實驗一拉伸實驗
一、 實驗目的
1．測定低碳鋼(q235)的屈服點，強度極限，延伸率，斷面收縮率。
2．測定鑄鐵的強度極限。
3．觀察低碳鋼拉伸過程中的各種現象（如屈服、強化、頸縮等），並繪製拉伸曲線。
4．熟悉試驗機和其它有關儀器的使用。
二、實驗裝置
1．液壓式萬能實驗機；2．游標卡尺；3．試樣刻線機。
三、 萬能試驗機簡介
具有拉伸、壓縮、彎曲及其剪下等各種靜力實驗功能的試驗機稱為萬能材料試驗機，萬能材料試驗機一般都由兩個基本部分組成；
1）載入部分，利用一定的動力和傳動裝置強迫試件發生變形，從而使試件受到力的作用，即對試件載入。
2） 測控部分，指示試件所受載荷大小及變形情況。
四、 試驗方法
1．低碳鋼拉伸實驗
（1）用畫線器在低碳鋼試件上畫標距及10等分刻線，量試件直徑，低碳鋼試件標距。
（2）調整試驗機，使下夾頭處於適當的位置，把試件夾好。
（3）執行試驗程式，載入，實時顯示外力和變形的關係曲線。觀察屈服現象。。
（4）列印外力和變形的關係曲線，記錄屈服載荷fs=22.5kn，最大載荷fb =35kn。
（5）取下試件，觀察試件斷口: 凸凹狀，即韌性杯狀斷口。測量拉斷後的標距長l1，頸縮處最小直徑d1。並將測量結果填入表1-3。
低碳鋼的拉伸圖如圖所示
2．鑄鐵的拉伸
其方法步驟完全與低碳鋼相同。因為材料是脆性材料，觀察不到屈服現象。在很小的變形下試件就突然斷裂（圖1-5），只需記錄下最大載荷fb=10.
8kn即可。的計算與低碳鋼的計算方法相同。
六、試驗結果及資料處理
表1-2 試驗前試樣尺寸
表1-3 試驗後試樣尺寸和形狀
根據試驗記錄，計算應力值。
低碳鋼屈服極限
低碳鋼強度極限
低碳鋼斷面收縮率
低碳鋼延伸率
鑄鐵強度極限
七、思考題
1． 根據實驗畫出低碳鋼和鑄鐵的拉伸曲線。略
2． 根據實驗時發生的現象和實驗結果比較低碳鋼和鑄鐵的機械效能有什麼不同?
答：低碳鋼是典型的塑性材料，拉伸時會發生屈服，會產生很大的塑性變形，斷裂前有明顯的頸縮現象，拉斷後斷口呈凸凹狀，而鑄鐵拉伸時沒有屈服現象，變形也不明顯，拉斷後斷口基本沿橫截面，較粗糙。
3． 低碳鋼試樣在最大載荷d點不斷裂，在載荷下降至e點時反而斷裂，為什麼？
答：低碳鋼在載荷下降至e點時反而斷裂，是因為此時實際受載截面已經大大減小，實際應力達到材料所能承受的極限，在最大載荷d點實際應力比e點時小。
4、 分析比較兩種材料在拉伸時的力學效能及斷口特徵.
