工程力学实验报告

工程力学实验报告

自动化12级实验班

§1-1  金属材料的拉伸实验

一、试验目的

1.测定低碳钢(Q235 钢)的强度性能指标:上屈服强度ReH,下屈服强度ReL和抗拉强度Rm

2.测定低碳钢(Q235 钢)的塑性性能指标:断后伸长率A和断面收缩率Z。

3.测定铸铁的抗拉强度Rm

4.观察、比较低碳钢(Q235 钢)和铸铁的拉伸过程及破坏现象,并比较其机械性能。

5.学习试验机的使用方法。

二、设备和仪器

1.试验机(见附录)。

2.电子引伸计。

3.游标卡尺。

三、试样

拉伸实验是材料力学性能实验中最基本的实验。为使实验结果可以相互比较,必须对试样、试验机及实验方法做出明确具体的规定。我国国标GB/T228-2002 “金属材料 室温拉伸试验方法”中规定对金属拉伸试样通常采用圆形和板状两种试样,如图(1-1)所示。它们均由夹持、过渡和平行三部分组成。夹持部分应适合于试验机夹头的夹持。过渡部分的圆孤应与平行部分光滑地联接,以保证试样破坏时断口在平行部分。平行部分中测量伸长用的长度称为标距。受力前的标距称为原始标距,记作l0,通常在其两端划细线标志。

国标GB/T228-2002中,对试样形状、尺寸、公差和表面粗糙度均有明确规定。

四、实验原理

低碳钢(Q235 钢)拉伸实验(图解方法)

将试样安装在试验机的上下夹头中,引伸计装卡在试样上,启动试验机对试样加载,试验机将自动绘制出载荷位移曲线(F-ΔL曲线),如图(1-2)。观察试样的受力、变形直至破坏的全过程,可以看到低碳钢拉伸过程中的四个阶段(弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段)。

屈服阶段反映在F-ΔL曲线图上为一水平波动线。上屈服力是试样发生屈服而载荷首次下降前的最大载荷。下屈服力是试样在屈服期间去除初始瞬时效应(载荷第一次急剧下降)后波动最低点所对应的载荷。最大力Rm是试样在屈服阶段之后所能承受的最大载荷。相应的强度指标由以下公式计算:

上屈服强度ReH                      (1-1)

下屈服强度ReL                        (1-2 )

抗拉强度Rm:                          (1-3)

在强化阶段任一时刻卸载、再加载,可以观察加载、御载规律和冷作硬化现象。

在Fm以前,变形是均匀的。从Fm开始,产生局部伸长和颈缩,由于颈缩,使颈缩处截面减小,致使载荷随之下降,最后断裂。断口呈杯锥形。

测量断后的标距部分长度Lu和颈缩处最小直径du,按以下两式计算其主要塑性指标:

断后伸长率A :

                                     (1-4)

式中L0为试样原始标距长度(名义尺寸50mm)。

由于试样的塑性变形集中在缩颈处并向两边逐渐减小,因此断口位置不同,标距部分的塑性伸长也不同。若断口在试样中部,发生严重塑性变形的缩颈段全部在标距长度内,标距长度就有较大的塑性伸长量;若断口距标距端很近,则发生严重塑性变形的缩颈段只有一部分在标距长度内,另一部分在标距长度外,因此,标距长度的塑性伸长量就小。这说明断口位置对测得的伸长率有影响,为此应用所谓移位法测定断后标距长度

试验前将试样标距分成十等分。若断口到邻近标距端距离大于,则可直接测量标距两端点间的距离。若断口到邻近标距端距离小于或等于,则应用所谓移位法(亦称为补偿法)测定:在长段上从断口O点起取长度基本上等于短段格数的一段得B点,再由B点起取等于长段所余格数(偶数)之半得C点(见图1-8(a));或取所余格数(奇数)减1与加1之半得C与C1点(见图1-8(b));移位后的L1分别为:AO+OB+2BC或者AO+OB+BC+BC1

