材料力学实验书Word格式文档下载.docx
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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)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。
(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。
(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)。
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)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。
2.1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。
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。
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;
(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。
(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)。
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)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。
铸铁圆柱试样及陶瓷条状试样
(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。
(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。
(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。
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)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。
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。
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?
(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)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。
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
(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。
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。
(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。
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)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。
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
(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。
(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。
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