非常经典的工程力学实验指导书+题.docx

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1、工程力学实验指导书主编：2011 年 11 月目录实验一拉伸和压缩实验3实验二梁弯曲正应力实验8实验三金属材料扭转实验 122实验一拉伸和压缩实验拉伸实验一、实验目的1观察与分析低碳钢、灰铸铁在拉伸过程中的力学现象并绘制拉伸图。2测定低碳钢的s、b、和灰铸铁的b。3比较低碳钢与灰铸铁的机械性能。二、实验内容1低碳钢拉伸实验材料的机械性能指标s、 b、和由常温、静载下的轴向拉伸破坏试验测定。整个试验过程中， 力与变形的关系可由拉伸图表示，被测材料试件的拉伸图由试验机自动记录显示。低碳钢的拉伸图比较典型，可分为四个阶段：直线阶段 OA 此阶段拉力与变形成正比，所以也称为线弹性变形阶段，A 点对应的

2、载荷为比例极限载荷Fp；屈服阶段 BC曲线常呈锯齿形，此阶段拉力的变化不大，但变形迅速增加，此段内曲线上的最高点称为上屈服点B，最低点称为下屈服点B，因下屈服点 B 比较稳定，工程上一般以B 点对应的力值作为屈服载荷Fs；强化阶段 CD 此阶段拉力增加变形也继续增加， 但它们不再是线性关系，其最高点 D 对应的力值为最大载荷Fb；颈缩阶段 DE过了 D 点，试件开始出现局部收缩（颈缩） ，直至试件被拉断。图 1-1 为低碳钢拉伸图。FFDB CAEBF bFpF sF bLL0图 1-1图 1-232灰铸铁拉伸实验对于灰铸铁，由于拉伸时的塑性变形极小， 在变形很小时就达到最大载荷而突然断裂，没

3、有明显的屈服和颈缩现象， 其强度极限即为试件断裂时的名义应力。图 1-2 为铸铁拉伸图。三、实验仪器、设备1600KN 微机屏显式液压万能试验机；2游标卡尺。四、实验原理1根据低碳钢拉伸载荷Fs、Fb 计算屈服极限 s和强度极限 b。2根据测得的灰铸铁拉伸最大载荷Fb 计算强度极限 b。FsFbd02sbA04A0A03根据拉断前后的试件标距长度和横截面面积，计算低碳钢的延伸率 和截面收缩率 。L1 L0100%A0A1 100%L0A0五、实验步骤（一）实验准备1打开计算机，双击计算机桌面上的TestExpert图标，试验软件启动。2打开控制系统电源，系统进行自检后自动进入PC-CONTRO

4、L 状态。3软件联机并启动控制系统：（1）点击“联机”按钮 .出现联机窗口，当此窗口消失证明联机成功。（2）按下启动按钮，控制系统“ON”灯亮后，软件操作按钮有效。4测量并记录试件的尺寸：在刻线长度内的两端和中部测量三个截面的直径 d0，取直径最小者为计算直径，并量取标距长度L0。5调节横梁位置并安装试样。（二）进行实验1设置试验条件。2开始试验：（1）按下“试验”按钮，试验机开始按试验程序对试件进行拉伸。仔细观4察试件和计算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸过程中的对应情况， 特别注意观察屈服阶段的特点、颈缩阶段的发生和发展，直至试件拉断，取下试件并观察断口。（2）对灰铸铁试件，则装夹后按下“试验”按

5、钮，试验机开始按试验程序对试件进行拉伸，仔细观察试件和计算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸过程中的对应情况，直至拉断，取下试件并观察断口。3浏览拉伸曲线，记录屈服载荷Fs 和最大载荷 Fb，或打印试验报告。（三）断后延伸率 和截面收缩率 的测定（1）试件拉断后，将其断裂试件紧密对接在一起，在断口（颈缩）处沿两个互相垂直方向各测量一次直径， 取其平均值为 d1，用来计算断口处横截面面积 A1 。（2）将断裂试件的两段紧密对接在一起，尽量使其轴线位于一直线上，若断口到邻近标距端点的距离大于L 0/3，则用游标卡尺测量断裂后两端刻线之间的标距长度即为 L 1。（3）若断口到邻近标距端点的距离小于或等于L0