测量时,两段在断口处应紧密对接,尽量使两段轴线在一直线上。若断口处形成缝隙,此缝隙应计入L1内。

断面收缩率Z:

                                            (1-5)

式中分别是原始横截面积和断后最小横截面积。

铸铁拉伸

铸铁拉伸时没有屈服阶段,拉伸曲线微微弯曲,在变形很小的情况下即断裂(见图1-3),断口为平端口。因此对铸铁只能测得其抗拉强度Rm,       

即:                     (1-6)

铸铁的抗拉强度远低于低碳钢的抗拉强度。

五、实验结果处理

1.原始记录参考表1-2和表1-3填写。

表1-2 原始尺寸

表1-3 断后尺寸

2.数据处理

低碳钢

据Fm值和F-△L图计算力轴每毫米代表的力值m,从F-△L图上找出FeH和FeL点的位置,量出它们至△L轴的垂直距离heH和heL,从而计算出FeH和FeL值(即mheH和mheL),然后按公式(1-1)~(1-3)计算上屈服强度ReH、下屈服强度ReL和抗拉强度Rm,按公式(1-4)和(1-5)计算断后伸长率A 和断面收缩率Z 。

解:由图可知FeH=30.11kN, FeL=27.17kN,  Fm=43.99kN

          heH=4.586mm,  heL=5.261mm

          ReH=378.4MPa, ReL=341.5MPa,Rm=553.9MPa

          A=28.62%,         Z=65.70%

铸铁

据记录的最大拉力Fm,按公式(1-6)计算抗拉强度Rm

解:由图可知

                     Fm=12.25kN

                     Rm=159.3MPa

六、思考题

1.低碳钢试样拉伸断裂时的载荷比最大力Fm小,如按公式计算断裂时的应力,则计算得到的应力会比抗拉强度Rm小。为什么“应力减小后”试样反而断裂?

4.铸铁试样拉伸,断口为何是平截面?为何断口位置大多在根部?

5.做低碳钢拉伸实验时为什么要用引伸计,又为什么在试样拉断前要取下引伸计,为什么此时可以取下引伸计?

七、实验报告要求

包括实验目的,设备名称、型号,实验记录(列表表示)与实验数据处理,分析讨论。画出试样断裂后形状示意图(可画在数据记录和处理栏内),试验机自动绘制的F-ΔL图附于实验报告内。

附注:实验步骤

试样材质辩识:铸铁试样颜色较深,表面可见凸起的小颗粒,竖直落地时声音沉闷;而低碳钢颜色较亮,表面可见刀纹,竖直落地时声音轻脆。

1测量试样尺寸

直径d0在试样标距两端和中间三个截面上测量直径,每个截面在相互垂直方向各测量一次,取其平均值。用三个平均值中最小者计算横截面面积,数据列表记录。

标距长度L 0量取计算长度L 0(取L 0=10d0,或L 0=5d0),在试样两端划细线标志,用刻线机将其划分成10等分(或5等分)。

2. 开机

打开电源开关;启动计算机进入Windos操作系统;点击试验机控制软件,进入试验机操

作界面;按复位按扭使控制系统上电。

3. 系统参数设置

点击“模式设置”选项,选择试验模式--拉伸实验。

3.试验基本参数设置

点击“操作”按扭,进入“试验基本参数”界面,选择变形测量模式—引伸计。

4. 试验过程设置

主要有:试样基本参数设定;试验力档位设定;变形调零;变形档位设定;曲线参数设定等。详细设置请参见附1-2电子拉力试验机。

5装夹试样,安装引伸计

上下夹头均为斜锲夹块,将试样的夹持部位放入V型槽中央。注意低碳钢拉伸实验须测定标距范围内的变形,因此试样上下夹持部位均须留出5-10mm,以便安装引伸计。铸铁拉伸实验则不用安装引伸计。

