材料力学实验报告.docx
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材料力学实验报告
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
实验一低碳钢拉伸实验
一、实验目的要求:
(一)目的
1.测定低碳钢的屈服极限σS,强度极限
、延伸率
截面收缩率
。
2.测定铸铁的强度极限
观察上述两种材料的拉伸和破坏现象,绘制拉伸时的P-
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
.
.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
颈缩处最小直径
(二)实验内容:
1.低碳钢试件
(1)试件
实验前
实验后
初始标距
(mm)
100
断裂后标距
(mm)133.25
直径
(mm)
上
10.15
最小直径
(mm)
中
10.14
下
10.15
5.70
初始截面面积
(
)
80.70
断口处截面面积
(
)25.50
(2)计算结果
屈服荷载
=22.1KN
极限荷载
=
33.2KN
屈服极限
=
/
=273.8MPa
强度极限
=
/
=411.3MPa
延伸率
=(
-
)/
*100%=33.24%
截面收缩率
=(
-
)/
*100%=68.40%
(3)绘制低碳钢P~
曲线
2.铸铁的实验记录.
实验前
实验后
直径
(mm)
10.16
断裂后直径
(mm)
10.15
最大荷载
=14.4KN
强度极限
=
/
=177.7MPa
实验二铸铁压缩实验
一、实验目的要求:
(一)目的
1.测定铸铁的强度极限σb。
2.观察铸铁在压缩时的破坏现象。
(二)要求
1.复习讲课中有关材料压缩时力学性能的内容;阅读本次实验内容。
2.拉伸和压缩时低碳钢的屈服点是否相同?
铸铁的强度极限是否相同?
二、实验设备和工具:
1.万能试验机
2.卡尺及千分尺
3.低碳钢及铸铁试件
三、实验性质:
验证性实验
四、实验步骤和内容:
(一)步骤
1.测量试件直径。
2.选择试验机加载范围。
3.缓慢均匀加载。
(二)实验内容
实验记录
试件
低碳钢试件
铸铁试件
高度h(mm)
20
20
截面直径d0(mm)
15
15
截面面积A0(mm0
176.63
176.63
低碳钢试件屈服载荷PS=49(kN)
铸铁试件的最大载荷Pb=153(kN)
低碳钢的屈服极限σS=PS/A0=277.4(MPa)
铸铁的强度极限σb=Pb/A0=866.2(MPa)
(三)结果分析:
1.绘出两种材料的P-ΔL曲线。
2.绘出两种材料的变形和断口形状
五、思考题
1.低碳钢拉伸曲线可分为几个阶段?
每个阶段力和变形有什么关系?
2.低碳钢和铸铁两种材料断口有什么不同?
并分析引起破坏的原因?
3.为什么试样要采用标准试样?
4.铸铁试样在拉伸、压缩时破坏断面有何特征?
是什么应力引起的?
5.比较低碳钢拉伸和压缩的屈服极限σS。
6.比较铸铁拉伸与压缩的强度极限σS。
实验三低碳钢及铸铁的扭转实验
一、实验目的要求:
(一)目的
1.测定低碳钢和铸铁在扭转时的机械性能,求得低碳钢的剪切屈服极限τs,剪切强度极限τb,铸铁的剪切强度极限τb。
2.观察两种材料的扭转和破坏现象,分析破坏原因。
(二)要求
1.复习讲课中有关杆件扭转的内容;阅读本次实验内容和实验设备介绍中扭转试验机的构造原理、操作方法及注意事项。
2.圆杆扭转时,横截面上有什么应力?
与轴线成450的截面上有什么应力?
