工程力学实验报告

实验一 拉伸时材料弹性模量的测定

一、实验目的

1、在比例极限内，验证虎克定律。

2、测定低碳钢的弹性模量Eo

二、实验设备

1、游标卡尺

2、球铰式引伸仪

用来测量微小线变形的仪器称为引伸仪，它可以将微小变形放大许多倍，提高测量精度。引伸仪种类很多，现介绍常用的球铰式引伸仪，此仪器的原理示意图如图1所示。试件夹持于上、下标距叉内，当试件标距L伸长△L时，下标距叉绕球铰B转动，试件伸长△L=AA’，由于AB=AC，所以CC’=2AA=2△L，千分表(或百分表)测出的距离则为2△L，又因千分表(或百分表)的放大倍数为1000(或100)倍，故球铰式引伸仪总的放大倍数

为K=2000倍(或K=200倍)。仪器标距有L=100mm和L=50mm两种。

3、油压式万能材料试验机

油压式万能材料试验机可以作拉伸、压缩、弯曲等多种试验，其构造可分为加载、测力和绘图三个部分。试验机的类型很多，下面以实验室使用的WE—10B型液压式万能试验机为例说明，图2是其构造原理示意图。

(1)加载部分

拉伸试件夹紧于上、下横梁1和2的夹头之间，上横梁1通过前后两光杆3与试验台4固结在一起，下横梁2则通过传动螺母支持在前后两丝杆5上。开动油泵电动机带动油泵6工作，将油箱中的油经油管(1)和控制阀7送入工作油缸8，推动工作活塞9使试验台4、光杆3及上横梁l上升，下横梁2不动，从而使试件受拉伸。如将试件放在下横梁2和试验台4之间，则试验台上升时，试件将承受压力。

为便于装夹不同长度的试件，可开启升降电机，通过减速器10传动链子，使丝杆5旋转，从而使下横梁2快速移动到适当位置。必须注意：

当试件已经夹紧或受力后，严禁再开启升降电机，以免损坏机器。

（2）测力部分

加载时，工作油缸8中的油压与试件所受的力成正比，如用油管（2）将工作油缸与测力油缸11联通，此油压推动测力活塞2向下移动，带动拉杆13，使摆锤14绕支点转动，同时摆上的推板15便推动线轮架16沿导轨移动，使指针17旋转，指针转动的角度与试件受力大小成正比，于是在测力度盘18上便可读出试件受力的大小。理换三种锤重，可改变测力度盘的三种测力量程。该试验机的三种量程是：0~20KN、0~50KN、0~100KN。

加载前应消除上横梁、光杆与试验台的重量，办法是开动油泵电动机送油，使上横梁1升起1cm左右，转动调零旋钮调整度盘使指针对准零点。

（3）绘图部分

用于绘制试件受力P和变形△L的关系曲线。加载时，线轮架16移动，其上装的绘图笔随之移动绘出载荷P，与此同时，试验台4上升，现之相联的齿杆19也上升，经齿轮传动而使绘图圆筒20旋转，绘出试件的变开△L，从而P-△L曲线即被绘制下来。

三、实验原理

在比例极限内，材料服从虎克定律，其关系式是

为了验证虎克定律和提高测量精度，采用等量加载法，即每次增加相等载荷△P，由引伸仪观察其伸长增加量也基本相等，同时观察P-△L曲线为—斜直线，这就验证了虎克定律的正确性。

