材料力学实验书.docx
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材料力学实验书
材料力学性能
实验指导书
郑镇洙编
哈尔滨工业大学
2005年2月
实验一、金属拉伸试验
1.实验目的
（1）熟悉拉伸试验机；
（2）掌握拉伸试验方法；
（3）熟练掌握拉伸曲线意义及强度塑性指标的计算方法。
2.实验用材料和试样
45钢退火态，d0＝10mm的圆形短比例试样。
每个实验小组领取拉伸试样两根。
3.实验设备和仪器
（1）万能材料试验机；
（2）拉力传感器和位移传感器各一个；
（3）动态电阻应变仪及X－Y函数记录仪各一台;
（4）引伸计一只用以测定规定残余伸长应力。
（5）标定器一台。
（6）游标卡尺（最小刻度值为0.01mm）、手锤、冲头或打标点机、钢字等。
4.实验方法和步骤
4.1课前预习
查阅拉伸试验相关国家标准，了解有关拉伸性能指标的定义及测试方法。
4.2试样的准备
（1）了解试样的材料与热处理状态，并在试样两头端部打上编号；
（2）用游标卡尺测量试样横截面尺寸；
（3）在试样上标出原始标距，并将试样标距范围内的部分均分为10等分，轻轻打上标点。
4.3试验设备和仪器的准备
认真听取教师对本实验所用设备和仪器的讲解和观摩示范操作，然后动手做准备工作。
（1）了解所用设备和仪器的构造原理、特性和基本参数。
学习操作规程和安全事项，掌握操作方法；
（2）安装自动记录绘图装置，并调整放大倍数;
（3）用标定器对位移传感器及记录装置和引伸计进行标定；
（4）根据被测材料特性估计最大拉伸力，选择试验机量程。
4.4试验步骤
（1）用图解法确定其中一根试样的各个特征点载荷，并计算相应的强度指标；
（2）用引伸计测量另一根试样的规定残余伸长应力r0.01。
当用引伸计测出Pr0.01以后取下引伸计，将试样拉断；
（3）测量两根试样拉断后的标距L1及缩颈处最小直径d1,并分别计算及。
5.对实验报告的要求
（1）说明本实验用设备、仪器型号及特性，画出试样草图；
（2）说明用图解法测定金属材料拉伸性能指标的过程，并附拉伸图及试验记录表；
（3）说明用引伸计法测定金属材料r0.01的过程，并附试验记录表；
（4）讨论规定非比例伸长应力与规定残余伸长应力的区别。
图1试样伸长的定义
注：
1.本实验所依据的国家标准：
（1）GB228—87金属拉伸试验方法
（2）GB6397—86金属拉伸试验试样
2.试样伸长的定义：
按GB228—87，材料的“规定微量塑性伸长应力”按照测定方法不同，可分为“规定非比例伸长应力p”、“规定残余伸长应力r”及“规定总伸长应力t”三种，其定义如图1所示。
即：
（1）比例伸长：
ab；
（2）非比例伸长：
bc（OD）；
（3）残余伸长：
OE；
（4）总伸长：
ac（OG）。
实验二、硬度试验
1.实验目的
（1）掌握布氏、洛氏、维氏硬度的试验原理和测定方法；
（2）了解各种硬度试验方法的特点、应用范围及选用原则；
（3）能够根据材料种类及组织状态选择合适的硬度试验法。
2.实验用材料及试样
本实验应准备多个材料种类、工艺条件和形状尺寸不同的试样，以便学生学会根据材料种类和状态正确选择硬度实验方法、确定试验条件，并掌握各种硬度试验操作方法。
如灰铸铁、45钢（淬火、调质、退火态）、铝基复合材料、ZrO2陶瓷等。
3.实验设备及仪器
（1）硬度计:
布氏、洛氏、维氏硬度计各一台;
（2）读数放大镜:
最小分度值为0.01mm一个;
（3）标准硬度块：
不同硬度试验方法的二等标准硬度块各一套。
4.实验方法和步骤
（1）课前预习：
查阅硬度试验相关国家标准，掌握硬度试验原理；