二、实验的设备和工具:
1.扭转实验机。
2.千分尺和卡尺。
3.低碳钢和铸铁圆形截面试件。
三、实验性质:
综合性实验
四、实验步骤和内容:
(一)步骤
1.测量试件直径。
在标距长度内测量三处,每处在两个相互垂直的方向各测量一次并取其算数平均值,采用三个数值中的最小值为计算直径d0。
2.安装试件,指针调零,调整好自动绘图装置。
3.试验时缓慢加载,观察屈服现象,记录屈服扭矩MS的数值,最大扭矩Mb的数值,观察断口形状。
(二)实验内容
1.数据记录:
试件
低碳钢
铸铁
直径d0(mm)
10
10
标距L0(mm)
100
100
抗扭截面系数Wp=πd03/16
200
200
屈服扭矩MS=(N.m)
35.5
屈服应力τS=3MS/4Wp(MPa)
177.3
破坏时的扭矩Mb=(N.m)
80.5
46.5
强度极限
低碳钢
τb=3Mb/4Wp
402.4
232.5
铸铁
τb=Mb/Wp
总扭转角φ=
单位长度扭转角θ=φ/L0(o/mm)
2.绘出两种材料的抗扭图及试件断裂后的形状。
五、思考题
1.比较低碳钢的拉伸和扭转实验,从进入塑性变形阶段到破坏的全过程,两者有什么明显的差别。
2.根据低碳钢、铸铁扭转试样的断断口形式,分析其破坏原因。
实验三弹性模量E测定实验
一、实验目的和要求:
(一)目的:
1.测定常用金属材料的弹性模量E。
2.验证胡克(Hooke)定律
(二)要求
1.复习讲课中有关材料拉伸时的内容;阅读本次实验内容和实验设备介绍中介绍力&应变综合参数测试仪和组合实验台中拉伸装置的原理、操作方法、注意事项。
2.熟悉电桥电路及组桥方式。
二、实验性质:
验证性实验
三、实验仪器设备和工具
1.组合实验台中拉伸装置;
2.力&应变综合参数测试仪;
3.游标卡尺、钢板尺。
四、实验原理和方法
试件采用矩形截面试件。
在试件中央截面上,沿前后两面的轴线方向分别对称的贴一对轴向应变片R1、R1′和一对横向应变片R2、R2′,以测量轴向应变ε和横向应变ε′。
由于实验装置和安装初始状态的不稳定性,拉伸曲线的初始阶段往往是非线性的。
为了尽可能减小测量误差,实验宜从一初载荷P0(P0≠0)开始,采用增量法,分级加载,分别测量在各相同载荷增量△P作用下,产生的应变增量△ε,并求出△ε的平均值。
设试件初始横截面面积为A0,又因ε=△l/l,则有
上式即为增量法测E的计算公式。
式中
—试件截面面积
—轴向应变增量的平均值
用上述板试件测E时,合理地选择组桥方式可有效地提高测试灵敏度和实验效率。
组桥采用相对桥臂测量。
将两轴向应变片分别接在电桥的相对两臂(AB、CD),两温度补偿片接在相对桥臂(BC、DA),偏心弯曲的影响可自动消除。
根据桥路原理
测量灵敏度提高2倍。
便可求得泊松比。
五、实验步骤
1.设计好本实验所需的各类数据表格。
2.测量试件尺寸。
在试件标距范围内,测量试件三个横截面尺寸,取三处横截面面积的平均值作为试件的横截面面积A0。
3.拟订加载方案。
先选取适当的初载荷P0(一般取P0=10%Pmax左右),估算Pmax(该实验载荷范围Pmax≤5000N),分4~6级加载。
4.根据加载方案,调整好实验加载装置。
5.按实验要求接好线(为提高测试精度建议采用图3-5d所示相对桥臂测量方法),调整好仪器,检查整个测试系统是否处于正常工作状态。
6.加载。
均匀缓慢加载至初载荷P0,记下各点应变的初始读数;然后
分级等增量加载,每增加一级载荷,依次记录各点电阻应变片的应变值εd和εdˊ,直到最终载荷。
实验至少重复两次。
见附表2
7.作完实验后,卸掉载荷,关闭电源,整理好所用仪器设备,清理实
验现场,将所用仪器设备复原,实验资料交指导教师检查签字。
附表1(试件相关数据)
试件
厚度h(mm)
宽度b(mm)
横截面面积A0=bh(mm2)
截面Ⅰ
20
40
800
截面Ⅱ
20
40
800
截面Ⅲ
20
40
800
平均
20
40
800
弹性模量E=210GPa
泊松比μ=0.26
附表2(实验数据)
载荷(N)
P
1000
1500
2000
2500
3000
3500
△P
500
500
500
500
500
纵向应变读数με
εd
92
142
194
248
302
360
εp
46
71
97
124
151
184
△εp
25
26
27
27
33
27.6
横向应变读数με
εdˊ
24
37.6
51.2
65.2
79.6
94
εpˊ
12
18.8
25.6
32.6
39.8
47
△εpˊ