设试件横载面积为A，引伸仪标距L，各级载荷增量为△P，各级伸长增加量为△（△L），则得到增量法测弹性模量公式为：

四、实验步骤

1、测量试件尺寸，记下横载面平均直径d。

2、拟订加载方案，用等量加载法，逐级增加等量载荷，最大应力值不能超过比例极限，碳钢一盘取屈服极限σ_S的70~80%，加载级数至少应有4~5级。

3、根据最终载荷的大小，选择合适的测力度盘。调整测力指针，对准“零”点。

4、装夹试件。将试件装夹在试验机的上夹头内，开动面器使下夹头移到合适位置，夹紧试件下端。

5、小心、正确地将引伸仪安装在试件上，调整引伸仪指针至“零”点。

6、开动试验机，缓慢均匀地逐级加载，逐级记录引伸仪的读数，同时计算前后两次读数差，以此判断实验是否正常，直至最大载荷为止。

7、卸载，取下引伸仪。

五、注意事项

1、试件夹住后，不得再调整下横梁的位置。

2、加载、卸载均应缓慢进行。

3、机器开动后，操作者不得中途离开，听到异声或发生故障应立即停车。

4、实验过程中不得触动摆锤，以免影响读数。

拉伸时材料弹性模量测定实验报告

一、实验数据记录

试件直径：d= mm，横载面面积A= mm²，引伸仪标距：L= mm，放

大倍数：K=

二、弹性模量E的计算

三、思考题

1、如何从测试的数据验证虎克定律的正确性？

2、测定E时，最大载荷如何确定？为什么最大应力不能超过比例极限？

实验二 低碳钢和铸铁的拉伸、压缩实验

一、实验目的

1、观察低碳钢、铸铁在拉伸、压缩过程中的变形及破坏现象，并绘出P-△L曲线。

2、测定材料的强度指标及塑性指标。

3、比较塑性材料和脆性材料在拉伸和压缩时的力学性能。

二、实验设备

1、游标卡尺

2、油压式万能材料试验机

三、试件

1、拉伸试件

实验表明，试件尺寸和形状将影响试验结果，为了避免这种影响和便于比较不同材料的力学性质，在国家标准（金属拉伸试验试样）GB6397-86中，对试件尺寸和形状作出了统一的规定。试件可制成圆形或矩形载面，圆形载面试件如图3所示。

图3 圆形载面拉伸试件

拉伸试件按尺寸又分为比例试件和定标距试件两种。比例试件是指标距长度与横载面面积间具有下面比例关系的试件。

式中系数K通常为5.65或11.3，前者称为短试件，后者称为长试件。所以直径为d的短、长圆形试件的标距L应分别等于5d和10d。定标距试件的标距与其载面面积无上述比例关系，其标距由制品（薄板、细管、型材等）的尺寸的材料的性质决定。

2、压缩试件

根据国家标准GB7314-87，金属材料的压缩试件一般制成短圆柱形，如图4所示。试件长度L=（1.5~3.5）d。为了使试件尽量承受轴向压力，试件两端面必须平行并垂直于轴线，两端面还应加工得光滑，以减小摩擦力的影响。

四、实验过程

1、试件准备

分别测量拉伸与压缩试件的尺寸，记下最小横载面平均直径d，其中低碳钢拉伸试件还要刻划出标距长度L=100mm。

2、安装试件，拨动测力度盘上的从动针使其与主动针重合，调整好自动绘图仪上的纸与笔。

3、低碳钢拉伸实验

（1）开动油泵电机，缓慢匀速加载，注意观察自动绘图仪上绘制的P△L曲线（图5）及测力指针的转动。拉伸图的第一阶段应是直线，因为拉力与变形成正比，但因开始加载时，试件头部在夹头中的滑动很大，所以拉伸图最初一段是曲线。

（2）当测力指针停止转动，接着倒退并来回摆动，P-△L曲线形成锯齿形，此时为材料的屈服阶段，记下测力指针回摆所示的最小载荷，即为屈服载荷P_S。

（3）继续加载，试件明显变长变细，P△L图呈曲线上升，为强化阶段。当加载达到最大载荷P_b时，测力指针发生倒退，P-△L曲线下降，试件局部产生颈缩，直到断裂。试件断裂后立即停机，由从动针读出最大载荷P_b，并记录下来。

