材料力学实验教案学生实验守则1、学生应按照课程教学计划，准时上实验课，不得迟到早退。

2、实验前应认真阅读实验教程，明确实验目的、步骤、原理，预习有关的理论知识，并接受实验教师的提问和检查。

3、进入实验室必须遵守实验室的规章制度。

不得高声喧哗和打闹，不准抽烟、随地吐痰和乱丢纸屑杂物。

4、做实验时必须严格遵守仪器设备的操作规程，爱护仪器设备，节约使用材料，服从实验教师的指导。

未经许可不得动用与本实验无关的仪器设备及其物品。

5、实验中要细心观察，认真记录各种实验数据。

不准敷衍，不准抄袭别组数据，不得擅自离开操作岗位。

6、实验时必须注意安全，防止人身和设备事故的发生。

若出现事故，应立即切断电源，及时向指导教师报告，并保护现场，不得自行处理。

7、实验完毕，应清理实验现场。

经指导教师检查仪器设备、工具、材料和实验记录后方可离开。

8、实验后要认真完成实验报告，包括分析结果、处理数据、绘制曲线及图表。

在规定的时间内交指导教师批改。

9、在实验过程中，由于不慎造成仪器设备、工具损坏者，应写出损坏情况报告，并接受检查，由领导根据情况进行处理。

10、凡违反操作规程、擅自动用与本实验无关的仪器设备、私自拆卸仪器而造成事故和损失的，肇事者必须写出书面检查，视情节轻重和认识程度，按章予以赔偿。

实验一低碳钢和铸铁的拉伸实验一、实验目的1、测定低碳钢的弹性模量E、屈服极限σs 、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率ψ；2、测定铸铁的抗拉强度σb；3、观察、比较塑性材料和脆性材料在拉伸过程中的各种物理现象（包括弹性、屈服、强化和颈缩、断裂等现象）；4、学习、掌握电子万能试验机和相关仪器的使用方法。

二、实验设备1、WDW—100C型微机控制电子万能试验机2、游标卡尺三、实验试件试件的尺寸和形状对实验结果会有所影响。

为了避免这种影响，便于各种材料机械性质的相互比较，国家对试件的尺寸和形状有统一规定[中华人民共和国国家标准《金属材料室温拉伸试验法》（GB/T228-2002）]。

本实验的试件采用国家标准GB/T228-2002所规定的常用的圆形横截面比例试件，直径尺寸d=10mm，试验段长度（标距）l=100mm（见图1）。

图1 图2四、实验原理及方法低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢，这类钢材在工程中使用较广，在拉伸试验中表现出的力学性能也最为典型。

本次实验主要测定它的屈服极限σs、强度极限σb 、延伸率δ和断面收缩率ψ等力学性能指标。

(1)弹性模量E 的测定由材料力学知识可知，材料在屈服前力与变形是成线性关系的，其拉伸图基本为一条直线，如图3低碳钢拉伸曲线图所示。

弹性模量是材料在弹性变形范围内应力与应变的比值，即：E=σ/ε (1.1)因为σ=F/A 0，ε=△L/L e ，所以弹性模量E 又可表示为：E= F · L e / A 0·△L= △F · L e / A 0·)(L ∆∆ (1.2) 式中：E —材料的弹性模量，σ—应力，ε—应变，F —载荷，A 0—试样横截面面积，L e可见，在材料线弹性范围内，对应着每一个拉力F ，试样标距L 0有一个伸长量ΔL ，利用公式（1.2）即可求得弹性模量E 。

实际计算时，由于试验仪器的精度、夹具的间隙等问题，绝对载荷与绝对变形无法同步获取，所以一般采取增量法来得到弹性模量E 。

即取一个载荷初始点F 0，在此基础上按相等增量的间隔，读取5-6组相应变形增量数据，计算出变形增量Δ(ΔL)。

由于弹性模量是在材料线弹性范围内测定，所以在理论上如果每级载荷增量相等，那么各级变形增量也应相等，因此可取平均值)(L ∆∆来计算弹性模量E 。

(2) 屈服极限σs 、强度极限σb 、延伸率δ和断面收缩率ψ的测定 低碳钢的力学性能指标屈服极限σs 、强度极限σb 、延伸率δ和断面收缩率ψ是评定材料力学性能的主要指标，是由拉伸破坏实验来确定的，这些指标可以通过材料的拉伸图来描述，实验后，打印出实验的完整拉伸曲线图（图2）和相关实验数据。

