材料力學
實驗指導書
黑龍江工程學院
2023年3月
實驗一低碳鋼和鑄鐵的拉伸
拉伸實驗是檢查金屬材料力學效能普遍採用的一種極為重要的基本實驗。
一低碳鋼的拉伸實驗
一 、實驗目的
1、觀察低碳鋼在拉伸過程中的各種現象，了解試件變形隨荷載的變化規律。
2、測試低碳鋼在拉伸過程中的幾個力學效能指標：屈服極限、強度極限、延伸率和斷面收縮率。
3、了解拉伸實驗的原理和方法，掌握萬能試驗機的操作要領。
二 、實驗裝置、量具及試件
實驗裝置
1、液壓式萬能試驗機
1.主動針 2.從動針 3.擺桿架 4.描繪筒 5.緩衝閥
6.測力活塞 7.測力油缸 8.擺砣 9.高壓油蹦 10.油箱
11.絲杆 12.放大器 13.測力油管 14.高壓油管 15.控制閥
16.上橫樑 17.上夾具 18.試件 19.下夾具 20.動橫樑
21.試抬 22.機座 23.工作活塞 24.工作油缸 25.光桿
加力部分（試驗機主機）
開動電機帶動高壓油幫浦工作，通過控制閥將油壓入工作油缸，推動活塞帶動上橫樑及工作台上公升，此時如果試件安裝在上下夾頭中，則試件受拉伸；如果試件安放在工作台及橫樑中，則由於工作台上公升而使試件受壓縮或彎曲。其工作台及上橫樑的上公升速度有控制閥掌握，動橫樑的位置可由控制台上的按紐來調節。實驗完畢，將控制閥開至解除安裝位置。
測力部分（即荷載測量機構）
工作油通過高壓油管與測力油缸相通。測件受力後，工作油缸的壓力傳到測力油缸，是測力活塞連桿上移，從而帶動擺桿擺砣轉動，其轉動角度與測力活塞受壓成一定比例，並通過機械運動，轉換成指標轉動，使表盤中指示出試件所受載荷f的數值。同時，由於工作台的上公升，通過放大器帶動自動繪圖裝置而與表盤內齒杆相連的記錄筆，也向右移動，從而在記錄紙上畫出試驗過程的「荷載——變形」曲線。
2、電子式萬能試驗機
1.立柱；2.拉伸夾具；3.拉伸試件； 4.移動橫樑； 5.測力感測器； 6.壓縮夾具；
7.彎曲夾具；8.下橫樑；9.同步齒形傳動帶； 10.帶輪； 11.光電編碼器；
12.伺服電機；13.上橫樑；14.滾珠絲槓；15.引伸計；16.手控鍵盤；17.減速機
電子萬能試驗機是雙空間式的，其移動橫樑與上橫樑之間的空間為拉伸實驗空間，移動橫樑與下橫樑之間的空間為壓縮實驗空間。在拉伸空間安裝有拉伸夾具，在壓縮空間安裝有壓縮夾具和彎曲夾具。測力感測器、引申計、光電編碼器、資料採集電路（與控制系統整合在一起）組成測量系統，測力感測器用於測量實驗載荷，引伸計用於測量試件的變形，光電編碼器用於測量橫樑移動的位移。
各個測量訊號均經過資料採集電路送入計算機儲存、處理和顯示。伺服電機的輸出功率經減速器、同步齒形傳動帶傳遞給滾珠絲槓，然後滾珠絲槓帶動移動橫樑公升降將實驗載荷施加到試件上。伺服控制器與伺服電機和光電編碼器組成閉環控制系統，控制移動橫樑的運動。
伺服控制器向上經過控制電路與計算機聯絡，最終由計算機實現對可移動橫樑的運動進行控制，包括位置、速度等。
由於電子萬能試驗機採用了閉環控制，載入過程和資料採集都是在計算機的控制下完成的，因此可以選擇不同的引數控制方式進行實驗。引數控制方式是指以應力（或載荷）、位移、應變等諸實驗引數中的某乙個作為載入控制因素。例如，位移控制就是設定的橫樑的運動速度（通常是恆定速率的），讓試驗機按照設定的橫樑速度和方向對試件進行載入。