6.8
6.8
7
7.2
7.2
△εˊ
7.0
六、实验结果处理
弹性模量计算:
226GPa
泊松比计算:
=0.254
七、思考题
1.分析纵、横向应变片粘贴不准,对测试结果的影响。
2.根据实验测得的E实、μ实值与已知E理、μ理值作对比,分析误差原因。
采用什么措施可消除偏心弯曲的影响。
实验四弯曲变形实验
一、实验目的和要求
(一)目的
1.测定梁在纯弯曲时横截面上正应力大小和分布规律
2.验证纯弯曲梁的正应力计算公式
(二)要求
1.讲课中有关弯曲应力的内容;阅读本次实验内容和实验设备中介绍实验台中纯弯曲梁实验装置。
2.熟悉电桥电路及组桥方式。
二、实验仪器设备和工具
1.实验台中纯弯曲梁实验装置
2.应变综合参数测试仪
3.游标卡尺、钢板尺
三、实验性质:
综合性实验
四、实验原理及方法
在纯弯曲条件下,根据平面假设和纵向纤维间无挤压的假设,可得到
梁横截面上任一点的正应力,计算公式为
式中M为弯矩,Iz为横截面对中性轴的惯性矩;y为所求应力点至中性轴的距离。
为了测量梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律,在梁的纯弯曲段沿梁侧面不同高度,平行于轴线贴有应变片。
实验可采用半桥单臂、公共补偿、多点测量方法。
加载采用增量法,即每增加等量的载荷△P,测出各点的应变增量△ε,然后分别取各点应变增量的平均值△ε实i,依次求出各点的应变增量
将实测应力值与理论应力值进行比较,以验证弯曲正应力公式。
五、实验步骤
1.测量矩形截面梁的宽度b和高度h、载荷作用点到梁支点距离a及各应变片到中性层的距离
。
见附表1
2.加载方案。
先选取适当的初载荷P0(一般取P0=10%Pmax左右),估算Pmax(该实验载荷范围Pmax≤4000N),分4~6级加载。
3.按实验要求接好线,调整好仪器,检查整个测试系统是否处于正常工作状态。
(1)加载。
均匀缓慢加载至初载荷P0,记下各点应变的初始读数;后分级等增量加载,每增加一级载荷,依次记录各点电阻应变片的应变值εi,直到最终载荷。
实验至少重复两次。
见附表2
(2)做完实验后,卸掉载荷,关闭电源。
附表1(试件相关数据)
应变片至性层距离(mm)
梁的尺寸和有关参数
Y1
-20
宽度b=20mm
Y2
-10
高度h=40mm
Y3
0
跨度L=600mm
Y4
10
载荷距离a=125mm
Y5
20
弹性模量E=210GPa
泊松比μ=0.26
惯性矩Iz=bh3/12=1.067×10-7m4
附表2(实验数据)
载荷
N
P
500
1000
1500
2000
2500
3000
△P
500
500
500
500
500
各
测点电阻应变仪读数
µε
1
εP
23
46
71
97
124
151
△εP
23
25
26
27
27
△ε1
26.4
2
εP
10
23
37
51
66
79
△εP
13
14
14
15
13
△ε2
13.8
3
εP
2
2
2
2
2
2
△εP
0
0
0
0
0
△ε3
0
4
εP
12
25
38
55
69
82
△εP
13
13
17
14
13
△ε4
14
5
εP
21
46
72
98
125
150
△εP
25
26
26
27
25
△ε5
25.8
六、实验结果处理
1.实验值计算
根据测得的各点应变值εi求出应变增量平均值
,代入胡克定律计算各点的实验应力值,因1µε=10-6ε,所以
各点实验应力计算:
2.理论值计算
载荷增量△P=500N
弯距增量△M=△P·a/2=31.25N·m
各点理论值计算:
3.绘出实验应力值和理论应力值的分布图
分别以横坐标轴表示各测点的应力σi实和σi理,以纵坐标轴表示各测点距梁中性层位置yi,选用合适的比例绘出应力分布图。
实验值与理论值的比较
测点
理论值σi理(MPa)
实际值σi实(MPa)
相对误差%
1
-5.858
-5.544
5.36
2
-2.929
-2.898
1.06
3
0
0
0
4
2.929
2.940
0.38
5
5.858
5.418
7.51
七、思考题
1.影响实验结果准确性的主要因素是什么?
2.弯曲正应力的大小是否受弹性模量E的影响?
3.实验时没有考虑梁的自重,会引起误差吗?
为什么?
4.梁弯曲的正应力公式并未涉及材料的弹性模量E,而实测应力值的计算却用上了弹性模量E,为什么?
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