（2）了解各种硬度计的构造原理，学习操作规程及安全事项，掌握操作方法。
（3）对各种试样选择可用的硬度试验方法、确定试验条件、进行试样准备（对测试面打磨），并根据试验条件更换压头及砝码，根据试样形状更换工作台；
（4）用标准硬度块校验硬度计；
（5）测定各种试样的硬度，记录试验结果。
5.对实验报告的要求
（1）说明本实验使用的各种硬度计的型号及操作程序;
（2）分析各种试样的硬度试验方法与试验条件的选择原则；
（3）说明各种硬度值表示方法的意义；
（4）对同一试样不同硬度试验结果进行对比分析，并进行误差分析（附硬度试验记录）。
注：
本实验所依据的国家标准：
（1）GB23l－84金属布氏硬度试验方法；
（2）GB/T230－91金属洛氏硬度试验方法；
（3）GB4340－84金属维氏硬度试验方法。
实验三、显微硬度试验
1.实验目的
（1）掌握显微维氏硬度的试验原理和测定方法；
（2）了解显微硬度试验在材料研究中的应用。
2.实验用材料及试样
2.1实验材料
本实验应准备多个材料种类、工艺条件不同的试样，以便学生学会根据材料种类和状态正确选择载荷等试验条件。
如45钢（淬火、调质、退火态）、铝基复合材料、ZrO2陶瓷以及各种表面强化处理试样等。
2.2试样准备
按金相样品要求进行试样的磨制、抛光及浸蚀，对表面强化试样应进行截面抛光制备。
3.实验设备及仪器
（1）硬度计:
显微硬度计;
（2）标准硬度块：
一套。
（3）金相预磨及抛光机：
各一套。
4.实验方法和步骤
（1）课前预习：
查阅显微硬度试验相关国家标准，了解显微硬度试验原理；
（2）了解显微硬度计的构造原理，学习操作规程及安全事项，掌握操作方法。
（3）对各种试样选择合适的载荷等试验条件；
（4）用标准硬度块校验硬度计；
（5）测定各种试样的表面硬度及截面硬度分布，记录试验结果。
5.对实验报告的要求
（1）说明本实验使用的硬度计的型号及操作程序;
（2）分析各种试样的显微硬度试验规程的选择原则；
（3）说明不同试样不同位置所测硬度值的意义，并附显微组织示意图；
（4）分析表面强化试样的截面硬度分布，并附显微硬度分布曲线；
（4）进行误差分析（附硬度试验记录）。
注：
本实验所依据的国家标准GB4342—84金属显微维氏硬度试验方法。
实验四、弯曲试验
1.实验目的
（1）掌握脆性材料弯曲试验法；
（2）掌握弯曲性能指标含义及计算法。
2.实验用材料及试样
铸铁圆柱试样及陶瓷条状试样
3.实验设备和仪器
（1）万能材料试验机一台；
（2）三点弯曲和四点弯曲夹具各一套；
（2）游标卡尺一把。
要求其最小分度值不大于0.02mm。
4.实验方法和步骤
（1）课前预习：
查阅材料弯曲性能试验相关国家标准，掌握试验原理；
（2）用游标卡尺测量试样尺寸；
（3）了解所用材料试验机构造原理和特性，学习操作规程和安全事项，掌握操作方法；
（4）根据试样材料性质估算弯曲试验所需最大载荷，合理选择量程；
（5）确定跨距，选择合适三点弯曲夹具，装好试样，进行试验；
（6）更换夹具，进行四点弯曲试验；
（7）试验结束后，按有关公式分别计算出三点弯曲强度和四点弯曲强度。
5.对实验报告的要求
（1）说明弯曲试验方法特点及应用；
（2）对比分析同一材料的三点弯曲强度和四点弯曲强度，说明其差异的原因。
注：
本实验所依据的国家标准
（1）GB/T14452－93金属弯曲力学性能试验方法
（2）GB10700－89工程陶瓷弹性模量试验方法
（3）GB6569－86工程陶瓷弯曲强度试验方法
实验五、系列冲击试验
1.实验目的
（1）掌握常温及低温下金属冲击试验方法；
（2）学会用能量法或断口形貌法确定金属冷脆转变温度Tk的方法；
（3）了解冲击试验机结构、工作原理及正确使用方法。
