实验三 扭转实验
一、实验目的
1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力s τ和抗扭强度b τ。
2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度b τ。
3.绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。
二、实验设备和仪器
1.扭转试验机
2.游标卡尺
三、实验试样
按冶金部标准采用圆形截面试件，两端成扁圆形。如图1所示。
图1 扭转试件图
圆形截面试样的直径mm 10=d ，标距d l 5=或d l 10=，平行部分的长度为mm 20+l 。若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。
由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB10128—88。
四、实验原理与方法
1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标
试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩es M ，低碳钢的扭转屈服应力为
p
es
s 43W M =
τ （１）
式中：16/3p d W π=为试样在标距内的抗扭截面系数。
在测出屈服扭矩s T 后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩eb M ，低碳钢的抗扭强度为
p
eb
b 43W M =τ （２） 对上述两公式的来源说明如下：
低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的?-e M 图如图12所示。当达到图中A 点时，e M 与?成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力s τ，如能测得此时相应的外力偶矩ep M ，如图13a 所示，则扭转屈服应力为
p
ep s W M =
τ （３）
经过A 点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图2b 所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图2c 所示的情况，对应的扭矩s T 为
图1
低碳钢的扭转图
s
s
s
（a ） （b ） （c ）
图2 低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布
（a ）p T T =；（b ）s p T T T <<；（c ）s T T =
s p s 3
d/2
2
s d/2 0
s s 3
4
12
d 2d 2ττπρρπτρπρρτW d T ==
==?
?
由于es s M T =，因此，由上式可以得到
T p
es
s 43W M =
τ （４） 无论从测矩盘上指针前进的情况，还是从自动绘图装置所绘出的曲线来看，A 点的位置不易精确判定，而B 点的位置则较为明显。因此，一般均根据由B 点测定的es M 来求扭转切应力s τ。当然这种计算方法也有缺陷，只有当实际的应力分布与图2c 完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料差异是比较大的。从图1可以看出，当外力偶矩超过es M 后，扭转角?增加很快，而外力偶矩e M 增加很小，BC 近似于一条直线。因此，可认为横截面上的切应力分布如图1-7c 所示，只是切应力值比s τ大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩eb M ，可求得抗扭强度为
p
eb
b 43W M =
τ （５）
2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标
对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩eb M （方法同2），抗扭强度为
p
eb
b W M =
τ （６） 由上述扭转破坏的试样可以看出：低碳钢试样的断口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成 45角，表明破坏是由拉应力引起的。
铸铁属脆性材料，扭转变形很小时就被扭断，其φ-T 曲线见图3－22，由于φ-T 曲线近乎一直线，所以b τ可按线弹性公式计算，即式（3－36）。
图3－22 铸铁扭转试验曲线 图3－23 碳钢（左）、铸铁（右）扭转断口
3. 切变模量G 测定
根据国家标准，G 的测定可用图解法，即根据记录的φ-T 曲线，读取直线段上相应的扭矩和扭角增量，然后代入下式计算G 值。
p
e
I l T G ????=
φ （3－29） 式中e l 为安装扭角仪的标距。
除图解法外，还可用逐级加载法测定G 。试验时，对试样施加预扭矩，预扭矩一般不超过预计的规定非比例扭矩015.0p T 的10%。安装上扭角仪，见图3－21，并调整读数，或记下此时的φ角初读数0φ，它与
试件
预加扭矩0T 相对应。在弹性直线段范围内，取n T 为最大试验扭矩，将欲加之扭矩分为n 等分，n ≥5，即每级扭矩增量为：
n
T T T n 0
-=
? （3－30） 记录每级扭矩T i T T i ?+=0及对应的扭角i φ，读取每对数据对的时间以不超过s 10为宜。计算出平均每级扭角增量：
n
n
n
n n
i i i
n i i
m 0
1
11
)
(φφφφ
φφ-=
-=
?=
?∑∑=-= （3－31）
代入式（3－29），得
p
e n n p e
m I l T T I l T G ?
--=???=
00φφφ （3－32） 在测出各组i T 、i φ值后，也可用最小二乘法求出G ，做法与求E 、μ的方法相同，不再重复。 以上是用测量扭角φ的方法来确定G ，除此之外，也可用电阻应变片测量应变的方法测出G 值（沿与轴向成 45方向贴片），有兴趣的同学可自行推导其测试原理。
图3－21 扭角仪的安装
五、试验步骤
（1） 测量试件尺寸，方法如前所述。
（2） 调整试验机夹头位置，装夹试件，转动夹头暂不夹紧，试件不受扭矩作用。
（3） 进行计算机设置，选择扭矩、转角、量程和加载速度、输入文件名等，然后将T 、φ的初始读数置零。根据国标GB10128－88规定，试件屈服前扭转速度为30~6(o )/min ，屈服后不大于360(o )/min 。
（4） 夹紧试件。
（5） 点击“正转”，开始加载试验。对于低碳钢试件，首先做G 值测试。然后记录φ-T 曲线，注意s T 、b T 及总扭角φ的值。对于铸铁试件，记录φ-T 曲线，注意b T 及总扭角φ的值。
（6） 试件被扭断，试验机自动停机，计算机打印试验结果（φττ,,,,b s b s T T 等）及φ-T 曲线。
五、 记录表格
试件直径量测记录（mm）
G值测量记录表
六、讨论问题
（1）比较低碳钢和铸铁试件受扭破坏的断口，分析破坏原因。
（2）根据低碳钢、铸铁的拉、压、扭试验结果，综合分析这2种材料的力学性能。
实验四 材料弹性常数E 、μ测定
一、实验目的
1.测定材料的弹性模量E 和泊松比μ。
2.验证胡克定律。
3.学习电测法原理和多点测量技术。
二、实验设备和仪器
（1） 材料力学组合实验台。
（2） 应变仪（YJ －31、YE2538A 或其他型号）。 （3） 游标卡尺、钢尺各1把。
三、原理和方法
应变测量采用多点1/4桥公共补偿法。为减少误差，也为了验证胡克定律，采用等量增载法，加载五次。即F i ＝ F 0 ＋ iΔF （i ＝ 1，2，……5），末级载荷F 5不应使应力超出材料的比例极限。初载荷F 0时将各电桥调平衡，每次加载后记录各点应变值。计算两纵向应变平均值1i ε和两横向应变平均值2i ε，按最小二乘法计算E 和μ。
∑∑?=
?i
i i bt
F
E 12ε （1）， μ=
21i
i
i i εε∑∑ （2）
图1
四、试验步骤
1.打开应变仪电源，预热。
2.试验台换上拉伸夹具，将力传感器上下位置调整合适，安装试样。
3.接线
将力传感器的红、蓝、白、绿四线依次接在测力专用通道（0通道）的A 、B 、C 和D 端。按多点1/4桥公共补偿法对各测量片接线，即将试样上的应变片分别接在所选通道的A 、B 端。所选通道B 、B’间的连接片均应连上。将补偿片接在补偿1（或2）的接线端子上。
4.设置参数