答:試件在拉伸時鑄鐵延伸率小表現為脆性，低碳鋼延伸率大表現為塑性；低碳鋼具有屈服現象鑄鐵無。低碳鋼斷口為直徑縮小的杯錐狀，且有45°的剪下口，斷口組織為暗灰色纖維狀組織。
鑄鐵斷口為橫斷面，為閃光的結晶狀組織。
實驗二壓縮實驗
一、實驗目的
1． 測定低碳鋼的壓縮屈服極限和鑄鐵的壓縮強度極限。
2． 觀察和比較兩種材料在壓縮過程中的各種現象。
二、實驗裝置、材料
萬能材料試驗機、游標卡尺、低碳鋼和鑄鐵壓縮試件。
三、 實驗方法
1． 用游標卡尺量出試件的直徑d和高度h。
2． 把試件放好，調整試驗機，使上壓頭處於適當的位置，空隙小於10mm 。
3． 執行試驗程式，載入，實時顯示外力和變形的關係曲線。
4． 對低碳鋼試件應注意觀察屈服現象，並記錄下屈服載荷fs=22.5kn。其越壓越扁，壓到一定程度（f=40kn）即可停止試驗。
對於鑄鐵試件，應壓到破壞為止，記下最大載荷fb =35kn。 列印壓縮曲線。
5． 取下試件，觀察低碳鋼試件形狀: 鼓狀；鑄鐵試件，沿方向破壞。
四、試驗結果及資料處理
表2-1 壓縮實驗結果
低碳鋼壓縮屈服點
鑄鐵壓縮強度極限
五、思考題
1. 分析鑄鐵破壞的原因，並與其拉伸作比較。
答：鑄鐵壓縮時的斷口與軸線約成角，在的斜截面上作用著最大的切應力，故其破壞方式是剪斷。鑄鐵拉伸時，沿橫截面破壞，為拉應力過大導致。
2. 放置壓縮試樣的支承墊板底部都製作成球形，為什麼？
答：支承墊板底部都製作成球形自動對中，便於使試件均勻受力。
3. 為什麼鑄鐵試樣被壓縮時，破壞面常發生在與軸線大致成的方向上？
答：由於內摩擦的作用。
4. 試比較塑性材料和脆性材料在壓縮時的變形及破壞形式有什麼不同？
答：塑性材料在壓縮時截面不斷增大，承載能力不斷增強，但塑性變形過大時不能正常工作，即失效；脆性材料在壓縮時，破壞前無明顯變化，破壞與沿軸線大致成的方向發生，為剪斷破壞。
5. 低碳鋼和鑄鐵在拉伸與壓縮時的力學性質有什麼不同？
答：低碳鋼抗拉壓能力相同，鑄鐵抗壓能力比抗拉高許多。
6、分析鑄鐵試件壓縮破壞的原因.
答：鑄鐵試件壓縮破壞，其斷口與軸線成45°~50°夾角，在斷口位置剪應力已達到其抵抗的最大極限值，抗剪先於抗壓達到極限，因而發生斜面剪下破壞。
7、低碳鋼與鑄鐵在壓縮時力學性質有何不同? 結構工程中怎樣合理使用這兩類不同性質的材料?
答：低碳鋼為塑性材料，抗壓屈服極限與抗拉屈服極限相近，此時試件不會發生斷裂，隨荷載增加發生塑性形變；鑄鐵為脆性材料，抗壓強度遠大於抗拉強度，無屈服現象。壓縮試驗時，鑄鐵因達到剪下極限而被剪下破壞。
通過試驗可以發現低碳鋼材料塑性好，其抗剪能力弱於抗拉；抗拉與抗壓相近。鑄鐵材料塑性差，其抗拉遠小於抗壓強度，抗剪優於抗拉低於抗壓。故在工程結構中塑性材料應用範圍廣，脆性材料最好處於受壓狀態，比如車床機座。
實驗三扭轉實驗
一、實驗目的
1．學習扭轉實驗機的構造原理，並進行操作練習。
2．測定低碳鋼的剪下屈服極限、剪下強度極限和鑄鐵的剪下強度極限。
3．觀察低碳鋼和鑄鐵在扭轉過程中的變形和破壞情況。
二、實驗儀器
扭轉實驗機，游標卡尺。
三．實驗原理
塑性材料和脆性材料在扭轉時的力學效能。(參考材料力學課本及其它相關書籍)
四、實驗步驟
1．低碳鋼實驗
（1）量取試件直徑。在試件上選取3個位置，每個位置互相垂直地測量2次直徑，取其平均值；然後從3個位置的平均直徑值中取最小值作為試件的直徑。
（2）將扭轉實驗機刻度盤的從動針調至靠近主動針。主動針的調零方式為自動調整，如果主動針不在零位，應通知老師，由老師進行調整。絕對不能用調從動針的方法，將兩針調至零位。
（3）把試件安裝在扭轉試驗機的夾頭內，並將螺絲擰緊（勿太用力）。安裝時，一定要注意主動夾頭的夾塊要保持水平（固定夾頭的夾塊總是水平的），以避免引起初始扭矩。如果已經出現小量的初始扭矩，只要不超過5n*m，可以開始載入。
另外，試件在水平面和垂直面上不能歪斜，否則載入後試件將發生扭曲。
