材料力学试验参考指导书工科类专业.doc
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1、试验一 拉伸试验一、 试验目标1.测定低碳钢屈服强度()、抗拉强度()、断后伸长率A11.3(10)和断面收缩率Z()。2.测定铸铁抗拉强度()。3.比较低碳钢(塑性材料)和铸铁(脆性材料)在拉伸时力学性能和断口特征。注:括号内为GB/T228-金属材料 室温拉伸试验方法公布前旧标准引用符号。二、 设备及试样1.电液伺服万能试验机。2.0.02mm游标卡尺。3.低碳钢圆形横截面百分比长试样一根。把原始标距段L0十等分,并刻画出圆周等分线。4.铸铁圆形横截面非百分比试样一根。注:GB/T228-要求,拉伸试样分百分比试样和非百分比试样两种。百分比试样原始标距和原始横截面积关系满足。百分比系数取5
2、.65时称为短百分比试样,取11.3时称为长百分比试样,国际上使用百分比系数取5.65。非百分比试样和无关。三、试验原理及方法低碳钢是指含碳量在0.3以下碳素钢。这类钢材在工程中使用较广,在拉伸时表现出力学性能也最为经典。低碳钢拉伸图(FL曲线)以轴向力F为纵坐标,标距段伸长量L为横坐标,所绘出试验曲线图称为拉伸图,即FL曲线。低碳钢拉伸图如上图所表示,FeL为下屈服强度对应轴向力,FeH为上屈服强度对应轴向力,Fm为最大轴向力。FL曲线和试样尺寸相关。为了消除试样尺寸影响,把轴向力F除以试样横截面原始面积S0就得到了名义应力,也叫工程应力,用表示。一样,试样在标距段伸长L除以试样原始标距O得
3、到名义应变,也叫工程应变,用表示。曲线和FL曲线形状相同,但消除了儿何尺寸影响,所以代表了材料本质属性,即材料本构关系。低碳钢应力应变图(曲线)经典低碳钢拉伸曲线,如上图所表示,可显著分为四个阶段:(1)弹性阶段oa:在此阶段试样变形是弹性,假如在这一阶段终止拉伸并卸载,试样仍恢复到原先尺寸,试验曲线将沿着拉伸曲线回到初始点,表明试样没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律,其应力、应变为正比关系,即式中百分比系数E代表直线斜率,称为材料弹性模量,其常见单位为GPa。它是代表材料发生弹性变形关键性能参数。E大小反应材料抵御弹性变形一个能力,代表了材料刚度。另外,材料在发生杆轴向
4、伸长同时还发生横向收缩。反应横向变形横向应变和之比绝对值称为材料泊松比。它是代表材料弹性变形另一个性能参数。(2)屈服阶段ab:在超出弹性阶段后出现显著屈服过程,即曲线沿一水平段上下波动,即应力增加极少,变形快速增加。这表明材料在此载荷作用下,宏观上表现为临时丧失抵御继续变形能力,微观上表现为材料内部结构发生急剧改变。从微观结构解释这一现象,是因为组成金属晶体材料结构晶格间位错,在外力作用下发生有规律移动造成。假如试样表面足够光滑、材料杂质含量少,能够清楚地看出试样表面有450方向滑移线。依据GB/T228标准要求,试样发生屈服而力首次下降前最大应力称为上屈服强度,记为“ReH”;在屈服期间,
5、不计初始瞬时效应时最低应力称为下屈服强度,记为“ReL”,若试样发生屈服而力首次下降最小应力是屈服期间最小应力时,该最小应力称为初始瞬时效应,不作为下屈服强度。通常把试验测定下屈服强度ReL作为材料屈服极限S,S是材料开始进入塑性标志。不一样塑性材料其屈服阶段曲线类型有所不一样,其屈服强度按GB/T228-要求确定。结构、零件外加载荷一旦超出这个应力,就能够认为这一结构或零件会因为过量变形而失效。所以,强度设计中常以屈服极限S作为确定许可应力基础。因为材料在这一阶段已经发生过量变形,肯定残留不可恢复变形(塑性变形),所以,从屈服阶段开始,材料变形就包含弹性和塑性两部分。 (3)强化阶段bc:屈