根据接线的方式设置应变仪的参数，包括力传感器的校正系数，各通道的组桥方式、应变片的灵敏系数和阻值等。载荷限值设置为1600N 。
5.平衡各通道电桥
使试样处于完全不受载状态。按[?]、[BAL]键，再依次按各通道（包括0通道）对应的数字键。仪器依次显示各通道的初始不平衡量，并将该值存贮在仪器内。
6.测量
按[MEAS]键，再缓慢加载，力显示屏数字从0开始不断增加。每增加300N ，就暂停加载，依次按各（应变通道对应的）数字键，右屏上就依次显示各点应变值，记录之。共加载五级，然后卸载。重复5，6两步骤，共测量三次。数据以表格形式记录。
五、实验结果及分析
将三组数据分别按表1-1作初步处理，从而找出线性关系最好的一组。再用这组数据按公式（1）和（2）计算E 、μ，计算步骤列表示出（参考表1）
表1
注： Δ1i ε=1i ε—11i ε-，Δ2i ε=2i ε—21i ε-
根据国家标准GB8653－88，在弹性范围内测出不小于8组的轴向力、轴向应变和横向应变的数据。
然后用最小二乘法分别对轴向应力与轴向应变和轴向应变与横向应变进行直线拟合，所得的两条拟合直线
之斜率就分别为E 和μ。计算式如下：
∑∑==--=
n i l li
n
i l i li n n E 12
21εεσ
εσε
（3）
∑∑==---
=n i l li
n
i t
l ti li n n 1
2
21
εε
εεεε
μ （4）
式中的脚标i 为测试的数据的组号，n ≥8，其中
A P
i i =σ （5）
∑==
n
i li
l n 11ε
ε （6）
∑==
n
i ti
t n
1
1ε
ε （7）
∑==
n
i i
n
1
1σ
σ （8）
如果测试的记录为l P ε-和l t εε-曲线，见图2，则取两曲线中的直线段，求出斜率，然后按式（9）、（10）计算出E 、μ值。
图2 E 、μ试验记录曲线示意
l A P
E ε??=
/0
（9） l
t
εεμ??-
= （10） 六、讨论问题
（1） 拉伸E 值测试时，为什么要在试样上对称贴片？
（2） 根据测出的E 、μ值，计算G 值，然后和网上查询到（或《设计手册》上）的硬铝材料给出的E 、μ和G 值相比较，相差多少？
补偿片
实验五梁弯曲正应力测试
梁在工程结构上的应用十分广泛，房屋、大堂、桥梁中的各种各样大梁、小梁是构成整座建筑的重要组成部分。掌握梁在载荷作用下的应力分布及大小，是进行梁设计的最基本知识。
试验目的
（1）
（2）掌握多点应变测量的方法。
仪器设备与工具
（1）材料力学组合实验台。
（2）应变仪（YJ－31、YE2538A或其他型号）。
（3）游标卡尺、钢尺各1把。
试样制作
图1 电阻应变片布置
在矩形截面梁上粘贴上如图1所示的2组电阻应变片，应变片1－5分别贴在横力弯曲区，6－10贴在纯弯曲区，同一组应变片之间的间隔距离相等。
测试原理与方法
测试原理见图2，在载荷P的作用下，梁的中段为纯弯区，弯矩为：
Pa
M
2
1
1
=（1）在左右两段为横力弯曲，贴片处的弯矩为：
Pc
M
2
1
2
=（2）
图2 纯弯曲、横力弯曲试验原理及弯矩
根据应变仪工作原理，按1/4桥接法，将10个测量片分别接到应变仪接线箱各电桥通道，共用一个补偿片。由应变仪测出各点的应变值ε，然后根据虎克定律求出各测点的应力，即：
εσE =
另一方面，由弯曲正应力公式知：
I
My
=
σ （3） 这样，根据贴片处的y 坐标值，可算出各测点的应力的理论值，并与实测值进行比较。 试验采用增量法，可施加的最大载荷为：
max P ≤[]σa
bh 32
（4）
然后选取适当的初始载荷0P ，分5级加载，每级载荷增量为：
5
max P P P -=
? （5） 试验步骤
（1） 测量测试件尺寸b 、h 及图2 中的a 、c 长度。
（2） 把各测点应变片接入各电桥的AB 桥臂上，把补偿片接入BC 桥臂，并把各桥的C 接线柱短接起来（公共补偿）。
（3） 调节应变仪灵敏系数，使K 仪=K 片。
（4） 加初始载荷0P 。
（5） 调试应变仪，并尽可能使初读数为零。如无法调零，则记下初读数，将加载时应变仪的读数减去初读数便得出对应于载荷变化的应变值。
（6） 加载试验，每级增量为P ?。
（7） 重复试验3次，取3次测试结果的平均值。
记录表格
（1） 有关的参数记录
应变片=R )(Ω，=K ，敏感栅尺寸：
梁截面=b )mm (，=h )mm (
力臂=a )mm (，横力弯曲贴片位置=c )mm (
（2）
应变测试数据记录（610-=με）
讨论问题
（1）在同一荷载下，应变沿梁的高度的变化如何？以实测结果的图线表示。
（2）由小到大，逐级施加载荷，梁上的应变分布规律怎样？用图表示实测的结果。
（3）比较梁弯曲正应力的实测结果和计算结果，画图表示。
（4）对横力弯曲，仍采用纯弯曲的正应力计算公式（1）计算正应力，计算结果与实验结果是否一致？
实验六 压杆稳定性实验
一、实验目的
1.测定两端铰支压杆的临界载荷cr F ，验证欧拉公式。
2.观察两端铰支压杆的失稳现象。
图1
二、实验原理
两端铰支的细长压杆，临界载荷cr F 用欧拉公式计算：
22
cr EI
F L π=
式中E 是材料弹性模量，I 为压杆横截面的最小惯性矩，L 为杆长。这公式是在小变形和理想直杆的条件下推导出来的。当载荷小于cr F 时，压杆保持直线形状的平衡，即使有横向干扰力使压杆微小弯曲，在撤除干扰力以后仍能回复直线形状，是稳定平衡。当载荷等于cr F 时，压杆处于临界状态，可在微弯情况下保持平衡。把载荷F 作为纵坐标，把压杆中点挠度δ作横坐标，按小变形理论绘制的F －δ曲线为图1中的OAB 折线。但实际的杆总不可能理想地直，载荷作用线也不可能理想地与杆重合，材料也不可能理想地均匀。因此，在载荷远小于cr F 时就有微小挠度，随着载荷的增大，挠度缓慢的增加，当载荷接近cr F 时，挠度急速增加。其F －δ曲线如图1中 OCD 所示。工程上的压杆都在小挠度下工作，过大的挠度会产生塑性变形或断裂。只有比例极限很高的材料制成的细长杆才能承受很大的挠度使载荷稍高于cr F （如图1中虚线DE 所示）。
实验测定cr F ，可用百分表测杆中点处挠度δ，绘制F －δ曲线的水平渐进线就得到临界载荷 。由于弯
曲变形的大小也反映在试样中点的应变上，所以也可在杆中点处两侧各粘贴一枚应变片，将它们组成半桥，记录应变仪读数du ε，绘制F －du ε 曲线。作F －du ε 曲线的水平渐进线，就得到临界载荷cr F 。
三、实验步骤
1.测量试样尺寸
用钢板尺测量试样长度L ，用游标卡尺测量试样上、中、下三处的宽度b 和厚度t,取其平均值。用来计算横截面的最小惯性矩I 。
2.拟定加载方案，并估算最大容许变形
按欧拉公式计算cr F ，在初载荷（200N ）到0.8cr F 间分4～5级加载，当加载力值超过0.8cr F 时就改为每次加载20N 记录数据。接近临界载荷时，改为每次加载5N 记录数据。
取许用应力[σ]＝200MPa ，按下列公式估算容许最大应变仪读数max du ε：
[]max
2
cr du F E bt εσ+≤ 3.力传感器接线，设置参数
将力传感器的红、蓝、白、绿四线依次接在0通道的A 、B 、C 和D 端。设置力传感器的校正系数， 载荷限值设置为1500N 。 4.安装试样
试样两端应尽量放置在上、下V 形座正中央。将试样两侧的应变片组成半桥，并对所选通道设置参数。未加载时平衡测力通道和所选测应变通道电桥，然后转入测量状态。加200N 初载荷后，记录应变仪读数。
5.按方案加载，记录数据。
按方案加载，每级加载后，读取载荷值和应变仪读数。接近临界载荷时，改为每次加载5N 记录数据。当加载5N 应变增量绝对值达到500με，就改为每次加载1N 。当连续有三次加载的应变增量绝对值都超过100με时就可以停止实验。实验数据以表格形式记录。
6.卸去载荷，实验台恢复原状。
四、实验结果及分析
根据实验数据绘制F －du ε 曲线，作它的水平渐进线，确定临界载荷cr F 实验值。
根据尺寸测量数据计算宽度和厚度的平均值，从而计算最小惯性矩min I ，用欧拉公式计算临界载荷cr
F 理论值，以理论值为准计算临界载荷实验值的相对误差。
表1
五、讨论问题
实测的δ
P曲线自始至终都是非线性的，为什么？
-
演示实验一 冲 击 试 验
工程上的许多构件在工作时会受到冲击荷载的作用，如车辆在凹凸不平的路面上高速行驶，飞机降落至跑道时，发动机在爆炸冲程时，防弹衣遇上子弹时，以及运行中的齿轮在离合时，都不可避免受到冲击载荷的作用。众所周知，冲击会造成机件的损坏，以致发生事故。为了掌握材料在冲击载荷作用下的力学性能，必须进行冲击试验。在工程上，一般采用“冲击吸收功”来衡量材料抵抗冲击破坏的能力。冲击吸收功的值除了与材料本身的品质、晶粒大小有关外，还与试验的温度有关。为了正确测试材料受冲击时的力学性能，必须根据国家标准进行冲击试验。冲击试验有多种方法（简支梁冲击、悬臂梁冲击、拉伸冲击），本次试验采用金属夏比缺口冲击试验方法，见国家标准GB/T229－1994。
