土木工程基礎實驗ⅰ
實驗指導書
中國礦業大學銀川學院
土木工程實驗室
楊維武郭賓編
2023年11月
實驗守則
一、要按指定的時間進行實驗。準時進入實驗室，不得遲到、早退。
二、每次實驗前，要仔細閱讀實驗指導書，基本了解實驗目的、實驗裝置，實驗原理、實驗方法與步驟等，做到心中有數。
三、以小組為單位進行實驗。小組長負責組織分工和統一指揮。
四、要愛護實驗室的一切裝置，非指定使用的機器裝置不得亂動，以免發生危險或損壞事故。
五、在實驗過程中，要聽從實驗指導教師安排。
六、實驗結束後，要清理機器、及時上交其它輔助儀器工具，如有損壞必須向教師報告，不得隱瞞。
七、要主動配合小組其它成員打掃實驗室衛生，保持實驗室的清潔和安靜，養成良好的科學作風。
八、要認真填寫實驗報告，如實做好實驗資料處理，不得抄襲他人。
實驗一拉伸實驗
拉伸試驗是測定在靜載荷作用下材料力學效能的乙個最基本最重要試驗。通過拉伸試驗中得到的屈服強度、抗拉強度、延伸率、截面收縮率等力學效能指標，是工程中強度和剛度計算的主要依據，也為工程設計中各種材料的選擇提供了資料。在本次拉伸試驗中，我們選擇低碳鋼與鑄鐵作為塑性材料和脆性材料的代表，分別進行試驗。
一、實驗目的
1、測定低碳鋼材料（塑性材料）拉伸時的屈服極限σs、強度極限σb、延伸率和截
面收縮率ψ。
2、測定鑄鐵材料（脆性材料）拉伸時的強度極限σb 。
3、觀察兩種材料拉伸過程中的各種現象、拉斷後的斷口情況，分析二者的力學效能。
4、熟悉萬能材料實驗機和其它儀器的使用。
二、實驗裝置
1、wew-300d微機屏顯式萬能材料試驗機。
2、 游標卡尺等。
三、拉伸試件介紹
由於試件的形狀和尺寸對實驗結果有一定的影響，為便於互相比較，應按統一規定加工成標準試件。按國家有關標準的規定，拉伸試件分為比例試件和非比例試件兩種。在試件中部，用來測量試件伸長的長度，稱為原始標距（簡稱標距）。
比例試件的標距l0與原始橫截面面積a0的關係規定為：
式中係數k的取值為5.65時為短試件，取11.3時為長試件。
對直徑為d0的圓截面試件，短試件和長試件的標距l0分別為5 d0和10 d0，非比例試件的l0和a0不受上述關係限制。
本次材料拉伸試驗採用l0=10 d0（l0為標距即工作段長度，d0 為直徑，d0=10mm）圓形截面試樣（圖1-1）。為確保材料處於單向拉伸狀態以衡量它的各種效能，拉伸試樣有工作部分、過渡部分和夾持部分。其中工作部分即標距處必須表面光滑，以保證材料表面的單向應力狀態；過渡部分必須有適當的臺肩和圓角，以降低應力集中，保證該處不會變形或斷裂；試樣兩端的夾持部分是裝入試驗機夾頭中的，起傳遞拉力的作用。
試驗前，需對低碳鋼試樣打標距，用試樣打點機或手工的方法在試樣工作段確定l0=100mm的標記。由於塑性材料徑縮區域性及其影響區的塑性變形在斷後延伸率中佔很大比重，顯然同種材料的斷後延伸率不僅取決於材質、而且取決於試樣的標距。試樣越短，區域性變形所佔比例越大，δ也就越大。
為便於相互比較，試樣的長度應當標準化。
圖1—1 拉伸試樣
四、實驗原理
1．為了檢驗低碳鋼拉伸時的機械性質，應使試件軸向受拉直至斷裂，在拉伸過程中以及試件斷裂後，測讀出必要的特徵資料（如；屈服載荷ps、最大載荷pb、斷後標距部分長度l1、斷後最細部分截面直徑d1。）經過計算，便可得到表示材料力學效能的指標：屈服極限σs、強度極限σb、延伸率δ和斷面收縮率ψ。
由此可計算：
屈服極限：σs強度極限：σb
延伸率：δ； 斷面收縮率：ψ
（1）屈服極限σs及強度極限σb的測定