6、服阶段结束后,曲线又出现上升现象,说明材料恢复了对继续变形抵御能力,材料若要继续变形必需施加足够载荷。假如在这一阶段卸载,弹性变形将随之消失,而塑性变形将永远保留。强化阶段卸载路径和弹性阶段平行。卸载后若重新加载,材料弹性阶段线将加长、屈服强度显著提升,塑性将降低。这种现象称作应变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵性质之一。塑性变形和应变强化二者结合,是工厂强化金属关键手段。比如:喷丸、挤压,冷拔等工艺,就是利用材料冷作硬化来提升材料强度。强化阶段塑性变形是沿轴向均匀分布。随塑性变形增加,试样表面滑移线亦愈趋显著。曲线应力峰值Rm为材料强度极限b。对低碳钢来说b是材料均匀塑性变形最大抵
7、御能力,也是材料进入颈缩阶段标志。(4)颈缩阶段cd:应力抵达强度极限后,开始在试样最微弱处出现局部变形,从而造成试样局部截面急剧颈缩,承载面积快速降低,试样承受载荷很快下降,直至断裂。断裂时,试样弹性变形消失,塑性变形则遗留在断裂试样上。塑性材料和脆性材料拉伸曲线存在很大差异。低碳钢和铸铁是工程材料中最具经典意义两种材料,前者为塑性材料,后者为脆性材料。观察它们在拉伸过程中变形和破坏特征有利于正确、合理地认识和选择材料。依据试验机绘制拉伸FL曲线确定低碳钢、和铸铁。(1)原始横截面面积(S0)测定:圆形横截面试样,应分别在标距内两端及中部测量直径。测量某处直径时,应在该处测量两个互垂方向直径
8、,取其算术平均值。原始横截面面积S0取三处测得最小直径计算,并最少保留4位有效数字。(2)强度指标(、)测定:从低碳钢FL曲线读取试样FeL和Fm值,将其分别除以试样原始横截面面积S0得低碳钢屈服强度和抗拉强度;从铸铁FL曲线读取试样Fm值,将其除以试样原始横截面面积S0得铸铁抗拉强度;依据拉断后低碳钢试样断口直径及标距段长度确定A11.3 和Z(1)原始标距L0标识:低碳钢拉伸试样标距段原始长度为100mm,分十等分,用划线机划细圆周线作为标识。(2)低碳钢断面收缩率Z测定:断裂后试样横截面最大缩减量S0Su和原始横截面面积S0之比百分率为断面收缩率。测量时将试样断裂部分仔细地配接在一起,使
9、其轴线处于同一直线上。测量圆形横截面缩颈处最小直径计算缩颈后试样最小横截面面积Su。(3)低碳钢断后伸长率A11.3测定:断后标距残余伸长LuL0和原始标距L0之比百分率为断后伸长率。对于百分比试样,若原始标距不为,则符号A应附下标注明所使用百分比系数,比如A11.3表示原始标距L0为试样断后伸长率。测量时将试样断裂部分仔细地配接在一起,应使试样二段轴线处于同一直线上,而且断裂部分合适接触。当断裂处和最靠近标距标识距离大于原始标距三分之一时,标距段长度Lu按要求配接后直接测量,不然应按下述移位方法测量Lu。试验前将原始标距L0细分为N等分,把每一等分细圆周线称为标距等分标识试验后,以符号X表示
10、断裂后试样短一段距离试样夹持部最近标距等分标识,以符号Y表示断裂试样长一段标距等分标识,要求Y和断裂处距离最靠近X和断裂处距离,X和Y之间标距等分格数为n。若Nn为偶数,以符号Z表示断裂试样长一段标距等分标识,要求Z和Y标距等分格数为。分别测量X和Y之间距离记为XY、Y和Z之间距离记为YZ,则试样断后标距段长度LuXY2YZ,以下图(a)所表示。若Nn为奇数,以符号Z 和Z表示断裂试样长一段标距等分标识,要求Z和Y标距等分格数为,Z和Z标距等分格数为1。分别测量X和Y之间距离记为XY、Y和Z之间距离记为Y Z、Z和Z之间距离记为Z Z,则试样断后标距段长度LuXY2Y Z Z Z,以下图(b)
11、所表示。四、试验步骤1按要求测量试样原始横截面面积S0。低碳钢标距段原始长度不用测量,为100mm。铸铁不定标距,不用测量。2按要求装夹试样(先选其中一根),并保持上下对中。3按指导老师要求选择“试验方案” “新建试验” “金属圆棒拉伸试验”进行试验,具体操作要求见电液伺服万能试验机使用说明。4试样拉断后拆下试样,重新调整试验机活动台合理高度(通常为10mm),按要求装夹另一根试样,选择“继续试验” 进行第二根试样拉伸试验。5第二根试样拉断后拆下试样,依据电液伺服万能试验机使用说明把两根试样FL曲线添加不一样颜色一起显示在微机显示器上。从低碳钢FL曲线上读取FeL、Fm值,从铸铁FL曲线上读取