试验目的
1.测定中碳钢和铸铁的冲击吸收功kv A ，掌握常温下金属冲击试验的方法。
2.比较两种材料的冲击断口和抗冲击能力。
仪器设备与工具
1.冲击试验机（JB －300B 或其他型号）。
2.游标卡尺。
试样制作
根据国家标准GB/T229－1994《金属夏比缺口冲击试验方法》，试样的外形尺寸如图1（单位：mm ）。
图1 夏比V 形缺口试样
试验原理
把冲击试件放在试验机的支座上，冲击机摆锤从高度H 自由落下，冲断试件后，剩余能量使摆锤继续向前，并升起至高度1H ，试件被冲断所吸收的功为：
21)(W H H Q A kv --= （1）
式中Q 为摆锤重量，2W 为摆锤在下落和摆起时克服空气阻力、轴承摩擦所消耗的功。冲击试验机刻度盘上的标尺读数，是按式（1）刻划出来的，并可调节拔杆，使没装上试件空打时指针示值为0J 。因此，冲断试件时试件所吸收的功kv A 可直接从刻度盘指针处读出，单位为J 。
在冲击试件上制作V 形缺口是为了研究材料在截面面积急剧变化而产生高度应力集中的情况下抵抗冲击的能力和产生脆化的情况。许多承受冲击载荷的实际构件表面带有类似的V 形缺口，如联接螺栓带有螺纹缺口。在摆锤冲击下，试件由V 形缺口处折断。试件断口形状见图2。
图2 铸铁（左）和中碳钢（右）试件断口形状
试验步骤
a) 记录试验时的室温。
因为kv A 对温度的变化也很敏感，当温度降低至某一区域时，材料会出现冷脆性，导致kv A 骤然下降。不同的材料有不同的韧脆转变温度。根据国标GB/T229－1994规定，室温冲击试验应在C 35~10内进行，对温度要求严格的冲击试验应在C )220( 内进行。
b) 测量试件尺寸。
c) 试验机空打一次，检查指针是否指零。如不指零，可调节拔杆位置，使空打时指针指零。 d) 按“取摆”按钮，摆锤自动升起。
e) 安放中碳钢冲击试件，并把指针拔至最左边。 f) 按“脱销”按钮，保护销缩回。 g) 按“冲击”按钮，摆锤下落。冲击试件后又会自动回摆升起至原来的高度，准备下一次的冲击。 h) 读取冲击吸收功后，再将指针拔至最左边。 i) 安放铸铁冲击试件，再重复步骤6和7。 j) 按“脱销”按钮，再按“放摆”按钮，直至摆锤下降至垂直位置时松开按钮，结束试验。
注意事项
k) 操作人员必须认真负责，注意安全。
l) 摆锤摆动范围内，严禁人员进入，严禁放置障碍物。
讨论问题
分析比较中碳钢和铸铁在冲击载荷作用下所表现的力学性能和破坏特征。
P 2
a 1
3
演示实验二 疲 劳 试 验
在工程上，有些构件处于交变应力（即随时间而作周期性交替变化的应力）的作用下，如各种发动机的转轴、车辆的轮轴、钢轨以及各种减振弹簧等。虽然这些构件的实际应力水平远小于它的强度极限，也会发生突然断裂。即使是塑性性能较好的材料，在断裂前也无明显的塑性变形，这种现象称为疲劳失效。正因为这种疲劳失效在破坏前一般看不出任何征兆，而破坏又往往在运行中突然发生，所以易造成重大事故。由此可见，测定材料的持久极限就具有十分重要的实际意义了。疲劳试验有轴向、弯曲、扭转等多种方法，本次试验采用旋转弯曲疲劳试验方法，见国家标准GB4337－84。由于疲劳试验需要13根以上的试件才能测定条件疲劳极限，而且做完这些试件的试验需要许多天的时间，因此，本次试验为演示试验。
试验目的
（1） 了解测定材料疲劳极限的方法。 （2） 观察已疲劳失效试件的断口特征
仪器设备与工具
（1） 纯弯曲疲劳试验机PQ －6。 （2） 游标卡尺。
试验原理
根据国家标准GB4337－84的要求制作加工试件，然后把试件装夹在PQ －6试验机的两夹头上，在悬挂砝码的重力P 作用下，试件受到纯弯曲的作用。电动机带动试件旋转，每转一圏，试件上的应力就产生一个交变循环，见图1。
（a ）
1010
10
10
max
N (次)
(MPa)
360
370380
390
400
最大应力
m a x (M P a )
（b ）
1－粗糙口；2－光滑区；3－裂纹源
图1 纯弯曲疲劳试验原理
在交变应力循环中，最小应力和最大应力的比值：
max
min σσ
=R （1）
称为循环特征或应力比。在规定应力或应变的作用下，材料失效前所经受的循环次数N 叫做材料在规定应力或应变下的疲劳寿命。显然，在同一R 值下，max σ越大，疲劳寿命越短；max σ越小，则疲劳寿命越长。表示最大应力max σ与寿命N 的关系曲线叫做N S -曲线或应力－寿命曲线，见图2。
图2 应力－寿命曲线
黑色金属的试样在经过107循环后仍未失效的话，则再增加循环的次数也不会失效。因此，我们把经受107循环而仍未失效的最大应力称为持久极限，把107称为循环基数，即710=c N 。
有色金属的N S -曲线在N 很大时往往仍然继续下降而未趋于水平，因此，对这类材料只能规定一定的循环次数作为循环基数，通常c N ≥710，把经受c N 次循环而未疲劳破坏的最大应力称为条件疲劳极限。
实验测定材料疲劳极限D σ和条件疲劳极限)(N R σ时采用升降法，并且规定：D σ为当N 为无穷大时的中值疲劳强度，对钢铁材料，一般取710=N 次；)(N R σ为对应于规定循环次数的中值疲劳强度。
升降法测定条件疲劳极限
采用升降法测定条件疲劳极限，有效的试样数量在13根以上。应力增量一般为预计的条件疲劳极限的3%~5%。试验一般在3~5级应力水平下进行。第一根试样的应力应取略高于预计的条件疲劳极限。根据上一根试样的试验结果（破坏或通过），决定下一根试样的应力（降低或升高一级），直至完成全部试验。第一对相反结果以前的数据，如在以后试验数据的应力波动范围之外，则予以舍弃；如在以后试验数据的应力波动范围内，则作为有效数据加以利用，即在试验过程中应陆续将它们平移到第一对相反结果之后，作为该试样所在应力水平下的第一个有效数字。试验过程如图3。
图3 升降法试验
试验完成后，把结果代入下式计算条件疲劳极限的值。
∑==p
i i
i N R V m
1
)
(1σ
σ （3－51）
式中：m 为有效试验的总次数（破坏或通过数据点均计算在内）；p 为试验应力水平级数；i σ为第i 级应力水平；i V 为第i 级应力水平下的试验次数；p i ,,2,1 =。
显然，用（3－51）式计算出的)(N R σ是以试验次数为权的加权应力平均值。由统计分析知，)(N R σ存活率为50%，即疲劳寿命高于规定值的占50%。如要获得不同存活率的条件疲劳极限，则应根据实验结果进行数理统计分析，然后才能给出任一存活率的条件疲劳极限。
N S -曲线的测定方法
图4 N S -曲线（选自GB4337-84）
测定N S -曲线时，通常至少取4~5级应力水平。用升降法测得的条件疲劳极限作为N S -曲线的低应力水平。其他3~4级较高应力水平下的试验，则采用成组试验法，每组试样数量的分配，取决于试验数据的分散度和所要求的置信度，并且随应力水平的降低通常要增加试样根数，一般一组试件为5根左右。试验的结果如图4所示。这样的中值N S -曲线，存活率也是50%。
试验步骤
（1）检查试件及量测试件尺寸。
（2）试验机试运行，空转，检查是否正常。
（3）装夹试件。检查静态主轴径向跳动量不得大于0.03mm ，加载间距为mm )1150(±，空载正常运行
时在加力部位的径向跳动量不得大于0.06mm。
（4）加载之前开动电机，然后转动加载手轮，把荷载平稳地加上去，紧接着记下转数计的初读数。
（5）试件疲劳断裂，试验机自动停机，记下转数计的末读数。将末读数减去初读数后乘以100便得出相应这一级应力水平下的这一根试件的疲劳寿命N。
（6）重复步骤3~5，继续做完其他试件的试验。
注意事项
注意安全，没有准备好之前，不得开启电机，以免损坏机器及造成人身伤害。
力学实验报告标准答案
长安大学力学实验教学中心 目录 、拉伸实验? 、压缩实验? 三、拉压弹性模量E测定实验? 四、低碳钢剪切弹性模量G测定实验? 五、扭转破坏实验-10
六、纯弯曲梁正应力实验? 12 七、弯扭组合变形时的主应力测定实验? 15 八、压杆稳定实验"8
、拉伸实验报告标准答案实验目的: 见教材 实验仪器 见教材实验结果及数据处理：例:（一）低碳钢试件
服应力 (T s = P s /A _273.8 _MP a 屈度极限 (T b = P b /A _411.3 MP a 强试验前 试验后 最小平均直径d= 10.16 mm 最小直径d= 10.15 mm 截面面积A= 81.03 mm 2 截面面积A1= 80.91 mm 2 计算长度L= 100 mm 计算长度L 忤 100 mm 试验前草图 试验后草图 1 ' 1 ''1 1 最大载荷P b =__14.4 KN P s =_22.1 KN P b =_33.2 ____ KN 塑性指标： 伸长率 厘100% L 68.40 % 33.24 % A A 1 面积收缩率 - 100% A 低碳钢拉伸图:
