEST 的主界面。

其功能分述如下：图1-3【菜单栏】包括系统管理、参数设置、界面设置等功能。

【传感器栏】传感器栏显示采样的数据。

单击传感器栏右侧【清零】按钮，使传感器显示值清零。

【速度栏】调节位移速度，单位：mm/min ，可用于装卸试样或试验运行中修改运行速度。

菜单栏传感器栏速度栏软件状态栏功能区试验状态区【软件状态栏】显示曲线遍历速度、鼠标在曲线上的坐标、系统日期、系统时间、试验运行时间、当前用户名等信息。

【试验状态区】用于显示试验过程中试验运行的步骤。

【功能区】有四种功能选择，包括输入用户参数，单图或多图显示、实验结果查询。

三、实验原理与方法 1. 低碳钢的拉伸实验低碳钢的屈服极限σs 、强度极限σb 、延伸率δ和断面收缩率ϕ是由拉伸实验测定的。

为了使实验结果具有可比性，试件按国标GB228-87规定加工成标准试件。

对圆截面试件，标距0l 与直径0d 有两种比例，即0010d l =和005d l =图1-4本实验取长比例圆试件，如图1-4所示。

由图可见，试件共分三部分，即夹持部分，过渡部分和工作部分。

试件工作部分加工要求较高，其长度0l 称为试件的标距。

试件过渡部分要有适当的台肩和圆角，以降低应力集中。

夹持部分视试验机的夹具结构而定。

在实验过程中，与电子万能试验机联机的微机显示屏上实时绘出实验的拉伸曲线。

如图1-5所示。

（1）屈服极限σs 、强度极限σb屈服极限σs 、强度极限σb 可根据相应的载荷除以试件横截面的原始面积而得到，即A P ss =σ （1-1） 图1-5A P bb =σ （1-2） （2）延伸率和截面收缩率延伸率和断面收缩率分别用下式进行计算%100001⨯-=l l l δ （1-3） %100010⨯-=A A A ϕ （1-4） 其中0l ——试件标距；1l ——试件拉断后的长度，可将拉断后的试件对紧，然后测量；0A ——试件横截面的原始面积；1A ——试件拉断后颈缩处的最小横截面面积。