这里要注意以下几个问题：1、拉伸图中拉伸变形△L是整个试件的伸长（不仅是标距部分的伸长），并且包括机器本身弹性变形和试件头部在夹板中的滑动等。

2、在弹性阶段，理论上的拉伸曲线应是一段直线，因试件开始受力时，头部在夹板中的滑动很大，所以绘出的拉伸图最初一段是曲线。

3、在屈服阶段，拉伸曲线（b-c）呈水平方向变动，常成锯齿状，由于上屈服点b′受变形速度和试件形状等影响较大，而下屈服点b则比较稳定，故工程上均以b点所对应的载荷作为材料屈服时的载荷Fs，屈服极限按下式计算：σs =Fs(MN)/A(m2)(MPa) （1.3）A-试样的初始断面积。

4、在强化阶段，当试件所受拉力达到最大载荷Fb之前，在标距范围内的变形是均匀的，拉伸曲线是一段平缓上升的曲线，在这段曲线的最高点d，拉力达到最大载荷Fb，以下式计算强度极限：σb =Fb(MN)/A(m2)(MPa) （1.4）5、在局部收缩阶段，当拉力达到最大载荷Fb后，试件开始局部伸长和颈缩。

在颈缩发生部位，其横截面面积迅速缩小，继续拉伸所需的载荷也迅速减小，拉伸曲线从d点开始下降，直至点e，试件断裂。

此时通过测量试件断裂后的长度l 1和断口处的直径d1，由公式:100100100%100%l l A Al Aδψ--=⨯=⨯和（1.5）即可算出延伸率δ和截面收缩率ψ。

式中: l:试件初始标距长度l1:试件两断开断加以对紧后所量得的标距端点间的长度A1:缩颈处横截面积在测量l1时，要注意这样一种情况:即断口在标距中间1/3范围内，则可以直接测量两端标距间距离为l1，如断口不在标距范围的中间1/3以内，这是，由于在断裂试件的较短一段上，必将受到试件较粗部分的影响，而降低颈缩部分的局部伸长量，从而使δ的数值偏大,此时直接测量的结果不能正确反映材料的延伸率，因此，需要采用“断口移中法”推算出标距l1，具体方法是：设两标点f、f1之间共有10格，断口g点靠近左段，如图4断口移中图所示，取左边标点f 至断口间的格数的两倍为nˊ格（应取为整数）的h点，量得fh段的长度为l ˊ；再自h向右取格数n〞至i点，使nˊ+ 2n〞=10格，然后量出hi的长度为l〞；即可算出断裂后的标距l1= lˊ+2 l〞。

图5五、实验步骤1、试件准备为便于观察变形沿轴向的分布情况，将试件打上标距点，在标距范围内每隔10mm刻上分格线，将标距分成十格。

在标距L内，用游标卡尺分别测量试件两端及中部三个横截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的直径，以三处测量结果中的最小值作d0，计算试件的横截面面积A，A取三位有效数字，记录实验原始数据。