强度极限c b= P b / A = _ 177.7 — M P a 问题讨论： 1、为何在拉伸试验中必须采用标准试件或比例试件，材料相同而长短不同的试件 延伸率是否相同？ 答:拉伸实验中延伸率的大小与材料有关，同时与试件的标距长度有关.试件局部变形较大的断口部分，在不同长度的标距中所占比例也不同.因此拉伸试验中必须采用标准试件或比例试件，这样其有关性质才具可比性. 材料相同而长短不同的试件通常情况下延伸率是不同的（横截面面积与长度存在某种特殊比例关系除外）. 2、分析比较两种材料在拉伸时的力学性能及断口特征. 答:试件在拉伸时铸铁延伸率小表现为脆性，低碳钢延伸率大表现为塑性；低碳钢具有屈服现象,铸铁无.低碳钢断口为直径缩小的杯锥状，且有45 0的剪切唇， 断口组织为暗灰色纤维状组织。铸铁断口为横断面，为闪光的结晶状组织
实验日期_____________教师签字_____________ 同组者_____________审批日期_____________ 实验名称：拉伸和压缩试验 一、试验目的 1.测定低碳钢材料拉伸的屈服极限σs 、抗拉强度σb、断后延伸率δ及断 面收缩率ψ。 2.测定灰铸铁材料的抗拉强度σb、压缩的强度极限σb。 3.观察低碳钢和灰铸铁材料拉伸、压缩试验过程中的变形现象，并分析 比较其破坏断口特征。 二、试验仪器设备 1.微机控制电子万能材料试验机系统 2.微机屏显式液压万能材料试验机 3.游标卡尺 4.做标记用工具 三、试验原理（简述） 1
四、试验原始数据记录 1.拉伸试验 低碳钢材料屈服载荷 最大载荷 灰铸铁材料最大载荷 2.灰铸铁材料压缩试验 直径d0 最大载荷 教师签字：2
五、试验数据处理及结果 1.拉伸试验数据结果 低碳钢材料： 铸铁材料： 2.低碳钢材料的拉伸曲线 3.压缩试验数据结果 铸铁材料： 3
4.灰铸铁材料的拉伸及压缩曲线： 5.低碳钢及灰铸铁材料拉伸时的破坏情况，并分析破坏原因 ①试样的形状（可作图表示）及断口特征 ②分析两种材料的破坏原因 低碳钢材料： 灰铸铁材料： 4
6.灰铸铁压缩时的破坏情况，并分析破坏原因 六、思考讨论题 1.简述低碳钢和灰铸铁两种材料的拉伸力学性能，以及力-变形特性曲线 的特征。 2.试说明冷作硬化工艺的利与弊。 3.某塑性材料，按照国家标准加工成直径相同标距不同的拉伸试样，试 判断用这两种不同试样测得的断后延伸率是否相同，并对结论给予分析。 5
七、小结（结论、心得、建议等）6
矩形截面梁纯弯曲正应力的电测实验 一、实验名称 矩形截面梁纯弯曲正应力的电测实验。 二、实验目的 1．学习使用电阻应变仪，初步掌握电测方法； 2．测定矩形截面梁纯弯曲时的正应力分布规律，并与理论公式计算结果进行比较，验证弯曲正应力计算公式的正确性。 三、实验设备 1．WSG－80型纯弯曲正应力试验台 2．静态电阻应变仪 四、试样制备及主要技术指标 1、矩形截面梁试样 材料：20号钢，E=208×109Pa； 跨度：L=600mm，a=200mm，L1=200mm； 横截面尺寸：高度h=28mm，宽度b=10mm。
2．载荷增量 载荷增量ΔF=200N （砝码四级加载，每个砝码重10N 采用1：20杠杆比放大），砝码托作为初载荷，F0=26 N 。 3．精度 满足教学实验要求，误差一般在5%左右。 五、实验原理 如图1所示，CD 段为纯弯曲段，其弯矩为a 2 1 F M = ， 则m N M ?=6.20，m N M ?=?20。根据弯曲理论，梁横截面上各点的正应力增量为： z I y M ?= ?理σ （1） 式中：y 为点到中性轴的距离；Iz 为横截面对中性轴z 的惯性矩，对于矩 形截面， 12 bh I 3 z = （2） 由于CD 段是纯弯曲的，纵向各纤维间不挤压，只产生伸长或缩短，所以各点均为单向应力状态。只要测出各点沿纵向的应变增量ε?，即可按胡克定律计算出实际的正应力增量实σ?。 εσ?=?E 实 （3） 在CD 段任取一截面，沿不同高度贴五片应变片。1片、5片距中性轴z 的 距离为h/2，2片、4片距中性轴z 的距离为h/4，3片就贴在中性轴的位臵上。 测出各点的应变后，即可按（3）式计算出实际的正应力增量实σ?，并画出正应力实σ?沿截面高度的分布规律图，从而可与（1）式计算出的正应力理论值理σ?进行比较。 六、实验步骤 1．开电源，使应变仪预热。
一、 填空题 1. 对于铸铁试样，拉伸破坏发生在___________面上，是由___________应力造成的。压缩破坏发生在___________面上，是由_______应力造成的。扭转破坏发生在___________面上，是由_______应力造成的。 2. 下屈服点sl s 是屈服阶段中，不计初始瞬时效应时的___________应力。 3. 灰口铸铁在拉伸时，从很低的应力开始就不是直线，且没有屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段，因此，在工程计算中，通常取总应变为_______% 时应力—应变曲线的割线斜率来确定其弹性模量，称为割线弹性模量。 4. 在对试样施加轴向拉力，使之达到强化阶段，然后卸载至零，再加载时，试样在线弹性范围内所能承受的最大载荷将增大。这一现象称为材料的_____________。 5. 在长期高温条件下，受恒定载荷作用时材料发生_____________和_____________现象。 6.低碳钢抗拉能力_________抗剪能力。 7.铸铁钢抗拉能力_________抗剪能力。 8.铸铁压缩受_________ 应力破坏。 9. 压缩实验时，试件两端面涂油的目的是 ；低碳钢压缩后成鼓形的原因 。 10. 颈缩阶段中应力应变曲线下降的原因 11.已知某低碳钢材料的屈服极限为s σ，单向受拉，在力F 作用下，横截面上的轴向线应变为1ε，正应力为σ，且s σσ>；当拉力F 卸去后，横截面上轴向线应变为2ε。问此低碳钢的弹性模量E 是多少？( ) 12.在材料的拉伸试验中，对于没有明显的屈服阶段的材料，以 作为屈服极限。 13.试列举出三种应力或应变测试方法： 、 、 。 14.塑性材料试样拉伸时，颈缩处断口呈 状，首先 部分 破坏，然后 部分 破坏。 15.等直杆受轴向拉伸，材料为低碳钢，弹性模量E =200GPa ，杆的横截面面积为 A =5cm 2 ，杆长 l =1m 。加拉力F =150kN 后，测得 ?l = 4mm ，则卸载后杆的残余应变为 。 16.如图所示为低碳钢的ζ-ε曲线。与a 点对应的应力称为 ，与屈服阶段b 点对应
静拉伸试验 一、实验目的 1、测45#钢的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 2、测定铝合金的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象。 二、使用设备 微机控制电子万能试验机、0.02mm 游标卡尺、试验分化器 三、试样 本试样采用经过机加工直径为10mm 左右的圆形截面比例试样，试样成分分别为铝合金和45#，各有数支。 四、实验原理 按照我国目前执行的国家 GB/T 228—2002标准—《金属材料 室温拉伸试验方法》的规定，在室温1035℃℃的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头当中，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（一般应变速率应≤0.1m/s ），直到拉断为止，并且利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图。 试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形L ?主要是整个试样，而不仅仅是标距部分的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素，由于试样开始受力时，头部在头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。 塑性材料与脆性材料的区别： （1）塑性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ≥的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都比较大。塑性材料在发生断裂时，会发生明显的塑性变形，也会出现屈服和颈缩等现象； （2）脆性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ<的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。并且，大多数脆性材料在拉伸时的应力—应变曲线上都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，在断裂前不会出现明显的征兆，不会出现屈服和颈缩等现象，只有断裂时的应力值—强度极限。 脆性材料在承受拉力、变形记小时，就可以达到m F 而突然发生断裂，其抗拉强度也远远 小于45钢的抗拉强度。同样，由公式0m m R F S =即可得到其抗拉强度，而根据公式，10 l l l δ-=。 五、实验步骤 1、试样准备 用笔在试样间距0L （10cm ）处标记一下。用游标尺测量出中间横截面的平均直径，并且测出试样在拉伸前的一个总长度L 。 2、试验机准备：