（4）将断裂试件的两段对齐并尽量靠紧，测量断裂后标距的长度L₁及颈缩处横载面的最小值径d₁。

4、铸铁拉伸实验

开机，缓慢加载，当载荷达到最大值P_b时，断裂突然发生，记下最大载荷P_b停机，观

察P-△L曲线（图6）的特点，曲线微弯，无屈服及颈缩现象，变形极小，断口位于横载面，呈晶粒状。

5、低碳钢压缩实验

将试件两端面涂以润滑油，然后准确地放在试验机球形支承垫板中心处，开机，缓慢均匀加载，注意观察测力指针的转动，当指针出现短暂停留，表示达到屈服载荷PS，但是这时并不象拉伸那样有明显的屈服阶段，故常借助绘图仪上绘出的压缩图（图7）来帮助判断，压缩图中直线段后出现变形增长较快的非线性小段时，表示材料到达屈服。继续加载，试件塑性变形迅速增长，横载面积增大，承载能力也随之增大，P-△L曲线呈向上翘起的曲线形式，试件最后被压成鼓形而不断裂。

6、铸铁压缩实验

铸铁压缩时没有屈服现象，变形较小（图8），达到最大载荷Pb时突然破裂，断口与轴线约成45°。

低碳钢和铸铁的拉伸、压缩实验报告

一、拉伸实验

1、试件尺寸记录表

2、实验数据记录表

3、实验资料整理结果

二、压缩实验

1、实验数据记录表

2、实验资料整理结果

三、思考题

1、低碳钢的P-△L曲线的初始加载阶段为何不为直线？

2、低碳钢拉伸实验测出σs和σb是不是试件在屈服和断裂时的真实应力？为什么？

3、试分别比较低碳钢和铸铁在拉伸和压缩时的力学性能。

4、铸铁在拉伸和压缩时所表现的力学性能有何不同？破坏断口有何不同？为什么？

实验三 圆轴扭转实验

一、实验目的

1、在比例极限内验证扭转虎克定律，测定低碳钢的剪切弹性模量G。

2、观察低碳钢的扭转破坏现象，并测定其剪切屈服极限τ。和剪切强度极限τ_b。

3、观察铸铁的钮转破坏现象，并测定其剪切强度极限τ_b。

二、实验设备

1、游标卡尺

2、扭转测G仪

1、左横杆 2、左悬臂杆 3、固定支座

4、试样 5、百分表 6、右横杆

7、右悬臂杆 8、右转动支座 9、力臂 10、砝码

技术规格

1、试样：直径d=10mm

标距：Le=60-150mm可调

材料：A3钢

2、力臂：长度a=200mm

产生最大的扭矩T=4N·m

3、百分表：触点离试样曲线距离b=100mm

放大倍数K=100/格/mm

4、法码：4块，每块重5N；砝码托作初载荷，To=0.26N·m，扭矩增量△T=1N△m

5、自重（不包括砝码）：3kg

6、外形尺寸：264×250×250mm³

7、精度：误差<5%

3、K-50型扭转试验机

这种试验机由加载、测力、测扭转角和自动绘图四部分构成。试验机的外形见图10，其传动系统如图11所示。

图11 K-50型扭转型试验机传动系统

在剪切比例极限内，扭矩M和扭转角φ间保持正比关系，其公式为

式中I_P为圆载面的极惯性矩，L为标距。现测E实验相同，采用等量加载法逐级加载，如每次增加相等的扭矩△M，扭转角的增量△φ基本相等，这就验证了扭转虎克定律。根据测得的各级扭转角度△φ，则由上式可算出剪切弹性模量：

2、低碳钢扭转时力学性能的测定

试件受扭转时，试验机可自动绘出扭矩和扭转角的关系曲线M-φ曲线。图12所示为低碳钢的扭转图。

图12 低碳钢扭转图

在试件受扭的初始阶段，扭矩M与扭转角φ成正比关系，即M-φ图的直线部分。当材料进入屈服阶段时，扭矩M突然下降，测力指针几乎不动或摆动，指针摆动的最小值即为屈服扭矩Ms。随后，材料进入强化阶段，变形增加，扭矩随之增加，直到试件破坏。因扭转时试件无颈缩现象，所以M-φ曲线一直上升而无下降，试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Mb。根据国家标准GB10128-88规定；扭转屈服极限τ_s及扭转条件强度极限τ_b分别为

