1、机械基础实验指导书（下）魏衍侠 主编汽车与交通工程学院前 言机械基础类课程是我国高等工科类院校中机械类和近机械类各专业的专业基础课。它主要包括工程材料、互换性与 测量技术、机械原理、机械 设计、材料力学和液压与气压传动六门课程。实验教学是高等理工科教学的重要组成部分，它不仅是学生获取知识的必经之路，而且对培养学生的学习态度、实验 能力、科研能力和 创新能力均至关重要，对学生以后在工作中或科研中的表现起很大作用，可 见实验教学在高等院校的至关重要性。机械基础课程实验不但是机械基础类课程教学中的一个十分重要的实践性环节，也是实验教学的重要组成部分。通 过机械基础课程实验可以让学生直观了解实验课程所
2、讲内容，以及实验内容在实际生产中的应用。这样不但便于学生对实验课程理论教学内容加深理解，而且也为学生在今后的生产实践中，由理论知识向实践知识转化提供必要的基础。以前，机械基础课程实验教学的现状与新世纪高层次创新人才的培养要求差距甚大，迫切需要加大改革力度。许多高校十分重视并积极试点，为求改变过去那种把实验附属于相关课程的做法。目前，我们借助许多高校的改革经验，按 实验自身系统优化整合、单独设置了机械基础课程实验，采用模块结 构分层次安排实验教学，反映了时代特征和创新理念。本书是在聊城大学汽车工程系教研室统一筹划和指导下编写的，本书在满足国家教育委员会所颁发的机械专业机械基础有关课程教学大纲的前
3、提下，吸取我校以及一些兄弟院校机械类专业近几年实验教学改革成果的基础上编写而成的。本书可作为高等院校机械类、近机械类等专业机械基础课程实验教材，也可供相关专业工程技术人员参考。本书主要特点：1.重视实验方法的先进性和现代化，通过实验让学生了解和掌握现代实验研究的方法；2.与理论教学相结合，进一步加深课程教学中某些抽象的原理，加深对机械基础课程的理解；3.培养学生观察和综合分析的能力，激发学生的创新意识；参加本书编写的人员有郭宏亮、吴海荣、魏衍侠、赵栋杰、张兰江、赵艳荣等老师，其中张兰江编写第一篇，赵栋杰编 写第二篇，郭宏亮 编写第三篇和第四篇，赵艳荣编写第五篇，吴海荣编写第六篇。全书由魏衍侠主
4、编，包春江、惠鸿忠 审稿。限于编者水平和经验有限，书中难免有不妥和错误之处，恳请广大读者批评指正。编 者2011 年 1 月目 录前 言 .2绪 论 .2实验 10 带传动实验 1实验 11 齿轮传动实验 5实验 12 创意组合机械系统综合实验 10实验 13 拉伸实验 12实验 14 压缩实验 19实验 15 纯弯曲梁的正应力实验 23实验 16 弯扭组合应力测定实验 32实验 17 液压元件结构观察及方向控制回路实验 40实验 18 液压传动节流调速回路性能实验 45实验 19 气压传动多缸顺序动作回路演示实验 48-2-绪 论实验教学是高等教育体系的重要组成部分，是对学生进行科学实验训练
5、、使学生所学理论知识强化印象、加深理解并从中学习和掌握工程测试技能、探索实验科学理论的基本方法，是提高学生动手能力和创新能力的重要环节。机械基础类课程实验主要包括工程材料、互换性与测量技术、机械原理、机械设计、材料力学和液压与气压传动等课程。这些课程是重要的专业基础课，是连接基础课和专业课的重要环节。这些课程都分别开设相应的实验，但传统实验普遍存在一下问题：1实验教学侧重于验证书本内容，学生不能从中获得探求未知、研究设计和开拓创新的能力；2实验多为常规实验，实验设备和手段落后，学生缺乏主动参与实验的热情；3实验方案和实验步骤均按“死板”的教条进行，约束了学生创造力的发挥；4实验台套数少，实验过