2.实验用材料及试样
由于本实验目的是测定金属的冷脆转变温度Tk，为使实验得到较好的效果，必须选择在室温静载或冲击载荷下均为韧性，但在低温冲击载荷下为脆性的材料。
如16Mn、20钢（均为正火态）或40钢（调质态）等钢材中任选一种，加工成夏比U型或V型缺口冲击试样。
准备酒精、液氮（或干冰）若干。
3.实验用设备及仪器
（1）摆锤式冲击试验机一台；
（2）低温恒温箱（或广口保温瓶或硬泡沫塑料容器）;
（3）低温温度计一支；
（4）游标卡尺（最小刻度为0.02mm），钢字、手锤等。
4.实验方法和步骤
本实验的试验温度可选择为：
室温、0、－20、－40、－60、－75C，每个温度下的冲击试样不得少于3个。
实验步骤：
（1）课前预习：
查阅冲击试验相关国家标准，掌握试验原理；
（2）试样的准备：
领取试样，在端部打上编号。
用棉纱擦净，再测量试样尺寸，最后检查试样缺口处的加工质量；
（3）了解冲击试验机的构造、工作原理、操作方法及安全注意事项；
（4）检查试验机:
①检查冲击试验机各电动开关是否正常；
①校正指针的零点位置；
②检查支座间距是否为40mm，是否对称；
（5）冷却试样：
根据试验温度要求在低温恒温箱内放入试样，进行保温。
调节温度时，要注意选好过冷温度，以补偿试样取出到冲断时温度的回升。
（6）进行冲击试验：
把经过充分冷却的冲击试样从冷却装置中取出，迅速地放在试验机支座上，尽快冲断。
应当注意，低温冲击试验中，试样取出到冲断的总时间不得超过5s（试验时，应有人专门用秒表记时间）。
若超过5s，则不必冲击，可把试样放回低温恒温箱中重新冷却。
这项试验操作，既要迅速，又要沉着，特别要注意安全，防止忙乱中造成事故。
所有参加试验人员应有明确分工（如负责试样冷却、做记录、操作冲击试验机等）。
进行试验时，不得在摆锤运动平面范围内站立、走动，一定要集中注意力，保持良好秩序。
（7）冲断试样后，立即刹车，并记录冲击功AK，然后把指针拨回。
（8）用放大镜或体视显微镜观察断口形貌，井测量断口中纤维区或晶状区的断口百分率。
5.实验结果的分析和处理
（1）将每个温度下所测定的几个试样的AK值分别记录下来，不要取平均值；
2）根据试验数据在坐标纸上或计算机上绘制AK－T曲线，每个温度下测得的几个AK值都要在图中分别标出，然后根据这些数据点的变化趋势描绘一条曲线，从中确定冷脆转变温度Tk。
（3）本实验的Tk按下面两种方法确定：
①夏比U型缺口试样：
采用0.4Akumax对应的温度为Tk,此Akumax值为室温下全部为纤维状断口时的Aku值；
②夏比V型缺口试样：
采用50％FATT对应的温度为Tk。
6.对实验报告的要求
（1）画出冲击试样形状及尺寸，并注明材料牌号及其热处理状态；
（2）说明实验所用的设备和冷却介质;
（3）整理试验数据，作出相应AK－T曲线或断口形貌（％）—温度曲线，分别确定其Tk值；
（4）结合断口形貌对比分析不同方法确定的Tk值，何种方法更合理？
注：
本实验所依据的国家标准
（1）GB/T229－1994金属夏比缺口冲击试验方法
（2）GB/T12778－91金属夏比冲击断口测定方法
实验六、金属平面应变断裂韧性KIC试验
1.实验目的
（1）了解金属材料平面应变断裂韧度KIC试验的基本原理、对试样形状和尺寸的要求及其制备过程；
（2）学会使用测试KIC的设备和仪器;
（3）掌握三点弯曲试样KIC的测试方法及试验结果的处理方法。
2.实验用材料及试样
本实验采用标准三点弯曲试样。
试样尺寸应按满足平面应变和小范围屈服条件选取。
对于强度较高而韧性较差的材料，即使试样尺寸较小也能上述条件；而对强度低、韧性好的材料则要很大尺寸的试样才能满足。