6测试

待一切准备工作完成后,点击“上行”按扭,开始拉伸实验。测试完毕保存实验文件。注意实验过程中观察图形和数据显示窗口以及试样破坏情况。特别提请注意的是,当实验曲线出现水平线一定程度后,试样开始进入局部变形阶段时,点击“取引伸计”按扭,迅速取下引伸计,以免引伸计损伤。

7.打印

点击“报告打印”,输出实验曲线。

8.卸载并取出试样

卸载并取出试样,注意保护试样断口形貌。

9.测量断后标距L1和断后颈缩处最小直径d1(仅对低碳钢拉伸实验)

测量时应注意将低碳钢试样两段的断口紧密对接,若断口到邻近标距端距离小于或等于时,则应用所谓移位法(亦称为补偿法)测定断后标距长度。测量颈缩处最小直径du时,在最小处互相垂直的两个方向测量直径。注意应用卡尺测量前端较窄的部位,以免由于弧线的影响而测量不到实际的最小值。

10.关机

注意清理实验现场,将相关仪器还原。

§1-2  低碳钢和铸铁的压缩试验

一、试验目的

1.测定低碳钢的压缩屈服点和铸铁的抗压强度

2.观察并分析两种材料在压缩过程中的各种现象。

二、设备和仪器

1.电子万能试验机

2.游标卡尺

三、试样

低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试样一般制成圆柱形,其公差、表面粗糙度、两端面的平行度和对试样轴线的垂直度在国标GB7314-87中有明确规定。

目前常用的压缩试验方法是两端平压法。由于试样两端面不可能理想地平行,试验时必须使用球形承垫(见图2-1a),试样应置于球形承垫中心,藉球形承垫自动调节实现轴向受载。由于试样的上下两端与试验机承垫之间会产生很大的摩擦力,它们阻碍着试样上部及下部的横向变形,导致测得的抗压强度较实际偏高。当试样的高度相对增加时,摩擦力对试样中部的影响就会相应变小,因此抗压强度与比值ho/do有关,同时考虑稳定性因素,为此国家标准对试样高度ho与直径do之比规定在1~3的范围内。本次实验采用10×15的圆柱形试样。

四、试验原理

试验时缓慢加载,试验机自动绘出压缩图(即F-Δl曲线)。

低碳钢试样压缩图如图2-1b所示。试样开始变形时,服从虎克定律,呈直线上升,此后变形增长很快,材料屈服。此时载荷暂时保持恒定或稍有减小,这暂时的恒定值或减小的最小值即为压缩屈服载荷FSC。有时屈服阶段出现多个波峰波谷,则取第一个波谷之后的最低载荷为压缩屈服载荷FSC。以后图形呈曲线上升,随着塑性变形的增长,试样横截面相应增大,增大了的截面又能承受更大的载荷。试样愈压愈扁,甚至可以压成薄饼形状(如图2-1a所示),而不破裂,所以测不出抗压强度。

铸铁试样压缩图如图2-2a所示。载荷达最大值Fbc后稍有下降,然后破裂,能听到沉闷的破裂声。

铸铁试样破裂后呈鼓形,并在与轴线大约成45°的面上破断,这主要是由切应力造成的。

四、试验结果处理

原始数据记录参考表2-1。

表2-1 原始数据记录表

据试验记录计算低碳钢的压缩屈服点和铸铁的抗压强度

                                                        (2-1)

          代入数据,接的为296.9MPa

                                  (2-2)

代入数据,接的为718.1MPa

五、思考题

1、低碳钢压缩后为什么成鼓形?铸铁压缩时如何破坏?为什么?

2、低碳钢拉伸有Fm, 压缩时测不出最大载荷,为什么说它是拉压等强度材料?为什么说铸铁是拉压不等强度材料?

