工程力學實驗講義

浙江水利水電專科學校

、拉伸、壓縮實驗

（一）目的要求

1、了解萬能機的主要結構及其工作原理，熟悉操作規程和正確

使用方法，并注意安全事項。

2、通過實臉觀察低碳鋼、鑄鐵在拉伸和壓縮過程中表現的各種

變形規律和破壞現象。分析和比較不同材料的力學性能。

3、測定低碳鋼拉伸時的屈服極限區、強度極限與、延伸率5和

截面的收縮率”。

（二）設備

1、液壓萬能機。（圖1-1）

圖1-1

2、游標卡尺。

3、試件

（1）低碳鋼和鑄鐵的拉伸

試件要測定某一種材料的機械性質，試件的數量一般至少取3-

5根為一組（取材要有代表性），為了便于比較試臉結果，必須按照

國家統一標準（GB228-76）的規定加工成標準試件或比例試件，尺寸

如表1。

表1

試件標距截面尺寸圓形試件直徑

長20031420

標準的

短10031420

長11.2&任意的任意的

比例的

短5.654任意的任意的

標距的“為試件中段兩點間的距離，作為測量拉伸變形之用，本

試驗室采用4=54的圓形截面短試件。

（2）低碳鋼和鑄鐵的壓縮試件

高度和橫截面的尺寸應適宜，太高易產生縱向彎曲和不穩定，太

粗短則與上下支承墊板間摩擦力太大，通常規定為：

1W殳43（%為高度，d”為直徑），兩端面必須光滑而平行。

do

（三）試驗步驟

1、仔細聽取教師講解機器構造和使用方法，認識主要部件及其

作用。本室為WE-30A液壓萬能試驗機。（圖1-2）

圖1一2

2、低碳鋼和鑄鐵的拉伸、壓縮

(1)檢查低碳鋼拉伸試件是否合格，在試件中段劃線機劃出標

距，并在標距間每隔1/10刻劃上圓周線(這一步已由實驗室事先做

好)，以便觀察變形分布的情況；此外，如試件的斷口不在中間的，

便于移中計算，以求得比較正確的延伸率。在標距兩端和中間等三處

截面的兩相互垂直方向上量取直徑，算出三個平均值，取其中最小平

均直徑作為計算強度時的直徑。

(2)根據材料的強度極限(可查手冊)估算最大荷載P,選擇合

適的測力度盤和調整擺錘(使最大負荷約為測力度盤最大容量的80%

較好)。

(3)檢查試驗機是否處于正常狀態。如操縱機構或油門是否在正

確起始位置；保險開關，自動繪圖能否正常工作等。

(4)關緊回油閥和進油閥，開動油泵馬達后再慢慢打開進油閥，

把橫梁抬高消除可動橫梁的自重，然后關閉進油閥，停止馬

達，調整測力指針至零，并撥動副針使之與主(動)針靠近。

(5)安裝試件，對拉伸試件，先將一端夾于上夾頭內，要夾足、

夾正，再移動下夾頭使直達到適當位置，在夾緊試件下端時要注意使

試件中心與拉力方向在一直線上。對壓縮試件，則要擺正在支承的中

心位置，盡量避免偏心而達到軸向受力。

(6)調整好自動繪圖裝置，并裝上記錄用紙和筆，以便觀察其工

作情況。

(7)開動機器，緩緩打開進油閥，慢速均勻加載。對鑄鐵試件加

載至斷裂，立即停機。記錄最大荷載對低碳鋼試件加載時，當示

力盤上指針轉動很慢，或者停止不動，甚至倒退時，表明材料已達屈

服階段，記下屈服時的荷載，一般以測力指針回轉后指示的最小荷載

最為屈服荷載P,。

(8)當低碳鋼試件達到屈服階段后，加載速度適當加快，對壓縮

試件加載至所需荷載，立即停機。對拉伸試件，加載速度加快后載荷

隨變形增加達到最大值，可看到試件開始發生截面局部縮小，即所謂

的“頸縮現象”，記下最大荷載為。頸縮后，荷載迅速下降，試件很

快斷裂，立即停機。

(9)取下試件，把低碳鋼拉伸試件兩端斷口對正密合在一起，量

取試件斷后的標距線之間長度小，并在斷后處兩個相互垂直方向量取

直徑4，取平均值，記錄數據，整理機儀，一切復原。

(10)觀察試件斷口形狀，結合自動繪圖裝置所描繪出的P-/曲

線圖，分析塑性材料和脆性材料在拉伸和壓縮過程中的異同點及其機

械性質。

(四)試驗數據處理

1、強度極限外和屈服極限4的計算

<y=—MPa

hA)