（1）加载部分

试件装夹于活动夹头1和固定夹头2之间，两夹头间的距离可通过调距手柄3调整。

手摇加载：转动手摇柄6，带动变速箱7中的蜗轮蜗杆转动，经传动轴8传动箱18驱动活动夹1旋转，使试件受扭。

电动加载：取下手摇柄6，按下电动机开关9，起动电机10，经变速箱7中的齿轮、蜗轮蜗杆以及传动主轴8传递，试件便获得快速加载。

（2）测力部分

固定夹头2与摆杆11安装在同一轴上，当试件受扭时，扭矩通过固定夹头使摆杆11抬起，摆锤13的重力矩与试件所受的扭矩始终保持平衡，因此摆锤力矩就是试件所受之扭矩。摆杆11抬起时推动测力度盘12下面的齿条，从而使测力指针转动，指示出试件所受扭矩的大小。

更换摆锤的重量可得到测力度盘的三种量程，0~100N·m、0~200 N·m、0~500 N·m。

（3）测扭转角

传动主轴8除带动活动夹头1转动外，还带动另一端的测角度盘15转动，度盘上的刻度便指示出试件扭转角的大小。度盘量小刻度为1°，因此只适用于测量大变形。测量度盘上还附有一个计数器，可以指示出试件扭转的总圈数。

（4）自动绘图

自动绘图器17的笔夹由推动测力指针的齿条带动，而绘图圆筒则与传动主轴8联动，因此能自动绘出M-φ曲线，纵坐标为扭矩M，横坐标为扭转角φ。

三、试件

圆轴承受扭矩时，材料处于纯剪应力状态，因此常用扭转试验来测定不同材料在纯剪作用下的力学性能。

国家标准《金属室温扭转试验方法》GB10128-88规定，扭转试件可采用圆形截面，也可采用薄壁管，并且推荐，对于圆形截面试件，采用直径d=10mm，标距L=50mm或L=100mm，本试验采用圆形截面试件。

四、实验原理

1、测定低碳钢的剪切弹性模量G

低碳钢试件的破坏断面与轴线垂直，断口平齐，有回旋状塑性变形痕迹，这表征试件破坏是在剪应力作用下引起切断的结果。

2、铸铁扭转时力学性能的测定

铸铁的扭转曲线如图13所示，从开始受扭至破坏，变形很小，M-φ曲线上近似为一直线，试件破坏时扭矩为M_b，则扭转强度极限。

铸铁试件的破坏断面与轴线成45°螺旋面，断面呈晶料状，这是在正应力作用下形成的脆性断口。

五、实验步骤

1、桌面目视基本水平，把仪器放到桌上（先不要加砝码托及砝码）。

2、调整两悬壁杆的位置大致达到选定标距。固定左悬臂杆，再固定右悬臂杆，调整右横杆，使百分表触头距试样轴线距离b=100mm，并使表针予先转过10格以上。Bb值可不调，而按实际测值计算。

3、用游标卡尺准确测量标距，作为实际计算用。

4、挂上砝码托，记下百分表的初读数。

5、分4次加砝码，每加一块，记录一次表的读数。加砝码时要缓慢放手。

6、卸装砝码。测G实验结束。

7、开始扭转破坏实验。选择合适的测力盘，并配置相应的摆锤。调整测力指针，对准零点。

8、将试件装入试验机夹头内。

9、用手摇缓慢加载，逐级增加载荷，直到低碳钢屈服极限，记下屈服极限值。

10、根据低碳钢的剪切强度极限τb，估计最大扭矩Mb，选择合适的测力度盘。调整好自动绘图器，将测角度盘调零。手摇缓慢加载，注意观察测力指针的转动情况下，当指针停顿或后退时记下主动指针摆动的最小值即为Ms。经过屈服阶段后，可用电动快速加载直到剪断为止，停机，记下从动指针所指数值即为Mb，同时记下总扭转角φ的数值。

11、安装铸铁试件，手摇缓慢加载至试件断裂，记录最大扭矩Mb和总扭转角φ。

六、注意事项

1、电动加载时，要先取下手摇柄。

2、试件要夹紧，以防开车后打滑。

3、试验过程中不得触动摆锤。

圆轴扭转实验报告

一、低碳钢剪切弹性模量G的测定