为了保证用较小尺寸的试样测得有效的KIC值，试样材料和热处理工艺的选择应保证0.2较高KIC较低。
试样材料及其热处理工艺可在推荐的如下两种中任选一种，也可根据上述原则另外选取。
（1）40Cr钢，淬火十200C回火；
（2）GCr15或9SiCr钢淬火十200C回火。
每组学生领取同一种材料及热处理工艺的试样一个或三个。
图2三点弯曲试样断裂试验装置示意图
1－夹式引伸计；2－弯曲试样支座；3－试样；
4－压力传感器；5－动态应变仪；
6－X-Y记录仪；7－试验机工作台
3.实验设备及仪器
（1）万能材料试验机最大试验力100kN（或300kN），在活动横梁上应配备有专用的弯曲试样支座一台。
（2）动态应变仪一台。
（3）x－y函数记录仪一台。
（4）压力传感器100kN一个。
（5）夹式引伸计一个。
（6）位移标定器一台。
（7）工具显微镜一台。
此外，尚需准备游标卡尺一把及支持引伸计用的刀口6块，“502”快干胶水一瓶。
在进行断裂试验时，将上述有关设备及仪器组装成如图2所示的试验装置。
4.实验方法和步骤
首先参观在试样上切口及预制疲劳裂纹的设备及过程，然后按以下步骤进行试验。
（1）测量试样尺寸：
在缺口附近至少三个位置上测量试样宽度w，准确到0.025mm或0.1％w（取其中之较大者），取其平均值；从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿着预期的裂纹扩展线，至少在三个等间隔位置上测量厚度B，准确到0.025mm或0.1％B（取其中之较大者），取其平均值。
（2）安装弯曲试样支座，使加力线通过跨距L的中点，偏差在1%L以内。
放置试样时应使裂纹顶端位于跨距的正中，偏差也不得超过1％L。
而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏差在土2以内。
（3）标定引伸计。
（4）在试样上粘贴刀口，安装引伸计，使刀口与引伸计两臂前端的凹槽密切配合。
（5）将压力传感器和夹式引伸计的接线分别按“全桥法”投入动态应变仪并进行平衡调节。
用动态输出档，将压力P及裂纹嘴张开位移V的输出讯号分别按到函数记录仪的“y”和“x”接线柱上。
调整好函数记录仪的放大比例，使记录的曲线线性部分的斜率在0.7－1.5之间，最好在1左右；再调整动态应变仪和x－y记录仪的放大倍数使画出的图形大小适中。
（6）开动试验机，对试样缓慢而均匀地加力，加力速率的选择应使应力场强度因子的增加速率在17.4－87.0N/mm3/2s-1范围内。
在加力的同时记录P－V曲线，直至试样所能承受的最大力后停止。
此外，在加力过程巾，还应在P－V曲线上记录任一初始力和最大力的数值（由试验机表盘读出），以便对P－V线上的力值进行标定。
（7）试验结束后，取下引伸计，压断试样。
将压断后的试样在工具显微镜或其它精密测量仪器下测量裂纹长度a。
由于裂纹前沿不平直，规定在裂纹两边及厚度的1/4、1/2、3/4的位置上测量裂纹长度a1、a2、a3、a4、a5，各测量值准确到0.5%a，取其平均长度a＝（a2+a3+a4）/3作为裂纹反度。
a2、a3、a4中任意两个测量值之差以及a1与a5之差都不得大于a的10％。
8）断口形貌也是判断试验有效性的有价值的资料，因此试样断裂后要对每个试样进行断口形貌观察。
应在裂纹顶端和试样无缺口边之间测量中心平断口部分的平均宽度f，记下斜断口的比例（B－f）/B。
5.对实验报告的要求
（1）简要说明用三点弯曲试样测试KIC的原理、试验装置及试验过程；
（2）记下所试试样的全部试验数据，并附P－V曲线图；
（3）对试验数据进行分析计算和校核，讨论试样尺寸选择是否合理。
注：