5=—MPa

4

2、計算延伸率時斷后標距0的量法

乙的測量與斷口的位置有關，愈近斷口(頸縮)處材料的

塑性變形愈大，如斷口在兩端處或標距外，則試驗不合格，須

重做。當斷口在標距中間的三分之一處時，變形比較對稱，只

要把試件兩部分對齊合起來，就可量取0。當斷口不在標距長

度三分之一以內時，需用斷口移中法，就是預先在試件標距長

度內每隔5mm所劃的十個分格線進行換算，可以較準確地量取

A|o

拉伸前10格相等（圖1-3）o拉斷后，在斷裂處第一條劃

線向右較長一段取10/2格，標記為a,把a點作為整個標距的

最后邊一點，這就相當于把斷口擺在標距中央。再從a點數到

右端標點線有幾格，就由a向右取相同的格數，標以b,令m

表示的長度，n表示團的長度，則0之值等于線段ac和時之

和，即。=m+2n,其長度中包括的格數等于L內的原分格數。

圖1-3

（四）注意事項

1、未經指導教師同意不得開動機器。

2、操作者要嚴格遵守操作規程，不得隨意離開操縱臺。

3.不得使用快速馬達加載（快速馬達只有在安裝試件時作

為調節下夾頭上下移動用，試件夾緊后，下夾頭不再調整）。

4、初加我時要注意測力指針，防止加載過快，卸載時要注

意試件，雖然有時指針尚未遇到零點，但試件已經松動，應立

即關閉馬達。

（五）問題思考

1、為什么萬能機在試驗前必須將活動臺（橫梁）升起一定

高度后才調整“零''點？

2、根據什么原則選擇測力度盤和擺錘？

3、加載、卸載時要注意什么？

4、試比較塑性材料和脆性材料在拉伸和壓縮過程中的異同。

5、低碳綱的屈服點如何確定？

6、低碳鋼拉斷時的應力是否就是強度極限

7、為什么在計算拉伸應力時截面面積取試件三處中最小

者？

扭轉試驗

一、目的

1、觀察低碳鋼和鑄鐵受扭過程中的變形現象：比較它們的破壞

特征。

2、驗證扭轉虎克定律，測定剪切強度極限。

二、設備

1、扭轉試驗機。

2、游標卡尺,

3、試件。

本室為NJ-50B型扭轉試驗機（圖27）,其結構分為加載機構、

測力機構及記錄裝置三部分。實險機有四級度盤分別為0-50Nm、

OTOONm、0-200Nm.0-500Nmo

圖2-1

加載機構安裝在溜板上，經六個滾動軸承可在基座的導軌上自由

滑動，由直流電動機的帶動，通過兩級蝸輪、蝸桿減速箱的減速，使

夾頭旋轉對試樣施加扭矩，無級調速分為兩檔0-36。/分，0-360。/分。

測力機構由夾頭1穿來的力矩M通過杠桿2或反向杠桿3,變支

點杠桿6到后桿20,后動平衡杠桿10,由于P力的作用，平衡杠桿

上翹，推動差動變壓器12,差動變壓器鐵芯位移，發出信號，經放

大器13,使伺服電機14轉動，通過鋼絲21,拉動游陀11運動，游

陀移動的同時通過鋼絲拉動繩輪24,使指針16在測力度盤17上指

出力矩Mn的數值，當游陀對支點的力矩QS=Pr時達到平衡；杠桿恢

復水平狀態。差動變壓器鐵芯處于零點，無信號輸出，電機停止轉動。

記錄裝置中記錄筆22沿記錄筒通過鋼絲15由繩輪24拉動，如

指針轉動一圈，記錄筆所描繪的直線長度就是儀表該度盤的滿度力矩

值，作為力矩坐標，記錄筒的轉動是通過裝于主動夾頭25的減速箱

26上的自整角發送機27發出信號經放大器28由伺服電機29帶動自

整角30轉動。

三、試驗步驟

1、用特殊鉛筆在低碳鋼試件表面劃出平行桿軸線的縱向線和左

標距內兩個截面的圓周線，使成為小矩形格子（已由實臉室準備好）。

2、用游標卡尺在試件標距長度內量取直徑（方法如拉伸實驗）。

3、選擇合適的度盤（施加扭矩后，禁止轉動量程選擇手鈕）。