12、Fm值。并比较两条曲线特征。6测量低碳钢拉断后断口最小横截面面积Su。7依据低碳钢断口位置选择直接测量或移位方法测量标距段长度Lu。8比较低碳钢和铸铁断口特征。9试验机复原。五、试验数据及处理要求1试样直径测量和测量工具精度保持一致。2横截面面积计算值取4位有效数字。3拉伸力学性能指标数值确定应保留计算过程,最终止果值按下表要求修约。性能名称范围修约间隔屈服强度和抗拉强度200MPa1MPa2001000MPa5MPa1000MPa10MPa断后伸长率0.5断面收缩率0.5六、思索题1、为何在试验前需要测试件原始尺寸,包含哪些数据,怎样测?2、假如试件直径为10mm ,按标准短百分比试件要求,
13、标距应定为多少? 3、哪种材料需要在试件拉断后测量试件尺寸?4、 铸铁拉伸变形为何没有屈服、强化及缩颈等阶段?5、 测定材料屈服强度意义?哪些材料需要测定屈服强度?6、应变强化是哪类材料特点,发生在拉伸过程哪个阶段,有何作用和意义?试验二 压缩试验一、试验目标1、测定低碳钢压缩时屈服强度s。2、测定铸铁压缩时抗压强度by。3、比较低碳钢和铸铁在压缩时变形规律和破坏现象,并进行比较。二、设备及试样1、电液伺服万能试验机(自行改造)。2、游标卡尺。3、低碳钢、铸铁圆形横截面短试样各一枚。注:材料压缩短试样试样标距段原始高度h0和标距段原始直径d0 比值通常要求为:1h0/ d03。而长试样通常见于
14、拉伸试验。三、试验原理及方法当试样承受压缩时,其上下端面和试验机垫板之间产生很大摩擦力,以下图,这些摩擦力阻碍试样上部和下部横向变形,使其抗压能力有所提升,故试验时试样两端面应涂以润滑剂以减小摩擦力影响。另外,当h0/ d0增大时,摩擦力影响也会降低,所以试样抗压能力将随比值h0/ d0增大而略有降低。由此可见,只有在相同试验条件下,才能对不一样材料压缩性能进行比较。施加载荷时,要求其协力作用线和试样轴线一致,为此试样两端面必需平行且和轴线垂直;同时,在试验机下垫板底部有球形承垫,见上图。当试样两端面稍有不平行时,会自动调整下垫板平面方位,使接触面载荷均匀分布。 低碳钢压缩试验中,屈服现象不及
15、拉伸时那样显著,从Fl曲线读下屈服载荷Fs,由此可求得屈服极限。以后因为材料良好塑性,使其压成饼状而不致破坏,故低碳钢不存在压缩强度极限。 铸铁压缩试验则在出现较大(相对于拉伸而言)塑性变形后发生破坏,其裂纹方向和轴线约成450角,此时载荷即为最大载荷Fby,由此可算得压缩强度极限。四、试验步骤1、测量试样原始尺寸。2、安装试样并保持上下对中。3、依据试样负荷和变形水平,按试验机操作软件设定试验具体步骤加载试验。4、观察试样变形和破坏特征。五、试验数据及处理要求(同轴向拉伸试验)六、思索题1、说明铸铁压缩破坏原因?2、总结低碳钢、铸铁拉伸、压缩力学性能。试验三 扭转试验一、试验目标1、测定低碳
16、钢剪切屈服点s,抗扭强度b。2、测定铸铁抗扭强度b。3、比较低碳钢和铸铁在扭转时变形和破坏特征。二、设备及试样1、伺服电机控制扭转试验机(自行改造)。2、0.02mm游标卡尺。3、低碳钢10圆试件一根,画有两圈圆周线和一根轴向线。4、铸铁10圆试件一根。三、试验原理及方法塑性材料试样安装在伺服电机驱动扭转试验机上,以6-10/min主动夹头旋转速度对试样施加扭力矩,在计算机显示器上即可得到扭转曲线(扭矩-夹头转角图线),以下图为低碳钢部分扭转曲线。试样变形先是弹性性,在弹性阶段,扭矩和扭转角成线性关系。弹性变形到一定程度试样会出现屈服。扭转曲线扭矩首次下降前最大扭矩为上屈服扭矩Tsu;屈服段中
17、最小扭矩为下屈服扭矩Tsl,通常把下屈服扭矩对应应力值作为材料屈服极限s,即:s=sl= Tsl/W。当试样扭断时,得到最大扭矩Tb,则其抗扭强度为b= Tb/W式中W为抗扭截面模量,对实心圆截面有W=d03/16。铸铁为脆性材料,无屈服现象,扭矩-夹头转角图线如左图,故当其扭转试样破断时,测得最大扭矩Tb,则其抗扭强度为:b= Tb/W四、试验步骤1、测量试样原始尺寸 分别在标距两端及中部三个位置上测量直径,用最小直径计算抗扭截面模量。2、安装试样并保持试样轴线和扭转试验机转动中心一致。3、低碳钢扭转破坏试验,观察线弹性阶段、屈服阶段力学现象,统计上、下屈服点扭矩值,试样扭断后,统计最大扭矩