材料力学 实验报告 对应课程 学号 学生 专业 班级 指导教师 成绩总评 学年第学期
目录 1.低碳钢及铸铁拉伸破坏实验???????????????(3 ) 2.低碳钢及铸铁压缩破坏实验???????????????(8 ) 3.引伸计法测定材料的弹性模量??????????????( 12 ) 4.低碳钢及铸铁扭转破坏实验???????????????(15) 5.载荷识别实验?????????????????????( 19) 成绩总评定 : 拉伸压缩测E扭转载荷识别
低碳钢及铸铁拉伸破坏实验 实验日期： 同组成员： 一、实验目的及原理 二、实验设备和仪器 1、试验机名称及型号： 吨位： 精度： 2、量具名称： 精度： 三、实验步骤 （一）、低碳钢、铸铁拉伸实验步骤：
四、试样简图 低碳钢试样 实验前实验后试 样 简 图 铸铁试样 实验前实验后试 样 简 图
五、实验数据及计算 低碳钢拉伸试验 （一）试件尺寸 (a)试验前 试件标直径d0( mm )最小横截距 横截面 1横截面 2横截面 3面面积L0平平平A (1)（2）(1)（2）（1） ( 2)02 ( mm )均均均( mm ) (b)试验后 断后标断口直径 d 1 ( mm )距 L1 12平均( mm )断口（颈缩处）最小横截面面 积 A1 ( mm2 ) 屈服极限：强度极限：断后延伸率： F s s (MPa) A0 F b b (MPa) A0 ( L 1 L O ) 100% L0
A0 A1100% 断面收缩率： A0 铸铁拉伸试验 (a)试验前 试件标直径d0( mm )最小横截距 横截面 1横截面 2横截面 3面面积L0平平平A (1)（2）(1)（2）（1） ( 2)02 ( mm )均均均( mm ) (b)试验后 F b 强度极限：b(MPa ) （二）绘出低碳钢的“力—位移、及铸铁的“ 力－位移”曲线低碳钢铸铁
填空题 1、应变仪的灵敏度系数K—2.30，应变片的灵敏度系数K^ 2.06，仪器的读数是“=400」；，则实际的应变值是；=()。 2、在进行电测试验时，若将两个电阻值相等的工作片串联在同一桥 臂上，设两个工作片的应变值分别为S1、◎，则读数应变( ) 3、当应变计与应变仪连接的导线较长时，例如大于50 m以上，由于导线本身有一定电阻值，它和应变计一起串联在应变电桥的桥臂上而又不参加变形，这将使指示应变小于真实应变，可以通过改变应变仪的 _______ 来修正。 4、有一粘贴在轴向受压试件上的应变片，其阻值为120“，灵敏系数K =2.136。问：当试件上的应变为-1000?时，应变片阻值是多少？ 5、工程测量中，应变电桥的接法有 --------- 、和 等几种。 6、应变计的主要技术参数是、和 等。 7、工程结构应变测量中，常用的温度补偿有补偿法和 补偿法两种。 8设置温度补偿块必需满足的3个基本条件是： (1) 补偿块与试件的 ________ 相同，且不 ________ ; (2) 粘贴于其上的补偿应变计和工作应变计处于_________ 环境下; (3) 补偿应变计与工作应变计应是__________ 应变计。
9、应变仪的灵敏度系数K仪=2.08，应变片的灵敏度系数K片二2.00, 当仪器的读数＜=400?，则实际的应变值；为__________ 。 10、一般常用的电阻应变片种类有（）、（）和（） 二、选择题 1、圆轴受扭矩T的作用，用应变片测出的是（）。 A. 剪应变E.剪应力C.线应变D.扭矩 2、电阻应变片的灵敏度系数K指的是（）。 A. 应变片电阻值的大小 B. 单位应变引起的应变片相对电阻值变化 C. 应变片金属丝的截面积的相对变化 D. 应变片金属丝电阻值的相对变化 3、用惠斯登电桥测量纯弯曲梁应变时，当温度补偿应变片所贴的构 件材料的线膨胀系数小于被测梁的线膨胀系数时，应变测量结果与真实结果（）。 A. 偏大 B.偏小 C. 一致 4、用惠斯登电桥测量纯弯曲梁应变时，当温度补偿片的灵敏度高于 被测量梁上贴的应变片灵敏度时，应变测量结果与真实结果（）。 A. 偏大 B.偏小 C. 一致 5、若静态应变仪标准灵敏系数为2时，标定的应变片灵敏系数小于 2时，则应变仪的读数比实际应变值（）。 A.大 B.小 C.相等 D.可大可小 6、电测法测量材料的弹性模量E时，若采用1/4桥测量，如何贴片
材料力学性能拉伸试验报告 材化08 李文迪 40860044
[试验目的] 1. 测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度与塑性性能。 2. 测定低碳钢的应变硬化指数和应变硬化系数。 [试验材料] 通过室温拉伸试验完成上述性能测试工作，测试过程执行GB/T228-2002:金属材料室温拉伸试验方法： 1.1试验材料：退火低碳钢，正火低碳钢，淬火低碳钢的R4标准试样各一个。 1.2热处理状态及组织性能特点简述： 1.2.1退火低碳钢：将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50℃，保温一段时间后，缓慢而均匀 的冷却称为退火。 特点：退火可以降低硬度，使材料便于切削加工，并使钢的晶粒细化，消除应力。1.2.2正火低碳钢：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50℃，保温后在空气中冷却称为正 火。 特点：许多碳素钢和合金钢正火后，各项机械性能均较好，可以细化晶粒。 1.2.3淬火低碳钢：对于亚共析钢，即低碳钢和中碳钢加热到Ac3以上30-50℃，在此 温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却（水冷或油冷），使奥氏体来不及分解而形成马氏体组织，称为淬火。 特点：硬度大，适合对硬度有特殊要求的部件。 1.3试样规格尺寸：采用R4试样。 参数如下：
1.4公差要求 [试验原理] 1.原理简介：材料的机械性能指标是由拉伸破坏试验来确定的，由试验可知弹性阶段 卸荷后，试样变形立即消失，这种变形是弹性变形。当负荷增加到一定值时，测力度盘的指针停止转动或来回摆动，拉伸图上出现了锯齿平台，即荷载不增加的情况下，试样继续伸长，材料处在屈服阶段。此时可记录下屈服强度R 。当屈服到一定 eL 程度后，材料又重新具有了抵抗变形的能力，材料处在强化阶段。此阶段：强化后的材料就产生了残余应变，卸载后再重新加载，具有和原材料不同的性质，材料的强度提高了。但是断裂后的残余变形比原来降低了。这种常温下经塑性变形后，材料强度提高，塑性降低的现象称为冷作硬化。当荷载达到最大值Rm后，试样的某一部位截面开始急剧缩小致使载荷下降,至到断裂。 [试验设备与仪器] 1.1试验中需要测得： （1）连续测量加载过程中的载荷R和试样上某段的伸长量（Lu-Lo）数据。（有万能材料试验机给出应力-应变曲线） （2）两个个直接测量量：试样标距的长度 L o；直径 d。 1.2试样标距长度与直径精度：由于两者为直接测量量，工具为游标卡尺，最高精度为 0.02mm。 1.3检测工具：万能材料试验机 WDW-200D。载荷传感器，0.5级。引伸计，0.5级。 注1：应力值并非试验机直接给出，由载荷传感器直接测量施加的载荷值，进而转化成工程应力，0.5级，即精确至载荷传感器满量程的1/500。 注2：连续测试试样上某段的伸长量由引伸计完成，0.5级，即至引伸计满量程的1/50。