六、实验报告要求

包括实验目的,设备名称、型号,实验记录(列表表示)与实验数据处理,实验后试样形状示意图,分析讨论。

附注:实验步骤

1.开机

打开电源及油泵电机,启动计算机及测试软件。

2.测量试样尺寸

用游标卡尺在试样高度中点处两个相互垂直的方向上测量直径,取其平均值。数据列表记录。

3.装夹试样,安装引伸计。软件参数调零。

4参量设置

包括试验曲线类型选择,试验力和变形窗口量程选择。

详细参数设置请参见附1-3--微机控制液压万能材料试验机。

5.测试

待一切准备工作完成后,正式测试。测试完毕,保存实验文件,数据分析输出,读取低碳钢压缩屈服载荷FSC。在实验过程中注意观察图形和数据显示窗口以及试样破坏情况。

6.卸载并取出试样

注意观察试样有何变化。

7.关机

注意清理实验现场,将相关仪器还原。

§2  梁弯曲正应力实验

一、实验目的:

1.测定矩形截面梁纯弯段应变、应力分布规律,为建立理论计算模型提供实验依据;将实测值与理论计算结果进行比较。

2.通过实验和理论分析深化对弯曲变形理论的理解,培养思维能力。

3.学习多点测量技术。

二、设备和仪器

    多功能力学试验台,YE2538A型电阻应变仪

三、矩形截面梁的结构、尺寸和纯弯曲加载方式

a=130mm     b=18mm    C=140mm   h=36mm

图2-1 夹层梁实验装置

矩形截面梁的结构、尺寸和加载方式如图2-1所示。梁采用铝合金材料。在梁的上、下表面各粘贴两枚应变片,以检查载荷是否偏斜,一个侧面上等间距地粘贴五枚应变片,其编号如侧视图所示。由于观察各点应变变化情况,因此,采用1/4桥,多点共温度补偿的方法进行测量。

四、实验步骤

1. 打开应变仪电源、预热。

2.测量

首先按下【MEAS】键使应变仪进入测试状态,然后观察负荷通道显示是否为零,若不为零,通过试验台的手柄将负荷调节为零。再通过数字键检查各测点的电桥状态是否为1/4桥、补偿1或2(依外接温度补偿片的点确定),在确认电桥选择无误后,分别通过数字键选择通道,然后点击【BAL】完成该测点的应变调零,依此类推,待各测点应变通道调零均完成后,才可开始加载,待载荷稳定后,测量各通道的应变值。

测完一组数据后,然后再将载荷卸到零,重复三次。

3. 完成全部试验内容,实验数据经教师检查合格后,卸掉载荷、关闭电源、拆下引线、整理好实验装置,将所用工具放回原处后方可离开实验室。

五、实验结果处理

根据所测各点应变,计算相应的实验应力值;再计算各点理论应力值。然后将实验应力值和理论应力值进行比较,计算它们间的相对误差。数据处理参考表2-1。

当梁在载荷作用下发生弯曲变形时,工作片的电阻值将随着梁的变形而发生变化,通过电阻应变仪可以分别测量出各对应点的实际应变值。然后根据胡克定律,计算出相应点的应力值

                            (3-6)

式中:为梁材料的弹性模量。

梁弯曲变形时,梁纯弯曲段横截面上的正应力理论计算公式为

                 (3-7)

式中:MIz分别为测点所在截面上的弯矩和该截面对中性轴的惯性矩,y为测点至中性轴的距离。

表2-1  实验数据记录和处理表

六、思考题:

1.矩形截面梁纯弯曲时应变分布规律如何?平截面假设是否还成立?应力分布规律又如何?

2.若将图2-1两加载点间距离C减得很小(如c=2b),其它试验条件不变,能否得到相同的试验结果?

七、实验报告要求

实验报告应包括:实验目的,实验原理简述,实验装置简图,仪器设备的名称、型号,数据记录和处理,误差分析等。

八、预习要求

1. 复习梁弯曲正应力公式推导过程和分析方法。

2. 参考数据处理列表,按实验要求,自已设计并绘制好本实验记录表格。

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