6、程中学生参与动手的机会少，成绩不能反映学生的实验能力和水平。因此，以“培养能力、提高素质”为主线，以培养和提高学生的科学实验和工程实践素质，和创新能力为目标，为了优化课程结构、更新实验内容、重组实验教学体系，开设了机械基础课程实验。机械基础课程实验的目的：1使实验教学按照实验自身的特点和教学目标、要求构建教学内容和进行教学活动；2使学生通过自己的思考、分析独立进行实验设计、实验操作和实验分析，提高学生的学习自主性和主动性，培养学生的动手能力和创新意识；3通过开放性实验大大拓展实验资源的利用空间，均化实验资源的负担，提高使用率。机械基础课程实验是在精选和完善侧重于理解掌握基本概念、基本理论的传统
7、实验的基础上，大力开发培养学生创新能力的综合性和设计性实验，积极推进“主动式”教学，注重实验过程，突出创新思维能力的培养。主要主要内容有三部分：1验证性实验主要对客观事实和理论进行验证，了解仪器设备的原理和操作方法；2综合性实验主要将不同的知识点在实验中综合应用，以提高学生综合实验能力；3设计创新性实验主要提供实验用的多种模块，学生自行设计实验方案，并完成装配和测试，提高学生工程实践能力和创新意识。-1-图 10-1 实验台机械结构1、从动直流发电机 2、从动带轮 3、传动带 4、主动带轮 5、主动直流电动机 6、牵引绳 7、滑轮 8、砝码 9、拉簧 10、浮动支座11、电测箱 12、拉力传感
8、器 13、标定杆实验 10 带传动实验一、实验目的1通过本实验，掌握带传动的基本原理，对有关带的弹性滑动和打滑等重要物理现象有清晰认识；2观察分析并验证预紧力对带的工作能力的影响；3了解转速、转差速以及扭矩的测量原理与方法；4绘制带的滑动曲线及传动效率曲线。二、实验仪器1DCS-II 型带传动实验台；2DCS-II 型带传动实验仪；3砝码；4计算机及相关实验软件。三、实验原理1带传动的分析预拉力促使带与轮之间具有一定的摩擦力，使得轮子转动时带动皮带传动。两皮带轮静止时，带各处的拉力都等于预紧力 。传动时，由于带与轮子表面间摩0F擦力的作用，带两边出现拉力差异，绕进主动轮和绕出主动轮的一边的拉力
9、从增大到 ，绕出主动轮和绕进被动轮01的一边的拉力由 减小到 ， 作用的0F21边称为紧边， 作用的边称为松边设环形带的总长度不变，则紧边的拉力的增量 应等于松边拉2F 1力的减小量 。0（14-1）201F（14-2）0紧边与松边之差称为带传动的有效拉力，即圆周力为：（14-3）21F2带传动时弹性滑动与打滑-2-传动带在受到拉力作用时会发生弹性变形。在小带轮上，带的拉力从紧边拉力 逐渐降低到松边拉1F力 ，带的弹性变形量逐渐减少，因此带相对于小带轮向后退缩。使得带的速度低于小带轮的线速度 ；2F 1v在大带轮上，带的拉力从松边拉力 逐渐上升到紧边拉力 ，带的弹性变形量逐渐增加，带相对于大带
10、2F1F轮向前伸长，使得带的速度高于大带轮的线速度 。这种由于带的弹性变形而引起的带与带轮间的微量2v滑动，称为带传动的弹性滑动。因为带传动总有紧边和松边，所以弹性滑动也总是存在的，是无法避免的。滑动率由于弹性滑动不可避免，所以从动轮的圆周速度小于主动轮的圆周速度，在带传动时，由带的滑动引起的被动轮速度的降低率称为滑动率 。（10-4）1212ndv其中： 、 为主、被动轮轮缘的线速度；12、 为主、被动轮的转速；n、 为主、被动轮的直径。1d2若 ，则式（10-4）为：21d（10-5）12n在一般带传动中，滑动率不大，一般取值为 1%2%。根据实验研究结果，带的弹性滑动只发生在全部包角的某
11、一段的接触弧上，随着有效圆周力的增加，弹性滑动的区段也逐渐增大，当它扩大至整个包角对应的接触弧时，带传动的有效圆周力也达到最大极限 ，如果载荷进一步增大，带与带轮间就发生显著的相对滑动，即产生打滑。打滑将使皮带磨损加剧，ecF被动轮转速急剧降低，甚至使传动失效，这种情况应当避免。但是，当代传动所传递的功率突然增大而超过设计功率时，这种打滑却可以起到过载保护的作用。四、实验步骤1连接各仪器间的连线，确保通讯成功；2分别打开电脑电源、实验台电源和实验仪电源；3启动电脑相关教学软件，并进行必要的设置；4根据带的类型施加一个初实验力 ；0F5实验仪复位，然后调整实验台转速到规定值(本实验建议预定转速为