彈性階段過後，當到達屈服階段時，低碳鋼的p -△曲線（圖1-2）呈鋸齒形。與最高載荷pp對應的應力稱為上屈服點，它受變形速度和試樣形狀的影響，一般不作為強度指標。同樣，載荷首次下降的最低點（初始瞬時效應）也不作為強度指標。
一般將初始瞬時效應以後的最低載荷ps，除以試樣的初始橫截面面積a0，作為屈服極限σs，即：σs
屈服階段過後，進入強化階段，試樣又恢復了抵抗繼續變形的能力，強化後的材料就產生了殘餘應變，解除安裝後再重新載入，具有和原材料不同的性質，材料的強度提高了，但是斷裂後的殘餘變形比原來降低了。這種常溫下經塑性變形後，材料強度提高，塑性降低的現象稱為冷作硬化。載荷到達最大值pb時，試樣某一區域性的截面明顯縮小，出現「頸縮」現象，試樣即將被拉斷。
以試樣的初始橫截面面積a0除pb得強度極限σb，即σb
圖1－2低碳鋼拉伸圖
（2）延伸率δ及斷面收縮率ψ的測定
試樣的標距原長為l0，拉斷後將兩段試樣緊密地對接在一起，量出拉斷後的標距長為l1，斷後延伸率δ應為：δ。斷口附近塑性變形最大，所以l1的量取與斷口的部位有關。
對於塑性材料，斷裂前變形集中在緊縮處，該部分變形最大，距離斷口位置越遠，變形越小，即斷裂位置對延伸率是有影響的。為了便於比較，規定斷口在標距**三分之一範圍內測出的延伸率為測量標準。如斷口不在此範圍內，則需進行折算，也稱斷口移中。
具體方法如下：以斷口o為起點，在長度上取基本等於短段格數得到b點，當長段所剩格數為偶數時（見圖1-3b），則由所剩格數的一半得到c點，取bc段長度將其移至短段邊，則得斷口移中得標距長，其計算式為：。
如果長段取b點後所剩格數為奇數（見圖1-3c），則取所剩格數加一格之半得c1點和減一格之半得c點，移中後標距長為：；將計算所得的l1代入式中，可求得折算後的延伸率δ。
試樣拉斷後，設頸縮處的最小橫截面面積為a1 ，由於斷口不是規則的圓形，應在兩個相互垂直的方向上量取最小截面的直徑，以其平均值計算a1，然後按下式計算斷面收縮率：ψ。
圖1－3斷口移中示意圖
2．鑄鐵屬脆性材料，軸向拉伸時，在變形很小的情況下就斷裂，故一般測定其抗拉強度極限σb。
五、實驗方法與步驟
1、試件準備與尺寸測量
用劃線機劃上試件的標距，並將其分成10格（圖1－4），以便觀察標距範圍內沿軸向的變形情況。用游標卡尺測量試件標距部分的直徑。在標距範圍的中間及兩端處，每處兩個互相垂直的方向上各測量一次，取其平均值為該處直徑。
用所測得的三個平均值中的最小的值計算試件的橫截面面積a0,計算a0時取兩位有效數字，將測得資料記錄在實驗報告的**中。
圖1－4 用劃線機將標距10等分
2、 開機、準備進行試驗
接好電源線，開啟計算機進入winpws軟體介面，按油源控制櫃「電源開」按鈕，指示燈亮。
1) 按「油幫浦開」按鈕，啟動油幫浦，預熱30分鐘（此步驟可先於其它工作提前做），根據試樣尺寸把相應的鉗口裝入上下鉗口座內，調整鉗口位置對中。
2) 逆時針旋轉送油閥手輪，使工作台上公升10公釐，然後順時針旋轉送油閥手輪關閉送油閥。如果工作台已公升起，則不必開幫浦送油。
3) 將旋鈕旋至「夾緊」檔，將試樣一端夾持於上鉗口中。
4) 根據試樣性質，記錄試樣直徑或厚度，並輸入到winpws。
5) 將橫樑鉗口公升降到合適高度，調整零點。
6) 將試樣另一端夾持於下鉗口中。
7) 將旋鈕旋至「工作」檔，緩慢的擰開送油閥進行加荷試驗。加荷應保持勻速、緩慢。測出屈服載荷ps後，可稍加實驗速率，最後直到將試件拉斷，記錄最大載荷pb 。
對鑄鐵試件，應緩慢勻速載入，直至試件被拉斷，記錄最大載荷pb。
8) 試樣斷裂後，關閉送油閥，取下斷裂的試樣。