3、量具：游標卡尺
4、試件
為了使實驗資料可以相互比較，應按國標gb228-2002的規定作成標準試件，如因材料尺寸限制等原因不能做成標準試時，應按規定作成比例試件。
圖1-3
l0—標距
d0—試驗前圓截面試件標距部分的直徑
a0—試驗前試件標距部分的截面面積
三 、實驗原理
圖1-4
在做低碳鋼拉伸實驗時，試驗機能自動繪出表示荷載與變形關係的拉伸圖，如圖1-4，整個過程包括彈性變形階段（oa）、塑性屈服階段（bc）、強化階段（cd）、區域性頸縮階段（de）。在實驗的過程中可看到幾個現象：（1）彈性現象；（2）屈服現象；（3）頸縮現象。
由實驗可知，圖中oa部分當解除安裝後，試件立即恢復原狀，變形與載荷成正比，只就是虎克定律所表示的直線關係，這種變形是彈性變形。當載荷增加到一定值，即圖bc段鋸齒型平台處，測力計刻度盤指標停止轉動或來回擺動，此時載荷不增加或減少，而試件還繼續伸長，這種現象叫屈服現象。若試件表面經過拋光處理，則可觀察到試件表面上出現與軸線約成45°角的傾斜條紋，是由於金屬材料內部晶格之間之間產生相對滑移而形成的，使材料產生相對滑移而形成的，使材料產生塑性變形。
國際規定，首次下降最小載荷處為下屈服點fs。過了屈服階段後，材料強化，載荷繼續上公升，為了觀察冷作現象，可以在某點a處停止載入，則曲線沿o1a′de規律變化。載荷繼續公升到最大值即圖d點時，試件截面的某一位置，開始急劇縮小致使負荷下降，即為材料的頸縮現象，f b為最大載荷。
四 、實驗步驟
1、測量試件尺寸
1）測量試件直徑d0，對於圓試件在計算長度內在兩端及中部三處用游標卡尺測量，每一處都要在兩個相互垂直的方向上量出直徑，取其平均直徑最小截面處的平均直徑作為試件的直徑。
2）確定計算長度l0。在試件中間等粗的細長部分內，量取計算長度l0 (按10倍或者5倍試件確定)。然後,用刻線機或筆把計算長度l0分成若干等分(通常是以5mm或10mm為一等分)。
以便當試件斷裂不在中間時進行換算，從而求得比較正確的伸長率。但刻、劃線時應盡量輕微。
2、調整試驗機
1）液壓式萬能試驗機
試件的最大載荷選擇相應的測力度盤，配好相應的擺陀，把緩衝閥轉到相應位置，指標歸零，檢查和安裝好自動繪圖結構。
2）電子式萬能試驗機
根據試件的材料和尺寸、估計試件大致能承受的載荷，從而選定好相應的拉力感測器，進行試件的引數設定和調零，檢查資料記錄及列印輸出裝置是否連線。
3安裝試件
1）將試件裝入夾具。
2）注意避免試件放斜或歪曲。
4進行實驗
注意觀察試件在拉伸過程中的形狀變化和曲線的變化情況，試件拉斷後，立即停機存檔、列印所得拉伸圖和記錄最大荷載並觀察頸縮現象。
5實驗結束
1）關機
2）測量試件後標距長度l1和頸縮處的最小直徑d1。測量時將試件的兩半對接在一起，使其盡量緊貼。
二鑄鐵拉伸試驗
一 、實驗目的
1、測定鑄鐵拉伸強度極限。
2、比較低碳鋼與鑄鐵的拉伸機械效能和破壞形式。
二 、實驗裝置及量具
1、萬能試驗機。
2、游標卡尺。
三 、實驗的內容與原理
鑄鐵是脆性料，其拉伸圖如圖1-5，在拉伸過程中不產生屈服和頸縮現象，很快達到最大載荷fb而突然斷裂。其值遠小於低碳鋼的強度極限。整個拉伸過程中變形極小，伸長量不中試件原長時0.