18、值,观察断口特征。4、铸铁扭转破坏试验,试样扭断后,统计最大扭矩值,观察断口特征。五、试验数据处理1、试样直径测量和测量工具精度一致。2、抗扭截面模量取4位有效数字。3、力学性能指标数值修约要求同拉伸试验。六、思索题1、低碳钢扭转时圆周线和轴向线怎样改变?和扭转平面假设是否相符?2、如用木材或竹材制成纤维平行于轴线圆截面试样,受扭时它们将按怎样方法破坏?3、依据低碳钢和铸铁破口特征,分析两种材料扭转破坏原因?1、 比较低碳钢拉伸和扭转试验,从进入塑性变形阶段到破坏全过程,二者变形有何显著区分?试验四 等强度梁试验一、试验目标:1、学习应用应变片组桥,检测应力方法2、验证变截面等强度试验3、掌握
19、用等强度梁标定灵敏度方法4、学习静态电阻应变仪使用方法图21 等强度梁安装图二、试验梁安装示意图1.等强度梁正应力分布规律试验装置其装置图2-1所表示。 2.等强度梁安装和调整:在图2-1所表示位置处,将6.拉压力传感器安装在5.蜗杆升降机构上拧紧,顶部装上7.压头。摇动4.手轮使之降到合适位置,方便不妨碍等强度梁安装。将等强度梁图放置,调整梁位置使其端部和2.紧固盖板对齐,转动手轮使6.压头和梁接触点落在试验梁对称中心线上。调整完成,将1.紧固螺钉(共四个)用扳手全部拧紧。图22 等强度梁实物注意:试验梁端部未对齐或压头接触点不在试验梁对称中心线上,将造成试验结果有误差,甚至错误。3.等强度
20、梁贴片:图等强度梁实物图2-2图23 等强度梁贴片图1、2、3片分别在梁水平上平面纵向轴对称中心线上,1、3片相关2片成左右对称分布,图2-3所表示三、试验原理1 电阻应变测量原理电阻应变测试方法是用电阻应变片测定构件表面应变,再依据应变应力关系(即电阻-应变效应)确定构件表面应力状态一个试验应力分析方法。这种方法是以粘贴在被测构件表面上电阻应变片作为传感元件,当构件变形时,电阻应变片电阻值将发生对应改变,利用电阻应变仪将此电阻值改变测定出来,并换算成应变值或输出和此应变值成正比电压(或电流)信号,由统计仪统计下来,就可得到所测定应变或应力。图24 电阻应变片基础结构示意图2 电阻应变片电阻应
21、变片通常由敏感栅、引线、基底、覆盖层和粘结剂组成,图2-4所表示为其结构简图。3 测量电路原理图25 测量电桥经过在试件上粘贴电阻应变片,能够将试件应变转换为应变片电阻改变,不过通常这种电阻改变是很小。为了便于测量,需将应变片电阻改变转换成电压(或电流)信号,再经过电子放大器将信号放大,然后由指示仪或统计仪指示出应变值。这一任务是由电阻应变仪来完成。而电阻应变仪中电桥作用是将应变片电阻改变转换成电压(或电流)信号。电桥依据其供电电源类型可分为直流电桥和交流电桥,下面以直流电桥为例来说明其电路原理。31 电桥平衡直流电桥图2-5所表示,电桥各臂R1、R2、R3、R4能够全部是应变片(全桥式接法)
22、,也能够部分是应变片,其它为固定电阻,如当R1、R2为应变片,R3、R4接精密无感固定电阻时,称为半桥式接法。桥路AC端供桥电压为E,则在桥路BD端输出电压为: 由上式可知,当桥臂电阻满足: R1R3=R2R4时,电桥输出电压U=0 ,称为电桥平衡。32 电桥输出电压设起始处于平衡状态电桥各桥臂(应变片)电阻值全部发生了改变,即此时电桥输出电压改变量为:可深入整理为对以下常见测量电路,该输出电压改变可作深入简化:a) 全等臂电桥在上述电桥中,各桥臂上应变片起始电阻值全相等,灵敏系数K也相同,于是 ,以代入上式,得b) 半等臂电桥当R1、R2为起始电阻值和灵敏系数K全部相同应变片,R3、R4接精
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