2、开机打开计算机及电子万能试验机主机电源开关，打开软件，启动伺服驱动器和油泵。

3、试验条件输入与选择试验条件包括试样参数、报告数据、测试条件、设置选项等内容，根据实验内容和要求如实填写。

4、实验编号六位数（年级、班级、小组号各两位数）。

5、安装试件先夹好上夹头，软件“负荷”调零，再夹下夹头。

6、夹引伸计低碳钢拉伸实验时，夹好引伸计，“变形1”调零。

7、开始测试点击开始测试图标，试验开始。

注意低碳钢拉伸实验进入强化阶段就要取下引伸计。

8、打印实验数据和拉伸曲线图试验结束，存储数据并打印实验数据和拉伸曲线图。

9、取下试件将试件取下，观察、比较试件的破坏断口形状，分析破坏原因。

10、工具复原，经指导教师检查后关伺服驱动器和油泵，关软件，关试验机电源。

11、测量数据将断裂低碳钢试件的两端对齐并尽量挤紧，用游标卡尺测量断裂后标距长度。

测量两端断口的直径，应在每段断口出两个互垂方向各测一次，计算其平均l1, 记录测量结果。

值，取其中最小者计算A112、实验数据计算六、思考题1、从实验现象和实验结果对比低碳钢和铸铁的力学性能。

2、比较低碳钢拉伸、铸铁拉伸的断口形状，分析其破坏的力学原因。

实验二低碳钢和铸铁的压缩实验一、实验目的1、比较低碳钢和铸铁压缩变形和破坏现象；2、测定低碳钢的屈服极限σs和铸铁的强度极限σb；3、比较铸铁在拉伸和压缩两种受力形式下的机械性能、分析其破坏原因；4、熟悉电子万能试验机的使用方法。

二、实验设备1、WDW—100C型微机控制电子万能试验机2、游标卡尺三、实验试件根据国家有关标准，金属材料实验的压缩试件一般为短圆柱形，如图6压缩实验试件所示，其高度h与d之比一般为1∠h/d∠3，若小于l，则摩擦力的影响太大；若大于3，虽然摩擦力的影响减小，但稳定性的影响却突出起来。

试件的h/d对实验影响较大，不同的h/d试件实验结果不能进行比较，本实验采用h/d=1.5。

低碳钢和铸铁试件均为直径Ф10的圆柱体。

图6四、实验原理及方法压缩实验是研究材料性能常用的实验方法，对铸铁、铸造合金、建筑材料等脆性材料尤为合适。

通过压缩实验观察材料的变形过程、破坏形式，并与拉伸实验进行比较，可以分析不同应力状态对材料强度、塑性的影响，从而对材料的机械性能有比较全面的认识。

压缩试验在电子万能试验机上进行。

当试件受压时，其上下两端面与试验机支撑之间产生很大的摩擦力，使试件两端的横向变形受到阻碍，故压缩后试件呈鼓形。

摩擦力的存在会影响试件的抗压能力甚至破坏形式，为了尽量减少摩擦力的影响，实验时试件两端必须保证平行，并与轴线垂直，使试件受轴向压力，另外，端面加工应有较高的光洁度。

低碳钢试样压缩时同样存在弹性极限、比例极限、屈服极限而且数值和拉伸所得的相应数值差不多，但是在屈服时却不象拉伸那样明显，需细心观察，材料在发生屈服时对应的载荷为屈服负荷FS。

随着缓慢均匀加载,低碳钢受压变形增大而不破裂，愈压愈扁。

横截面增大时，其实际应力不随外载荷增加而增加，故不可能得到抗压负荷Fb，因此也得不到强度极限σb，所以在实验中是以变形来控制加载的。

低碳钢的压缩图（即P一△1曲线）如图7所示，超过屈服之后，低碳钢试样由原来的圆柱形逐渐被压成鼓形，即如图9。

继续不断加压，试样将愈压愈扁，横截面面积不断增大，试样抗压能力也不断增大，故总不被破坏。

所以，低碳钢不具有抗压强度极限（也可将它的抗压强度极限理解为无限大），低碳钢的压缩曲线也可证实这一点。

灰铸铁在拉伸时是属于塑性很差的一种脆性材料，但在受压时，试件在达到最大载荷Pb前将会产生较大的塑性变形，最后被压成鼓形而断裂。

铸铁的压缩图（P一△1曲线）如图8所示。

图7 图8图9 图10灰铸铁试样的断裂有两特点：一是断口为斜断口，如图10所示。

二是按Pb /A求得的σb远比拉伸时为高，大致是拉伸的3—4倍。

为什么象铸铁这种脆性材料的抗拉与抗压能力相差这么大呢？这主要与材料本身情况（内因）和受力状态（外因）有关。

铸铁试件压缩时，在达到抗压负荷Fb前出现较明显的变形然后破裂，铸铁试件最后会略呈鼓形，断口的方位角约为55°~60°，断裂面与试件轴线大约呈45o。