5%，而延伸率則更小。
四 、實驗方法和步驟
參考低碳鋼拉伸實驗。
圖1-5
三實驗結果處理
1、根據低碳鋼拉伸實驗記錄的fs和fb；可按下面公式得出材料強度方面的效能：0
屈服極限 σs=fs/a0
強度極限 σb=fb/a0
2、根據低碳鋼拉伸前後的d0、l0、d1、 l1，求出材料塑性方面的效能：
延伸率斷面收縮率 ψ=
3、由鑄鐵拉伸記錄fb，求出其強度極限
σb=fb/a0
五 、實驗結果分析討論
1、從材料的強度指標、塑性指標和破壞斷口等方面比較低碳鋼和鑄鐵的拉伸機械性質。
2、從拉伸圖f—δl曲線上看，低碳鋼試件在最大載荷d點時不斷裂而載荷降至e點時反而斷裂，為什麼？
實驗二低碳鋼和鑄鐵壓縮
一 、實驗目的
1、測定壓縮時低碳鋼的屈服極限和鑄鐵的強度極限。
2、觀察低碳鋼和鑄鐵壓縮時的變形和破壞現象，並進行比較。
二 、實驗裝置
1、萬能試驗機
2、游標卡尺
三 、試件
壓縮試件為圓柱形，如圖2-1所示，不宜太高，否則，容易壓彎，也不宜太短，否則試件上下端麵與實驗機承壓座之間產生摩擦力，對試件的承壓力產生影響，一般試件規定為，通常脆性材料，端麵光潔度為▽7-▽9。
圖2-1
四 、實驗原理
圖2-2圖2-3
1、低碳鋼
低碳鋼為塑性材料，其壓縮略圖如圖2-2所示，開始時遵守胡克定律沿直線上公升，比例極限以後變形加快，但無明顯屈服階段。相反的，圖形逐漸向上彎曲。這是因為在過了比例極限後，隨著塑性變形的迅速增長，而試件的橫截面積逐漸增大，而承受的載荷也隨著增大。
從實驗知道，低碳鋼試件可以被壓成極薄的平板而不被破壞。因此，其強度極限一般是不能確定的。只能確定的是壓縮的屈服極限應力（圖2-2）
σs=fs/a0
2、鑄鐵
鑄鐵為脆性材料，其壓縮曲線在開始時接近於直線，與縱軸之夾角很小，以後曲率逐漸增大，最後至破壞，因此只能確定其強度極限（圖2-3）
σb=fb/a0
鑄鐵試件受壓力而縮短，表明有很少的塑性變形的存在。當載荷達到最大值時，試件即破壞，並在其表面上出現了傾斜的裂縫，鑄鐵受壓後的破壞是突然發生的，是脆性材料的特性。
從實驗的結果與以前的拉伸實驗結果作一比較，可以看出，鑄鐵承受壓縮的能力遠遠大於承受拉伸的能力。抗壓強度遠遠大於抗拉強度，這是脆性材料的一般屬性。
五 、實驗步驟
1、用游標卡尺測量試件的高度h0和直徑d0取互相垂直方向直徑的平均值作為試件的直徑。
2、將試件置於試驗機承壓部位。
3、在試件沒有受力時進行調整。
4、開機進行實驗，一直到試件破壞（注意低碳鋼不能壓到破壞，壓到45kn時即停止實驗）。
5、低碳鋼記錄屈服荷載f,鑄鐵記錄最大荷載fb。
6、卸去載荷，取出破壞試件。
7、列印出實驗曲線。
8、關機。
六 、實驗結果處理
1、根據低碳鋼壓縮時記錄的fs，求出其屈服極限
σs=fs/a0
2、根據鑄鐵壓縮時記錄的fb求出其強度極限
σb=fb/a0
七 、實驗結果分析與討論
1、低碳鋼為什麼不能得到抗壓極限強度？
2、低碳鋼和鑄鐵在壓縮時的力學效能有什麼區別？
實驗三圓軸扭轉實驗
低碳鋼和鑄鐵在扭轉試驗中也充分體系現了它們的特點。低碳鋼在發生大量塑性變形之後被剪壞，此破壞是由橫截面上的剪應力造成。而鑄鐵在很小的變形情況下即破壞，是由45o斜截面上的拉應力造成的。
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