6、/3，要求用断口移中法计算 L 1 的长度。则应按下述方法来测量拉断后试件标距部分的长度L1。利用在试验前将试件标距部分等分成 10 个小格，即以断口 O（图 1-3a）为起点，在长段上量取基本等于短段的格数得 B 点。当长段所余格数为偶数时，则由所L1AOOB2BC余格数的一半得C 点，将 BC 段长度移到标距的左端，则移位后的L1 为：如果在长段取 B 点后所余下的格数为奇数（图1-3b），则取所余格数加1 之半得C1 点，减 1 之半得 C 点，则移中（即将BC1 或 BC 移到试件左侧）后的L 1 为：L1AOOBBCBC1AOBCD移移L0（ 实际的）L（ 移位后的）1图 1- 3a

7、AOBCC1D移移L （ 实际的）05L（ 移位后的）1图 1-3 b六、实验报告要求1实验报告应包括：试验名称、目的、仪器设备名称、规格、量程、实验记录及结果。2完成以下要求（1）根据测得的低碳钢拉伸载荷Fs、 Fb 计算屈服极限 s和强度极限 b。（2）根据测得的灰铸铁拉伸最大载荷Fb 计算强度极限 b。（3）根据测得拉断前后的试件标距长度和横截面面积，计算出低碳钢的延伸率 和截面收缩率 ；由于灰铸铁拉伸塑性变形量很小，断后延伸率和截面收缩率一般就不必测定。（4）绘制两种材料的拉抻图（F-L 图）。（5）绘图表示两种材料的断口形状。七、实验注意事项1实验时必须严格遵守实验设备和仪器的各项操

8、作规程，严禁开“快速”档加载。开动万能试验机后， 操作者不得离开工作岗位，实验中如发生故障应立即停机。2 加载时速度要均匀缓慢，防止冲击。八、思考题1低碳钢和铸铁在常温静载拉伸时的力学性能和破坏形式有何异同？2测定材料的力学性能有何实用价值？3你认为产生试验结果误差的因素有哪些？应如何避免或减小影响？压缩实验一、实验目的1. 观察与分析低碳钢、灰铸铁在压缩过程中的力学现象并绘制压缩图。2. 测定压缩时低碳钢的的s，灰铸铁的 b 。3. 比较低碳钢与灰铸铁的机械性能。二、实验内容1低碳钢压缩实验6低碳钢受压时与受拉时一样有比例极限和屈服极限，但不象拉伸时那样有明显的屈服现象。因此，测定压缩的屈服

9、载荷Fs 时要特别细心观察。在缓慢匀速加载下，试验机的测力指针会突然停留、或倒退、或指针转速突然减慢。如果指针停留，则以指针所指载荷作为屈服载荷Fs；如果指针倒退， 则以指针所指最低载荷作为屈服载荷Fs； 如果指针转速突然减慢，此时主动指针所指载荷即作为屈服载荷 Fs。过了屈服点，塑性变形迅速增加，试件横截面面积也随之增大。而增大的面积能承受更大的载荷，因此，压缩曲线迅速上升， 见自动绘图仪绘出低碳钢压缩图（图 2-1）。低碳钢试件最后可压成饼状而不破坏，所以无法测定最大载荷 Fb。FFFbFsLL图 2-1图 2-22灰铸铁压缩实验灰铸铁试件受压缩时，在达到最大载荷Fb 前会出现较大的弹性变

10、形才发生破裂，此时测力指针迅速倒退，由随动指针可读出最大载荷Fb，自动绘图仪绘出铸铁压缩图（图2-2）。灰铸铁试件最后被压成腰鼓形，表面出现与试件轴线大约成45左右的倾斜裂纹。三、实验仪器、设备1600KN 微机屏显式液压万能试验机；2游标卡尺。四、实验原理1根据低碳钢的压缩屈服载荷Fs 计算压缩屈服极限s。2根据铸铁的压缩最大载荷Fb 计算压缩强度极限b。bFbsFsA0A07五、实验步骤1测量并记录试件高度及横截面直径。2根据估计的最大载荷选择测力盘刻度档，配以相应摆锤，调整指针使对准零点，调整绘图装置。3将试件两端涂上润滑剂，然后放在试验机活动台支承垫中心处。4开动试验机，使活动台上升，