（4）開啟繪圖記錄器的開關；將調速旋鈕置於低速位置。開始用檔慢速載入，每增加 5n*m 的扭矩，記錄下相應的扭轉角度。實驗過程中，注意觀察試件的變形情況和圖，當材料發生流動時，記錄流動時的扭矩值和相應的扭轉角度。
另外，注意記錄扭矩剛開始下降時的扭矩值和相應的扭轉角度。扭矩值估讀到0.1n*m。
（5）流動以後，繼續載入，試件進入強化階段，關閉記錄器後，將電機速度選擇在檔，加快載入速度。這時由於變形速度較快，可每增加180度取一次扭轉角度。直至試件扭斷為止，記下斷裂時的扭矩值，注意觀察斷口的形狀。
注意，試件扭斷後應立即停止載入，以便記錄斷裂時的扭轉角度。
2．鑄鐵實驗
操作步驟與低碳鋼相同。因鑄鐵在變形很小時就破壞，所以只能用檔慢速載入。每增加5n*m的扭矩，記錄下相應的扭轉角度。
注意觀察鑄鐵試件在扭轉過程中的變形及破壞情況，並記錄試件扭斷時的極限扭矩值和相應的扭轉角度。注意，試件扭斷後應立即停止載入，以便記錄斷裂時的扭轉角度。
五、實驗記錄
注：低碳鋼的剪下流動極限及強度極限的計算公式中應該乘以係數3/4。原因是這樣：
圓軸扭轉在彈性變形範圍內剪應力分布如參考圖(a)所示，對於塑性材料，當扭矩增大到一定數值後，試件表面應力首先達到流動極限，並逐漸向內擴充套件，形成環形塑性區，如參考圖(b)所示。若扭矩逐漸增大，塑性區也不斷擴大。當扭矩達到時，橫截面上的剪應力大小近似為，如參考圖(c)所示,在這種剪應力分布形式下，剪應力公式為。
試件繼續變形，材料進一步強化，當試件扭斷時，假設整個截面的剪應力都達到，此時最大扭矩為，因此剪下強度極限和流動極限一樣，近似地寫為。
由於鑄鐵是脆性材料，應力在截面上從開始受力直至破壞都保持線性分布，當邊緣上的剪應力達到時。此時最大扭矩為，故仍用彈性階段的應力公式計算強度極限。
六．預習思考題
1)分析試件在扭轉狀態下各點的主應力大小和方向。
答：扭轉狀態下，橫街面上主應力大小從圓心向外線性增大，在半徑處達到最大，方向垂直於半徑和扭轉力矩方向相同。
2) 低碳鋼屈服極限和強度極限的計算公式中為什麼會出現3/4？請分析並推導計算公式。
答：圓軸扭轉在彈性變形範圍內剪應力分布為線性分布，對於塑性材料，當扭矩增大到一定數值後，試件表面應力首先達到流動極限，並逐漸向內擴充套件，形成環形塑性區，若扭矩逐漸增大，塑性區也不斷擴大。當扭矩達到時，橫截面上的剪應力大小近似為，在這種剪應力分布形式下，剪應力公式為
由於鑄鐵是脆性材料，應力在截面上從開始受力直至破壞都保持線性分布，當邊緣的剪應力達到時，最大扭矩為，故仍用彈性階段的應力公式計算強度極限。
3) 為什麼扭轉試件兩端較粗,中間較細？中間和兩端採用光滑曲線過渡，而不是直角連線
答：這樣便於試件的安裝，中間和兩端採用光滑曲線過渡是為了防止應力集中而產生扭斷。
4)如果扭轉試件是屈服失效，請用最大剪應力理論分析一下試件可能的斷口形狀。
答：最大剪應力應是與試件端麵平行，如果是屈服失效，則斷口形狀應是平面。
5)如果扭轉試件是斷裂失效，請用最大拉應力理論分析一下試件可能的斷口形狀。
答：根據最大拉應力理論，如果試件是斷裂失效，則會出現α=45°時，拉應力最大，這時斷口形狀應是45°的斜面。
6)什麼是塑性材料？什麼是脆性材料？(如果在你做的其它實驗中也有此題，回答一次即可)
答：伸長率δ＞5%的材料稱為塑性材料，δ＜5%的材料稱為脆性材料。
七．分析思考題
1) 扭轉實驗中你是怎樣測量試件直徑的？為什麼採用這種方法？你有其它方法測量直徑嗎？你的依據是什麼？
材料力學實驗報告
拉伸實驗實驗日期年月日 指導教師 簽字 一 實驗目的 二 實驗裝置 規格 型號 三 實驗記錄及資料處理 試件尺寸表1 1 實驗資料與結果表1 2 六，討論題 1 試比較低碳鋼和鑄鐵的機械性質。所得數值有何實用價值？2 為什麼要用標準試件？3 由自動繪圖器所繪出拉伸圖，最初一段為什麼是曲線？壓縮實驗實...
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