篇一：材料力学实验报告答案 材料力学实验报告 评分标准拉伸实验报告 一、实验目的（1分） 1. 测定低碳钢的强度指标（σs、σb）和塑性指标（δ、ψ）。 2. 测定铸铁的强度极限σb。 3. 观察拉伸实验过程中的各种现象，绘制拉伸曲线（p－δl曲线）。 4. 比较低碳钢与铸铁的力学特性。 二、实验设备（1分） 机器型号名称电子万能试验机 测量尺寸的量具名称游标卡尺精度 0.02 mm 三、实验数据（2分） 四、实验结果处理（4分） ?s??b? psa0pba0 ＝300mpa 左右＝420mpa 左右 ＝20～30％左右＝60～75％左右 ?? l1?l0 ?100％ l0a0?a1 ?100％ a0 ?＝ 五、回答下列问题（2分，每题0.5分） 1、画出（两种材料）试件破坏后的简图。略 2、画出拉伸曲线图。 3、试比较低碳钢和铸铁拉伸时的力学性质。 低碳钢在拉伸时有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段，而铸铁没有明显的这四个阶段。 4、材料和直径相同而长短不同的试件，其延伸率是否相同？为什么？相同 延伸率是衡量材料塑性的指标，与构件的尺寸无关。压缩实验报告 一、实验目的（1分） 1. 测定压缩时铸铁的强度极限σb。 2. 观察铸铁在压缩时的变形和破坏现象，并分析原因。 二、实验设备（1分） 机器型号名称电子万能试验机（0.5分） 测量尺寸的量具名称游标卡尺精度 0.02 mm （0.5分） 三、实验数据（1分）四、实验结果处理（2分） ?b? pb =740mpaa0 左右 五、回答下列思考题（3分） 1.画出（两种材料）实验前后的试件形状。略 2. 绘出两种材料的压缩曲线。略 3. 为什么在压缩实验时要加球形承垫？
实验三 扭转实验 一、实验目的 1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力s τ和抗扭强度b τ。 2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度b τ。 3.绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。 二、实验设备和仪器 1.扭转试验机 2.游标卡尺 三、实验试样 按冶金部标准采用圆形截面试件，两端成扁圆形。如图1所示。 图1 扭转试件图 圆形截面试样的直径mm 10=d ，标距d l 5=或d l 10=，平行部分的长度为mm 20+l 。若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。 由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB10128—88。 四、实验原理与方法 1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标 试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩es M ，低碳钢的扭转屈服应力为
p es s 43W M = τ （１） 式中：16/3p d W π=为试样在标距内的抗扭截面系数。 在测出屈服扭矩s T 后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩eb M ，低碳钢的抗扭强度为 p eb b 43W M =τ （２） 对上述两公式的来源说明如下： 低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的?-e M 图如图12所示。当达到图中A 点时，e M 与?成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力s τ，如能测得此时相应的外力偶矩ep M ，如图13a 所示，则扭转屈服应力为 p ep s W M = τ （３） 经过A 点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图2b 所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图2c 所示的情况，对应的扭矩s T 为 图1 低碳钢的扭转图 s s s （a ） （b ） （c ） 图2 低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布 （a ）p T T =；（b ）s p T T T <<；（c ）s T T = s p s 3 d/2 2 s d/2 0 s s 3 4 12 d 2d 2ττπρρπτρπρρτW d T == ==? ? 由于es s M T =，因此，由上式可以得到
材料 学性能实院系：材料学院姓名：王丽朦学号：200767027 验报力告 实验目的： 通过拉伸试验掌握测量屈服强度，断裂强度，试样伸长率，界面收缩率的方法；通过缺口拉伸试验来测试缺口对工件性能的相关影响； 通过冲击试验来测量材料的冲击韧性； 综合各项试验结果，来分析工件的各项性能； 通过本实验来验证材料力学性能课程中的相关结论，同时巩固知识点，进一步深刻理解相关知识； 实验原理： 1)屈服强度 金属材料拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观的塑性变形的一种标志。弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡，表现在试验过程中的现象为，外力不增加即保持恒定试样仍能继续伸长，或外力增加到某一数值是突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，这便是屈服现象。呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点，记作σs； 屈服现象与三个因素有关：(1)材料变形前可动位错密度很小或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质点所钉扎；(2)随塑性变形发生，位错快速增殖；(3)位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。影响屈服强度的因素有很多，大致可分为内因和外因。 内因包括：金属本性及晶格类型的影响；晶界大小和亚结构的影响；还有溶质元素和第二相的影响等等。通过对内因的分析可表征，金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺都可使屈服强度产生明显变化。 外因包括：温度、应变速率和应力状态等等。总之，金属材料的屈服强度即受各种内在因素的影响，又因外在条件不同而变化，因而可以根据人们的要求予以改变，这在机件设计、选材、拟订加工工艺和使用时都必须考虑到。 2)缺口效应 由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的“缺口效应”，从而影响金属材料的力学性能。 缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，也就是出现了σx（平面应力状态）或σy与σz（平面应变状态），这要视板厚或直径而定。
扭 转 实 验 一．实验目的： 1.学习了解微机控制扭转试验机的构造原理，并进行操作练习。 2.确定低碳钢试样的剪切屈服极限、剪切强度极限。 3.确定铸铁试样的剪切强度极限。 4.观察不同材料的试样在扭转过程中的变形和破坏现象。 二．实验设备及工具 扭转试验机，游标卡尺、扳手。 三．试验原理： 塑性材料和脆性材料扭转时的力学性能。（在实验过程及数据处理时所支撑的理论依据。参考材料力学、工程力学课本的介绍，以及相关的书籍介绍，自己编写。） 四．实验步骤 1.a 低碳钢实验（华龙试验机） （1）量直径： 用游标卡尺量取试样的直径。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。。 （2）安装试样： 启动扭转试验机，手动控制器上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，沿箭头方向旋转手柄，夹紧试样。 （3）调整试验机并对试样施加载荷： 在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、切应变1、切应变2、夹头间转角、时间的零点；根据你所安装试样的材料，在“实验方案读取”中选择“教学低碳钢试验”，并点击“加载”而确定；用键盘输入实验编号，回车确定（按Enter 键）；鼠标点“开始测试”键，给试样施加扭矩；在加载过程中，注意观察屈服扭矩的变化，记录屈服扭矩的下限值，当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“终止测试”键，使试验机停止转动。 （4）试样断裂后，从峰值中读取最大扭矩 。从夹头上取下试样。 （5）观察试样断裂后的形状。 1.b 低碳钢实验（青山试验机） （1）量直径： 用游标卡尺量取试样的直径。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。 （2）安装试样： 启动扭转试验机，手动“试验机测控仪”上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，s τb τb τ 0d S M b M 0d