11、当试件与上支承垫接近时应把油门关小减慢活动台上升速度， 以免上升速度太快引起冲击载荷。当试件与上支承垫接触受力后，要控制加载速度， 使载荷缓慢均匀增加， 注意观察测力指针和绘图装置所绘的压缩曲线， 从而判断试件是否已达屈服阶段，及时记录屈服载荷Fs，超过屈服载荷后，继续加载，低碳钢试件被压成腰鼓形即可停止。5.铸铁试件加压至试件破坏为止，记录最大载荷Fb。六、实验报告要求1实验报告应包括：试验名称、目的、仪器设备名称、规格、量程、实验记录及结果。2完成以下计算（1）根据测量的低碳钢的压缩屈服载荷Fs 计算压缩屈服极限s。（2）根据测量的铸铁的压缩最大载荷Fb 计算压缩强度极限b。七、实验注意事

12、项1实验时必须严格遵守实验设备和仪器的各项操作规程，严禁开“快速”档加载。开动万能试验机后， 操作者不得离开工作岗位，实验中如发生故障应立即停机。2加载时速度要均匀缓慢，防止冲击。八、思考题1比较低碳钢和铸铁在拉伸和压缩时所测得的s 和b 的数值有何差别？2仔细观察铸铁的破坏形式并分析破坏原因。8实验二梁弯曲正应力实验一、实验目的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、实验内容1加载载荷梁发生纯弯曲变形。2测试应变值。3验证正应力公式。三、实验仪器、设备1组合实验台中纯弯曲梁实验装置。2XL2118 系列力应变综合参数测试仪。3游标卡尺、钢板尺。四、

13、实验原理1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MyI z式中 M 为弯矩，I z 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（如图3-1）。 P/2 P/2aL#1#2#3#4#5hab图 3-1 应变片在梁中的位置92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 ，然后分别取各点应变增量的平均值 实 i，依次求出各点的应变增量实 iE实i将实测应力值与理论应力值

14、进行比较，以验证弯曲正应力公式。五、实验步骤1设计好本实验所需的各类数据表格。2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yi。见附表 13拟订加载方案。先选取适当的初载荷0（一般取 P0Pmax左右），P=10估算 Pmax（该实验载荷范围Pmax 4000N），分 46 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，调整好仪器，检查整个测试系统是否处于正常工作状态。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i，直到最终载荷。实验至少重复两次。见附表

15、26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）应变片至中性层距离（mm ）梁的尺寸和有关参数Y 1 20宽度 b =20mmY 2 10高度 h =40mmY 30跨度 L =600mmY 410载荷距离 a =125mmY 520弹性模量 E = 206GPa泊 松 比 = 0.26惯性矩 Iz=bh 3/12=1.06710-7 m4附表 2 （实验数据）10载荷P50010001500200025003000N P500500500500500P1P各平均值测P点2P电平均值阻P应3P变平均值

16、仪P读4P数平均值P5P平均值六、实验报告要求1实验报告应包括：试验名称、目的、仪器设备名称、规格、量程、实验记录及结果。2完成以下计算（1）实验值计算_根据测得的各点应变值 i求出应变增量平均值i ，代入胡克定律计算各点的实验应力值，因-6，所以1 =10各点实验应力计算：_61实E 1实 Ei 10（2）理论值计算载荷增量P= 500 N弯距增量M= Pa/2=31.25 N m各点理论值计算：11Myii 理 I z（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i实和i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。（4）实验值与理论值

17、的比较测点理论值 （ MPa ）实际值 （ MPa）相对误差ii理实12345七、实验注意事项1加载时要缓慢，防止冲击。小心操作，应特别注意不要超载，以免将钢梁压坏。2读取应变值时，应保持载荷稳定。3各引线的接线柱必须拧紧，测量过程中不要触动引线，以免引起测量误差。八、思考题1比较应变片 4、 5 的应变值，可得到什么结论？2本实验中，对应变片的珊长和珊宽尺寸有无要求？为什么？12实验三金属材料扭转实验一、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 和抗扭强度b 。2测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度b 。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、