4、把試件先裝于固定夾頭內，并夾緊。然后移動加載機構，使

試件插入主動夾頭至適當位置夾緊。此時，主動指針應在零點上。

5、選定主動夾頭的轉速（一般試件屈服前用36。/分，屈后0-360。

/分），將被動針轉至與主動針重合。旋轉主動夾頭上的刻度環使零

點與指針重合。選好扭轉方向，打開記錄器開關。

6、啟動按扭。擰動多圈電位器，使主動夾頭至所需轉速。這時，

可以看到扭轉變形隨扭矩而不斷增加。按一腸2加載，并同時測出相應

的扭轉角。

7、當變形繼續增加時，而扭矩不再成正比增加時，標志材料已

開始屈服，這時，塑性變形僅在外層發生，扭矩還可以增加。塑性變

形將從圓周向中心逐漸擴展，直至截面上各點處的剪應力都一樣，這

時扭矩稱極限扭矩用M/亦表示，繼續扭轉試件已毋需增加外力偶矩，

直至試件扭斷。其剪切流動極限

3Mnjx

8、鑄鐵試件

先測出試件計算直徑，然后把試件裝于扭轉機上，將主動夾頭轉

速按紐放在0-36。/分，加載直至破壞，記下破壞時的扭矩M成。其剪

切強度極限。

Mnb

n

四、問題思考

1、低碳鋼和鑄鐵在扭轉破壞時有什么特征？原因是什么？

2、比較低碳鋼和鑄鐵受扭和受拉時的變形規律有何異同？

彎曲正應力試驗

一、目的

1、測定純彎梁一個截面的應力大小及分布規律，以驗證直梁彎

曲時的正應力公式。

2、了解電測法，初步學會電阻應變儀的使用。

二、設備

1、YJR-5型電阻應變儀。

2、純彎曲正應力試驗臺。

A、主梁：材料：45#鋼，E=216Gpa

跨度：L=600mm,a=200mm

B、副梁：跨度：L,=200mm

C、硅碼：每只總量G=10N（采用1：20杠桿比放大）

三、試驗原理

如圖3-3所示，在主梁中部的一個截面上，沿著梁高貼好五個電

阻片，每片相距h/4,方向平行梁軸，當底碼加在破碼托上時，通過

杠桿作用提起副梁，此時CD段為純彎曲，貼在梁上的電阻片就跟著

主梁一起變形，利用電阻應變儀把這些變形，一個一個測出來，就可

以求出主梁在貼片處的應力大小：

cy=Es(即測得的應變值)。

加載采用增量法，最終荷載低于比例極限，CD段彎矩

2

其橫截面上各點的正應力為：

My

(J——-O

四、試驗步驟

1、調節應變儀

(1)將后面板僅，2,2三點聯接起來(已接好)，旋緊接線柱。

把標準電阻接到后面板A、B、C接線柱上，旋緊，半橋測量法，再將

后面板上的平衡開關打在平衡位置，即可進行儀器的校準。注意：儀

器校準時，后面板的接線板上不能聯接任何電阻，否則會影響精度。

(2)開啟電源開關。把前面板選擇開關旋到“1”，這時指示表

顯示的數據是電橋不平衡的分量，調節前面板平衡電位器“1”，使

指針表顯示全為“0”，如果顯示數是正的，平衡電位器逆時針方向

旋轉，顯示數是負的，平衡電位器順時針方向旋轉。

(3)儀器的靈敏度調整：儀器平衡到“0”后，將標定開關按人，

用幅調電位器調到5000,如果小于5000時，順時針方向旋轉幅調電

位器，反之，逆時針旋轉，調整好靈敏度，把標定開關按出。

(4)儀器的K值調整：儀器時按K=2設計的。當使用的應變片

K值不為2時，必須在測試前標定。本室使用應變片K=2.2,即用幅

調電位器調節為4545。調好后，在實測中，所顯示的數據不必再進

行K值修正。

2、半橋測量接線。把標準電阻從儀器的A、B、C接線柱拆下來，

把主梁各點的應變片依次接到應變儀后面板10點接線板上去，AB接

一片測量片，BC接一片溫度補償片。調整應變片所接點的對應平衡

電位器，使其平衡。

3、在原始記錄上記下所測主梁的截面尺寸(數據