2．铸铁拉伸铸铁拉伸时，其拉伸曲线如图1-6，没有明显的直线段，也没有屈服阶段，变形很小时试样就突然断裂，断面与横截面重合。

强度极限σb 可根据相应的载荷除以试件横截面的原始面积而得到，即A P bb =σ （1-5） 其中b P ——试件断裂时的最大载荷。

3．铸铁压缩铸铁压缩时，试件在较小的变形下突然破坏，破坏断面与轴线大致成45°的倾角。

如图1-7所示。

其强度极限为图1-6A P bb =σ （1-6） 其中b P ——试件断裂时的最大载荷。

4．测定性能数值的修约由金属拉伸试验方法标准GB228-87，测定的机械性能数值应按下表规定修约：修约的方法按照GB1.1-87执行。

若应力在200～1000 MPa 范围，应力计算的尾数<2.5,则舍去；计算的尾数≥2.5或<7.5,则取5；计算的尾数≥7.5，则取10。

四、 实验方法和步骤 1. 低碳钢的拉伸实验（1）试件准备：确定试件的标距0l 。

在试件的工作部分测得标距mm l 1000=，并打上点。

测量试件的直径。

直径要在试件标距的中部及两端三个截面上测量，每个截面在相互垂直方向测量二次并取平均值。

取三个截面中的最小值作为试件的横截面积。

（2）试验机准备：开机顺序：试验机→计算机→打印机。

运行POWERTEST 软件。

（3）装夹试件：在上空间试验，先将试样加在上夹头上，力清零消除试样自重后再夹持试样的另一端。

（4）设置好限位装置。

（5）在微型计算机测试应用程序界面中执行以下操作：a ：设置实验参数，主要有实验形式（如金属的拉伸）、载荷、变形量程、加载速度、试样编号、尺寸、材料等。

设置完毕，可自定义文件名并确定工作目录后存盘；b：点击主界面右侧“运行”按钮，开始实验；c：观察实验。

实验过程中，不能远离试验机；除停止按键和急停开关外，不要按控制盒上的其它按键，否则会影响实验。

l。

量取（6）结束工作：试件拉断后，取下试件，将其对紧在一起，量取破坏后的长度1d，在垂直方向各测量一次，取其平均值。

颈缩处的最小直径12.铸铁的拉伸实验测量试件直径d。

并将之装夹在试验机的上空间（与低碳钢试样测量、装夹方法相同）重复实验步骤（4）～（5），进行铸铁拉伸实验。

3. 铸铁的压缩实验（1）试件准备测量试件直径d。

（2）试验机准备（同前）（3）安装试件将试件放在试验机工作台垫板的中心处。

P。

（4）加载开动机器缓慢加载，直到把试件压至破裂，记下最大载荷b （5）结束工作五、注意事项（1）实验时，必须严格遵守试验机的操作规程。

严禁随意改动计算机的软件配置。

（2）拉伸时，为避免损伤试验机的夹头，同时防止铸铁试样脆断飞出伤及操作者，应注意在装夹试样时，横梁移动速度要慢，使试样下端缓慢插入上夹头，不要顶撞卡板顶部。

（3）压缩时，当试件上端接近上垫板时要减慢工作台上升速度，避免突然接触引起急加载。

脆性材料压坏时，可能有碎块飞出，要注意安全，设置好防护罩。

实验二 材料在扭转时的力学性能及钢材切变模量G 的测定一、 实验目的1. 测定低碳钢的剪切屈服极限s τ及剪切强度极限b τ。

2.测定铸铁的剪切强度极限b τ。

3. 在比例极限内验证扭转虎克定律，并测定剪切弹性模量G 。

二、 设备及仪器1.NDW 3000微机控制电子式扭转试验机，如图2-1所示。

图2-1 NDW 3000微机控制电子式扭转试验机图2-2 主机结构底座减速器从动夹头滑块主动夹头电机导轨试验机由加载机构、测力单元、显示器、试验机附件（标定装置）组成。

图2-2为扭转机的主机结构图。

安装在导轨上的加载机构由伺服电机带动，通过减速器使夹头旋转，对试样施加扭矩。

试验机的正反加载和停车，可按液晶显示器的标志按钮。

通过夹头传来的力矩经传感器的处理输出，在液晶显示器和计算机上同步显示出来。

可选择保存或打印。

微机控制程序主界面如图2-3a所示，由录入模块、实验模块和分析打印模块组成。

录入模块（图2-3b）主要完成实验参数的设置；实验模块（图2-3c）用以联机、设定实验方案、对扭矩、扭角、变形等值清零；分析打印模块（图2-3d）可进行数据处理分析，保存试验结果；试验结束后可重新调出试验曲线，进行曲线比较和放大。

(a) (b)(c) (d)图2-3 扭转实验微机控制程序2．扭转测G 装置，如图2-4所示。

3．游标卡尺。

夹箍试样δbφ百分表（a ） (b)2-4扭转测G 装置及原理图三、 实验原理1. 测定剪切弹性模量G从图2-4（a ）和（b ）可以看出，若百分表指示的位移为δ，则A 、B 两截面的相对转角为bAB δδφ-=（2-1）圆轴扭转时，如果最大剪应力不超过材料的比例极限，则扭矩T 与扭转角φ之间的关系为pI G l T ⋅⋅=φ （2-2） 其中0l 为A 、B 两截面间距。

由上式可知，若材料遵守虎克定律，则φ-T 图为一条直线。

实验时，采用“增量法”逐级加载，当试l 0b截面A截面B图2-5件受到一定的扭矩增量T ∆后，在计算长度0l 内可测得两截面的相对转角增量φ∆。

根据式（2-2）可得剪切弹性模量G 为pI l T G ⋅∆⋅∆=φ0（2-3）2. 测定低碳钢的剪切屈服极限s τ和剪切强度极限b τ 利用扭力试验机记录下φ-T 曲线，如图2-5所示。

在弹性范围内，剪应力沿截面半径成直线分布，最大剪应力发生在边界上。

由此可知，边界上各点的剪应力将随着T 的增加首先达到屈服极限s τ，如图2-6a 所示。

而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区（图2-6b ），但中心部分仍然是弹性的所以T 仍可以增加，T 和φ的关系成为曲线。

图2-6与拉伸的应力应变曲线相似，当剪应力到达s τ时，会出现一段较大的平台，即这时的剪应变不断增加，而剪应力s τ保持不变。

这时随着T 的增加，由边界向里各点都相续达到s τ并保持不变。

当T 增加到s T 时，截面上各点的剪应力均达到s τ，如图2-6c 所示。

根据平衡条件，截面上这样分布的剪应力组成的合力偶矩应等于s T ，即s t s Ads s s W d d dA T ττπρπρρτρτ341634)2(32====⎰⎰于是有：ts s W T ⋅=43τ （2-4） 式中163d W t π=为抗扭截面系数。

同理，经过一段强化后，截面上各点的剪应力又相继达到b τ（应力分布与图2-6c ）相似），这时的T 增加到b T ，根据平衡条件可得：tbb W T 43=τ （2-5） 3. 测定铸铁的剪切强度极限τb铸铁的ϕ-T 曲线，如图2-7所示。

铸铁只能测得断裂破坏时的极限扭矩b T 。

根据下式可以求得剪切强度极限b τtbb W T =τ （2 -6） 四 实验方法和步骤 1． 测量剪切弹性模量G（1）测量试件直径d 、A 、B 两截面距（即为标距）0l 、两测量臂长b 、力臂L ，得：mm d 20=mm l 3000=mm b 300= mm L 300=（2）调整百分表。