大连理工大学实验报告 学院（系）：材料科学与工程学院专业：材料成型及控制工程班级：材0701姓名：学号：组：___ 指导教师签字：成绩： 实验一金属拉伸实验 Metal Tensile Test 一、实验目的Experiment Objective 1、掌握金属拉伸性能指标屈服点σS，抗拉强度σb，延伸率δ和断面收缩率 φ的测定方法。 2、掌握金属材料屈服强度σ0.2的测定方法。 3、了解碳钢拉伸曲线的含碳量与其强度、塑性间的关系。 4、简单了解万能实验拉伸机的构造及使用方法。 二、实验概述Experiment Summary 金属拉伸实验是检验金属材料力学性能普遍采用的极为重要的方法之一，是用来检测金属材料的强度和塑性指标的。此种方法就是将具有一定尺寸和形状的金属光滑试样夹持在拉力实验机上，温度、应力状态和加载速率确定的条件下，对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。通过拉伸实验可以解释金属材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹性变形，塑性变形和断裂。在实验过程中，试样发生屈服和条件屈服时，以及试样所能承受的最大载荷除以试样的原始横截面积，求的该材料的屈服点σS，屈服强度σ0.2和强度极限σb。用试样断后的标距增长量及断处横截面积的缩减量，分别除以试样的原始标距长度，及试样的原始横截面积，求得该材料的延伸率δ和断面收缩率φ。 三、实验用设备The Equipment of Experiment 拉力实验的主要设备为拉力实验机和测量试样尺寸用的游标卡尺，拉力
实验机主要有机械式和液压式两种，该实验所用设备原东德WPM—30T液压式万能材料实验机。液压式万能实验机是最常用的一种实验机。它不仅能作拉伸试验，而且可进行压缩、剪切及弯曲实验。 （一）加载部分The Part of Applied load 这是对试样施加载荷的机构，它利用一定的动力和传动装置迫使试样产生变形，使试样受到力或能量的作用。其加载方式是液压式的。在机座上装有两根立柱，其上端有大横梁和工作油缸。油缸中的工作活塞支持着小横梁。小横梁和拉杆、工作台组成工作框架，随工作活塞生降。工作台上方装有承压板和弯曲支架，其下方为钳口座，内装夹持拉伸试样用的上夹头。下夹头安装在下钳口座中，下钳口座固定在升降丝杆上。 当电动机带动油泵工作时，通过送油阀手轮打开送油阀，油液便从油箱经油管和进入工作油缸，从而推动活塞连同工作框架一起上升。于是在工作台与大横梁之间就可进行压缩、弯曲等实验，在工作台与下夹头之间就进行拉伸实验。实验完毕后，关闭送油阀、旋转手轮打开回油阀，则工作油缸中的油液便经油管泄回油箱，工作台下降到原始位置。 （二）测力部分The Part of Measuring Force 加载时，油缸中的油液推动工作活塞的力与试样所承受的力随时处于平衡状态。如果用油管和将工作油缸和测力油缸连同，此油压便推动测力活塞，通过连杆框架使摆锤绕支点转动而抬起。同时，摆锤上方的推板便推动水平齿杆，使齿轮带动指针旋转。指针旋转的角度与油压亦即与试样所承受的载荷成正比，因此在测力度盘上便可读出试样受力的量值。 四、试样Sample 拉伸试样，通常加工成圆型或矩形截面试样，其平行长度L0等于5d或10d （前者为长试样，后者为短试样），本实验用短试样，即L0=5d。本实验所用的试样形状尺寸如图1—1所示。 图1－1圆柱形拉伸试样及尺寸
一、填空题 1、应变仪的灵敏度系数 12.30 K=，应变片的灵敏度系数2 2.06 K=，仪 器的读数是 1400 εμε =，则实际的应变值是ε=（）。 2、在进行电测试验时，若将两个电阻值相等的工作片串联在同一桥臂上，设两个工作片的应变值分别为ε1、ε2，则读数应变（） 3、当应变计与应变仪连接的导线较长时，例如大于50 m以上，由于导线本身有一定电阻值，它和应变计一起串联在应变电桥的桥臂上而又不参加变形，这将使指示应变小于真实应变，可以通过改变应变仪的来修正。 4、有一粘贴在轴向受压试件上的应变片，其阻值为Ω 120，灵敏系数136 .2 = K。问：当试件上的应变为με 1000 -时，应变片阻值是多少？ 5、工程测量中，应变电桥的接法有_______________、_______________和_______________等几种。 6、应变计的主要技术参数是_______________、_______________和_______________等。 7、工程结构应变测量中，常用的温度补偿有___________补偿法和___________补偿法两种。 8、设置温度补偿块必需满足的3个基本条件是： (1)补偿块与试件的_____________相同，且不_____________； (2)粘贴于其上的补偿应变计和工作应变计处于_____________环境下； (3)补偿应变计与工作应变计应是_____________应变计。
9、应变仪的灵敏度系数K仪=2.08，应变片的灵敏度系数K片= 2.00，当仪器的读数 ε=400με，则实际的应变值ε为。 仪 10、一般常用的电阻应变片种类有（）、（）和（）。 二、选择题 1、圆轴受扭矩T的作用，用应变片测出的是（ )。 A. 剪应变Ｂ．剪应力Ｃ．线应变Ｄ．扭矩 2、电阻应变片的灵敏度系数K指的是（)。 A. 应变片电阻值的大小 B. 单位应变引起的应变片相对电阻值变化 C. 应变片金属丝的截面积的相对变化 D. 应变片金属丝电阻值的相对变化 3、用惠斯登电桥测量纯弯曲梁应变时，当温度补偿应变片所贴的构件材料的线膨胀系数小于被测梁的线膨胀系数时，应变测量结果与真实结果（）。 A.偏大 B.偏小 C.一致 4、用惠斯登电桥测量纯弯曲梁应变时，当温度补偿片的灵敏度高于被测量梁上贴的应变片灵敏度时，应变测量结果与真实结果（）。 A.偏大 B.偏小 C.一致 5、若静态应变仪标准灵敏系数为2时，标定的应变片灵敏系数小于2时,则应变仪的读数比实际应变值（）。 A.大 B.小 C.相等 D.可大可小
金属材料力学性能实验报告 姓名：班级：学号：成绩： 实验名称实验一金属材料静拉伸试验 实验设备1）电子拉伸材料试验机一台，型号HY-10080 2）位移传感器一个； 3）刻线机一台； 4）游标卡尺一把； 5）铝合金和20#钢。 试样示意图 图1 圆柱形拉伸标准试样示意图 试样宏观断口示意图 图2 铝合金试样常温拉伸断裂图和断口图 （和试样中轴线大约成45°角的纤维状断口，几乎没有颈缩，可以知道为切应力达到极限，发生韧性断裂）
图3 正火态20#钢常温拉伸断裂图和断口图 （可以明显看出，试样在拉断之后在断口附近产生颈缩。断口处可以看出有三个区域：1.试样中心的纤维区，表面有较大的起伏，有较大的塑性变形；2.放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹；3.剪切唇，轴线成45°角左右的倾斜断口） 原始数据记录 表1 正火态20#钢试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 左 中 右 平均值 9.90 10.00 10.00 9.97 9.92 10.00 10.00 10.00 10.00 9.92 左 中 右 平均值 8.70 8.72 8.68 8.69 8.68 8.70 8.70 8.64 8.72 8.70 表2 时效铝合金试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 两试样的初始标距为050 L mm 。 表3 铝合金拉断后标距测量数据记录（单位：mm ） AB BC AB+2BC 平均 12.32 23.16 58.64 58.79 24.02 17.46 58.94 测量20#钢拉断后的平均标距为u L =69.53 mm ，断口的直径平均值为u d =6.00 mm 。 测量得到铝合金拉断后的断面直径平均值为7.96mm 。