9) 處理、儲存試驗結果，退出winpws軟體介面，關閉計算機。
10) 按「油幫浦關」按鈕，停止油幫浦工作。
11) 開啟回油閥，工作台落到初始位置後按「電源關「按鈕，關閉電源。
注意事項：
①試驗過程中碎片可能飛濺，為避免發生事故，請勿靠近主機面對試樣。
②試驗結束時，將活塞降低到最低位置。
3、試驗後的測量和斷口的觀察
低碳鋼材料拉斷後，須計算其延伸率和截面收縮率，因此要測量斷後標距部分長度l1、斷後最細部分截面直徑d1。
分析拉伸試樣的斷口，對於評價材料的質量是很重要的，而且還有助於判斷材料的塑性、強度及其綜合性能。觀察低碳鋼鑄鐵兩種材料的斷口，並分析原因。
低碳鋼：斷後有較大的巨集觀塑性變形，斷口呈灰暗色纖維狀，不完全杯錐狀，周邊為45°的剪下唇——塑性較好。鑄鐵：
斷口與正應力方向垂直，沒有頸縮現象，長度沒有變化，斷口齊平為閃光的結晶狀組織——脆性。
4、試驗後力學效能比較
對不同材料力學效能的比較，我們主要從拉伸過程中材料表現出的不同現象和試樣拉斷後斷裂的現象進行比較，同學們試驗過程中要仔細觀察。
六、低碳鋼與鑄鐵強度指標與塑性指標的計算
1） 低碳鋼
屈服極限 ：（mpa） 1mpa=1 強度極限：（mpa）
延伸率： 斷面收縮率
2） 鑄鐵
強度極限 ： （mpa）
注：以上，為所測三個平均值中的最小值。
實驗二壓縮實驗
在實際工程中有些構件承受壓力，而材料由於受力形式的不同，其表現的機械效能也不同，因此除了通過拉伸試驗了解金屬材料的拉伸效能外，有時還要作壓縮試驗來了解金屬材料的壓縮效能。一般對於鑄鐵、水泥、磚、石頭等主要承受壓力的脆性材料才進行壓縮試驗，而對塑性金屬或合金進行壓縮試驗的主要目的是為了材料研究。例如灰鑄鐵在拉伸和壓縮時的極限不同，因此工程上就利用鑄鐵壓縮強度較高這一特點來製造工具機底座、床身、汽缸、幫浦體等。
一、實驗目的
1、測定在壓縮時低碳鋼的屈服極限σs，鑄鐵的強度極限σb 。
2、觀察兩種材料的破壞現象，並比較這兩種材料受壓時的特性。
二、實驗裝置
1、wew-300d微機屏顯式萬能材料試驗機。
2、 游標卡尺。
三、壓縮試件介紹
本次壓縮試驗用短形試樣見圖所示。試樣兩端須經研磨平整，互相平行，且端麵須垂直於軸線。試樣尺寸對壓縮變形量和變形抗力均有很大影響。
為使結果能互相比較，必須採取相同的值。此外試樣端部的摩擦力不僅影響試驗結果，而且改變破斷形式，應儘量減少。本次試驗試樣規格h：
d=2：1。
圖3—1 壓縮試件
四、實驗原理
壓縮實驗是研究材料效能常用的實驗方法。對鑄鐵、鑄造合金、建築材料等脆性材料尤為合適。通過壓縮實驗觀察材料的變形過程、破壞形式，並與拉伸實驗進行比較，可以分析不同應力狀態對材料強度、塑性的影響，從而對材料的機械效能有比較全面的認識。
當試件受壓時，其上下兩端面與試驗機支撐之間產生很大的摩擦力，使試件兩端的橫向變形受到阻礙，故壓縮後試件呈鼓形。摩擦力的存在會影響試件的抗壓能力甚至破壞形式。為了儘量減少摩擦力的影響，實驗時試件兩端必須保證平行，並與軸線垂直，使試件受軸向壓力。
另外。端麵加工應有較高的光潔度。
材料力學實驗指導書
課程教案 課程名稱 任課教師 所屬院部 建築工程與藝術學院 教學班級 教學時間 2015 2016 學年第 1 學期 湖南工學院 實驗一拉伸實驗 一 本實驗主要內容 低碳鋼和鑄鐵的拉伸實驗。二 實驗目的與要求 1.測定低碳鋼的流動極限 強度極限 延伸率 截面收縮率和鑄鐵的強度極限。2.根據碳鋼和鑄鐵...
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