本实验所依据的国家标准GB416l－84金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法
实验七、金属疲劳试验
1.实验目的
（1）学会S－N曲线测试方法及用升降法测定条件疲劳极限的方法；
（2）了解疲劳试验数据的统计分折方法；
（3）了解疲劳试验机结构、工作原理及使用方法。
2.实验用材料及试样
图4旋转弯曲加载示意图
本实验在旋转弯曲疲劳试验机上进行，采用圆柱形光滑试样，如图3和图4所示。
实验材料可选用中碳钢等。
图3圆柱形光滑弯曲疲劳试样
3.实验设备及仪器
（1）旋转弯曲疲劳试验机一台；
（2）游标卡尺一把；
（3）百分表及表座一套。
4.实验方法及步骤
因疲劳试验周期长，在两个课时的时间内不可能完成，所以本实验方式为演示实验。
其要求为：
1）试验准备工作
（1）领取试验所需试样，将试样两端打上编号；
（2）用游标卡尺测量试样尺寸，在试样工作区的两个相互垂直方向各测一次，取其平均值。
按国标规定，凡是偏差大于IT10和表面有加工疵病的试样均不能用。
（3）静力试验。
取其中一根合格试样，在拉伸试验机上测其b，以便于确定各级试验应力水平。
2）S－N曲线测试
（1）确定应力水平：
在4－5级应力水平中的第一级应力水平1=0.6－0.7b,以后各级依次减少20－40N/mm2。
（2）确定载荷：
根据试样直径d及载荷作用点到支座距离a（如图4所示），代入弯曲应力计算公式
得
将选定的应力代入上式，即可求得相应的载荷F1，F2，F3……。
此时若砝码配重无法满足计算载荷F1，F2，F3……时，可按实际所加的相近载荷反算出实际应力。
（3）安装试样：
将试样安装在试验机上，使其与试验机主轴保持良好同轴（用百分表检查）。
再用联轴节将旋转整体与电动机连接起来，同时把计数器调零。
若电动机带有转速调节器，也将其调至零点。
（4）正式试验：
接通电源，转动电动机转速调节器，由零逐渐加快。
试验时，一般以6000r/min为宜。
当达到试验转速后，再把估算的砝码加到砝码盘上。
（5）观察与记录：
由高应力到低应力水平，逐级进行试验。
记录每个试样断裂的循环周次，同时观察断口位置和特征。
3）条件疲劳极限r（N）的测定
图5升降法试验情况记录表
条件疲劳极限的测定方法和操作步骤与S－N曲线的测定基本上一样，所不同的就在应力水平及应力增量的选定上。
对钢材而言，r（N）测试中，也选四级应力水平，其中第一个试样的应力l取0.5b，而应力增量建议取0.025b然后用升降法进行试验，并将试验结果记在图5中。
升降法原则是：
凡前一个试样若不到规定循环周次N0（＝107）就断裂（用符号“”表示），则后一个试样就在低一级应力水平下进行试验；反之，若前一个试样在规定循环周次N0下仍然未断（用符号“o”表示），则随后的一个试样就在高一级应力水平下进行。
在试验过程中随时记录，随时进行数据分析。
当出现第一对相反结果以前的数据均舍去，余下数据点均为有效试验数据。
当有效数据达到13个以上，则停止试验。
将图中的数据代入下式计算条件疲劳极限。
式中m－有效试验的总次数（断与未断均计算在内）；
n－试验的应力水平级数；
i－第i级应力水平；
Vi－第i级应力水平下的试验次数。
5.对实验报告的要求
（1）说明本实验所用设备的型号、画出试样草图及加载示意图；
（2）简述S－N曲线及条件疲劳极限r（N）的测试方法；
（3）根据升降法测定的试验数据，计算实验材料的条件疲劳极限r（N）值。
注：
本实验所依据的国家标准GB4337－84金属旋转弯曲疲劳试验方法
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