青岛黄海学院实验指导书 课程名称：材料力学 课程编码： 04115003 主撰人：吕婧 青岛黄海学院
目录 实验一拉、压实验 (1) 实验二扭转实验 (6) 实验三材料弹性模量E和泊松比μ的测定 (8) 实验四纯弯曲梁的正应力实验 (12)
实验一低碳钢拉伸实验 一、实验目的要求： （一）目的 σ、延伸率δ,截面收缩率ψ。 1．测定低碳钢的屈服极限σS,强度极限 b σ,观察上述两种材料的拉伸和破坏现象,绘制拉伸时2．测定铸铁的强度极限 b 的P-l?曲线。 （二）要求 1．复习讲课中有关材料拉伸时力学性能的内容;阅读本次实验内容和实设备中介绍万能试验机的构造原理、操作方法、注意事项,以及有关千分表和卡尺的使用方法。 2．预习时思考下列问题:本次实验的内容和目的是什么?低碳钢在拉伸过程中可分哪几个阶段,各阶段有何特征?试验前、试验中、试验后需要测量和记录哪些数据?使用液压式万能试验机有哪些注意事项? 二、实验设备和工具 1．万能实验 2．千分尺和游标卡尺。 3．低碳钢和铸铁圆形截面试件。 三、实验性质： 验证性实验 四、实验步骤和内容： （一）步骤 1．取表距L =100mm.画线 2．取上,中,下三点,沿垂直方向测量直径.取平均值
3．实验机指针调零. 4．缓慢加载,读出 s P .b P .观察屈服及颈缩现象,观察是否出现滑移线. 5．测量低碳钢断裂后标距长度1l ,颈缩处最小直径1d （二）实验内容： 1．低碳钢试件 (1)试件 (2)计算结果 屈服荷载 s P =22.1KN 极限荷载 b P =33.2KN 屈服极限 s σ=s P /0A =273.8MPa 强度极限 b σ=b P /0A =411.3MPa 延伸率 δ=(1l -0l )/0l *100%=33.24% 截面收缩率ψ=(0A -1A )/0A *100%=68.40% (3)绘制低碳钢P~ l ? 曲线
实验四 梁的弯曲实验 一、实验目的 掌握剪应力计算和平衡校核方法。 1、 作梁的整数级或半数级等差线图案； 2、 根据所测定的等差线和等倾线数据，计算各测点的剪应力值； 3、 与材料力学所计算出的理论结果比较。 二、实验设备 偏光弹性仪 三、实验模型及加载方式 四、实验步骤 1、测量模型尺寸 用卡尺测量模型尺寸，做记录，同时检查刻线尺寸。 2、安装模型及调整仪器 （1）调整仪器为正交圆偏振场，并调节杠杆平衡。 （2）调节下支座间距和位置，将模型置于二支座上，并在梁中点置一小钢柱，同时将杠 杆压下并加少许载荷（10N ），调节夹头上下位置使其保持水平。 （3）开启白光光源（同时开启钠光灯预热），观察等差线图案是否对称；若不对称，需 再调整直至对称为止，方可继续加载。 3、绘制等差线图案 （1）用白光观察等差线图案，逐渐加载直至边界处最高条纹级数为4~5级左右。弄清等 差线图案的特点，找出0级位置及级数变化趋势，并用铅笔在模型上描出0级条纹，记录载荷数量。 （2）用单色光，描出整个等差线图案，标明级数，反复检查核对。 （3）卸除载荷，取下模型，用描图纸描摹出条纹图案，标明级数，注明载荷，最后从模 型上擦掉等差线图案。 4、作等倾线图案，测量各测点的等倾线度数 四点弯曲梁受力示意图 三点弯曲梁受力示意图
（1）调整仪器为正交平面偏振场，重新安装模型，施加适当载荷，按逆时针方向同步旋转偏振轴，仔细观察等倾线的特征，待摸清等倾线的变化规律后，将偏振轴恢 复到00位置。 （2）按逆时针方向同步旋转偏振轴，依次描绘出00、150、300、450、600及750等倾线，标明度数，并反复检查核对。 （3）测量AB、CD截面上各测点的等倾线度数，并填入表格7-2中，分析判定σx方向。 （4）卸下模型，用描图纸描摹等倾线图案，标明度数。 5、补偿各测点的等差线条纹级数 （1）擦去等倾线图案，重新安装模型，并施加作等差线时的相同载荷量。 （2）用单色光，以旋转分析镜补偿法确定各测点的非整数级等差线条纹级数，并填入记录表格。 6、将实验结果交指导教师检查签字。 7、熄灭光源，清理现场。 弯曲正应力电测实验 实验日期：室温：小组成员： （一）实验目的 （二）实验设备 （三）实验原理 （四）实验记录 表4-1 弯曲正应力实验应变片布片位置 表4-2 弯曲正应力电测实验数据记录
材料力学实验报告答案 Prepared on 22 November 2020
材料力学实验报告 评分标准 拉伸实验报告 一、实验目的（1分） 1. 测定低碳钢的强度指标（σs、σb）和塑性指标（δ、ψ）。 2. 测定铸铁的强度极限σb。 3. 观察拉伸实验过程中的各种现象，绘制拉伸曲线（P－ΔL曲线）。 4. 比较低碳钢与铸铁的力学特性。 二、实验设备（1分） 机器型号名称电子万能试验机 测量尺寸的量具名称游标卡尺精度0.02 mm 三、实验数据（2分）
四、实验结果处理 （4分） 0A P s s = σ ＝300MPa 左右 0 A P b b = σ ＝420MPa 左右 ％10000 1?-= L L L δ ＝20～30％左右 ％＝ 1000 1 0?-A A A ψ ＝60～75％左右 五、回答下列问题（2分，每题分） 1、画出（两种材料）试件破坏后的简图。 略 2、画出拉伸曲线图。 3、试比较低碳钢和铸铁拉伸时的力学性质。 低碳钢在拉伸时有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段，而铸铁没有明显的这四个阶段。 4、材料和直径相同而长短不同的试件，其延伸率是否相同为什么 相同 延伸率是衡量材料塑性的指标，与构件的尺寸无关。 压缩实验报告 一、实验目的（1分）
1. 测定压缩时铸铁的强度极限σb 。 2. 观察铸铁在压缩时的变形和破坏现象，并分析原因。 二、实验设备 （1分） 机器型号名称电子万能试验机 （分） 测量尺寸的量具名称 游标卡尺 精度 0.02 mm （分） 三、实验数据（1分） 四、实验结果处理 （2分） A P b b = σ =740MPa 左右 五、回答下列思考题（3分） 1.画出（两种材料）实验前后的试件形状。 略 2. 绘出两种材料的压缩曲线。 略 3. 为什么在压缩实验时要加球形承垫
专业： 学号： 姓名： 西南交通大学峨眉校区力学实验中心 一、学生实验须知 1．学生进入实验室，要严格遵守实验室的各项规章制度，服从指导教师的安排； 2．严禁在实验室大声喧哗和嬉戏； 3．保持实验室周围的整洁，不乱扔纸屑、果皮，不随地吐痰，严禁吸烟；4．实验前应预习实验内容，弄清实验目的、原理和方法； 5．实验过程中应严肃认真，严格按照规定步骤操作，自己动手完成，及时记录和整理实验数据，不得转抄他人数据，要培养自己严谨的科学态度和分析问题、解决问题的能力； 6．使用仪器设备时，应严格遵守操作规程，若发现异常现象应立即停止使用，并及时向指导教师报告。如果因违反操作规程（或未经许可使用）而造成设备损坏，应按学校有关规定赔偿损失。 7．实验结束后，应将仪器设备和桌凳整理好并归还原位，协助打扫实验室卫生，经指导老师检查合格后方能离开实验室； 8．学生应按时（最迟不超过一周时间）上交实验报告，以供老师批改统计成绩。 - 1 - 二、实验仪器设备介绍
（一）材料力学多功能组合实验台 材料力学多功能组合实验台（以下简称实验台）是方便学生自己动手做材料力学电测实验的设备，配套使用的仪器设备还有：拉压型力传感器、力&应变综合参数测试仪、电阻应变片、连接导线与梅花改刀等，并配有计算机接口，可实现数据的计算机自动采集与计算。一个实验台可做多个电测实验，功能全面，操作简单，实验台结构如图2-1所示。 图2-1 材料力学多功能组合实验台 实验台为框架式整体结构，配置有拉压型力传感器及标准测点应变计(在试件待测点表面粘贴的电阻应变片)，通过力&应变综合参数测试仪（以下简称测试仪）实现力与应变的实时测量。实验台分前后两半部分，前半部分可做弯扭组合变形实验、材料弹性模量与泊松比测定实验、偏心拉伸实验、压杆稳定实验、悬臂梁实验、等强度梁实验；后半部分可做纯弯曲梁正应力测试实验、电阻应变片灵敏系数标定实验、组合叠梁实验等。 操作规程如下： (1) 将所作实验的试件通过有关附件连接到架体相应位置，连接拉压型力传感器和加载件到加载机构上。 (2) 连接拉压型力传感器电缆线到测试仪后面传感器输入插座，连接电阻应变片导线到测试仪的各个测量通道接线柱上。 (3) 打开测试仪电源，预热约20分钟左右，输入力传感器量程及灵敏度和应变片灵敏系数（一般首次使用时已调好，如实验项目及力传感器没有改变，可不必重新设置），在不加载（加力点上下未接触）的情况下将测力初值和应变初值调至零。 (4) 在初始值以上对各试件进行分级加载，转动手轮速度要均匀，记下各级力值和待测点各通道的应变值，若已与微机连接，则全部数据可由计算机进行分析处理。