18、实验内容1测定低碳钢扭转时的强度性能指标。2测定灰铸铁扭转时的强度性能指标。三、实验仪器、设备1数显式扭转试验机。2游标卡尺。四、实验原理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M es ，低碳钢的扭转屈服应力为s3 M es4 Wp式中： Wpd 3 / 16 为试样在标距内的抗扭截面系数。在测出屈服扭矩Ts 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M eb ，低碳钢的抗扭强度为b对上述两公式的来源说

19、明如下：3 M eb4 Wp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M e图如图 3-1 所示。当达到图中A 点时， M e 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 ，如能测得此时相应的外13力偶矩 M ep ，如图 3-2a 所示，则扭转屈服应力为M epsWp经过 A 点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图3-2b 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3-2c 所示的情况，对应的扭矩 Ts为M eCBAMebM esM epO图 3-1

20、低碳钢的扭转图sssTTT（a）（b）（ c）图 3-2低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布（a） T Tp ；（ b） TpTTs ；（c） T Tsd/2d/22 dd34Wp sTss 2d 2 ss00123由于 TsM es ，因此，由上式可以得到s3 M es4 Wp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M es 来求扭转切应力 s 。当然这种计算方法也有缺陷，只有当实际的应力分布与图 3-2c 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。14从图 3-1

21、 可以看出，当外力偶矩超过M es 后，扭转角 增加很快，而外力偶矩 M e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3-2c所示，只是切应力值比 s 大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩 M eb ，可求得抗扭强度为3 M ebb4 Wp2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M eb （方法同 2），抗扭强度为bM ebWp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。五、实验步骤1测定低碳钢扭转时的强度性能

22、指标（1）测量试样的直径（方法与拉伸试验相同）。（2）将试样安装到扭转试验机上，用手摇柄缓慢加载，清除试样与夹具之间的空隙。（3）将扭转角与扭矩清零，按“检测”按钮，使显示灯从手动变为自动。（4）用手摇柄均匀缓慢加载，直至试样被扭断为止。（5）按下“打印”按钮，取下数据记录纸带，记录屈服外力偶矩M es 和最M大外力偶矩eb 。（1）测量试样的直径（方法与拉伸试验相同）。（2）将试样安装到扭转试验机上，用手摇柄缓慢加载，清除试样与夹具之间的空隙。15（3）将扭转角与扭矩清零，按“检测”按钮，使显示灯从手动变为自动。（4）用手摇柄均匀缓慢加载，直至试样被扭断为止。（5）按下“打印”按钮，取下数据

23、记录纸带，记录最大外力偶矩 M eb 六、实验报告要求1实验报告应包括：试验名称、目的、仪器设备名称、规格、量程、实验记录及结果，如低碳钢及铸铁扭转时的机械性能， 两种时间破坏时的断口状态图等。分析讨论低碳钢和铸铁破坏情况及原因， 并与拉伸与压缩试验情况进行比较。2填写表格表 3-1 测定低碳钢和灰铸铁扭转时的强度性能指标试验的数据记录与计算材料试样尺寸实验后的试样草图实验数据试样的扭转图低碳钢直径 dmm屈 服 扭 矩 Ts最 大 扭 矩 Tb扭转屈服应力 s0. 75Ts /Wp抗 扭 强 度 b0. 75Tb /Wp灰铸铁直径 dmmN mN m最大扭矩 TbN mMPa抗扭强度 b Tb /WpMPaMPa七、实验注意事项1加扭矩要均匀缓慢。2变换扭矩测量范围，要在加载前停机进行。若要调整机器转速，也要停机进行，以免损坏传动齿轮。八、思考题1比较低碳钢与灰铸铁试样的扭转破坏断口，并分析它们的破坏原因。2根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果，比较低碳钢与灰铸铁的力学性能及破坏形式，并分析原因。16