12、 12001300r/m）；6记录数据，点击实验仪加载按键；-3-7重新调整微调旋钮使转速达到规定值，稳定之后记录数据；8重复 67 步，直至实验仪上 8 个加载灯全部亮起，屏幕全部显示“日”为止；9改变初实验力大小，然后重新实验，记录数据；10根据实验结果，画出带传动滑动曲线 及效率曲线 。2T2T图 10-2 电脑软件设置操作流程特别提示起动机构前和关闭机构前，必须首先将微 调开关沿逆时针旋转 到底，然后将粗 调开关沿逆时针方向关闭。否则易烧断保险丝，甚至损坏调速器 。打开 实验仪后，实验之前必须首先清零或复位实验仪。实验过程中，可通 过顺时转动粗调开关，使 实验台电源打开并使 转速加至规
13、定值。在 实验 加载过程中，如果需要调整转速的话，只需要调整微调开关就可。五、注意事项1打开电源之前和关闭电源之前，必须首先将微调开关沿逆时针旋转到底，然后将粗调开关沿逆时针方向关闭；a 启动软件 b 选择带传动实验项目c 打开带传动实验项目 d 数据采集界面e 采集数据 f 计算分析数据-4-2施加初实验力时，开始不能施加力过大，以便使带过度拉伸，缩短带的寿命；3实验开始时，必须要清零或复位实验仪，不然容易导致数据不准确；4点击加载按键时，必须掌握力量和速度，不然容易导致按键不能正确操作；5多组实验时，可以根据第一遍实验结果适当调整初实验力，以观察带弹性活动和打滑时数据的区别。六、思考题1主
14、动轮圆周速度 与被动轮圆周速度 是否相同？原因何在？1v2v2对于弹性滑动和打滑，其中哪些现象产生，带传动就不能正常工作，为什么？3带传动效率是否在打滑时最高？4增加初拉力后，对打滑有何影响？传动效率的计算公式为： 1212Tn-5-实验 11 齿轮传动实验一、实验目的1通过本实验，了解封闭流式实验台结构，弄懂封闭加载原理；2通过本实验，了解齿轮传动效率的测定原理，掌握用封闭流式实验台测定齿轮传动效率的方法；3测定齿轮减速器的传动效率。二、实验仪器1CLS-II 型齿轮传动实验台；2CLS-II 型齿轮传动实验仪；3砝码等。三、实验原理1仪器基本介绍实验台的结构如图 15-1 所示，由定轴齿轮
15、副、悬挂齿轮箱、扭力轴、双万向连轴器等组成一个封闭机械系统。图 11-1 齿轮实验台结构简图1 悬挂电机 2 转矩传感器 3 浮动连轴器 4 霍耳传感器 5 定轴齿轮副 6 刚性连轴器 7 悬挂齿轮箱 8 砝码 9 悬挂齿轮副 10 扭力轴 11 万向连轴器 12 永久磁钢电机采用外壳悬挂结构，通过浮动连轴器和齿轮相连，与电机悬臂相连的转矩传感器把电机转矩信号送入实验台电测箱，在数码显示器上直接读出。电机转速由霍耳传感器 4 测出，同时送往电测箱中显示。下图为实验仪正面面板控制按钮及布置。其中输出转速和输出转矩为电动机输出转速和输出转矩，也是电动机对封闭流式齿轮传动系统的输入转速和输入转矩。图
16、 11-2 实验仪面板布置图-6-2实验原理本实验利用 CLS-II 型齿轮传动实验台，来测定齿轮传动效率。其中该实验台为小型台式封闭功率流式齿轮实验台，采用悬挂式齿轮箱不停机加载方式。封闭功率流式齿轮实验台，主要是通过装置系统中的一个特殊部件悬挂式齿轮箱来加载，用以获得为平衡此弹性件的变形而产生的内力矩（封闭力矩），运转时，这内力矩相应作功而成为封闭功率，并在此封闭回路中按一定方向流动。3效率计算1）封闭功率流方向的确定由图 11-1(b)可知，试验台空载时，悬挂齿轮箱的杠杆通常处于水平位置，当加上一定载荷之后（通常加载砝码是 0.5kg 以上），悬挂齿轮箱会产生一定角度的翻转，这时扭力轴将
17、有一力矩 T9作用于齿轮9（其方向为顺时针），万向节轴也有一力矩 T9作用于齿轮 9（其方向也为顺时针，如忽略摩擦，T9=T9)。当电机顺时针方向以角速度 转动时，T 9与 的方向相同，T 9与 方向相反，故这时齿轮 9 为主动轮，齿轮 9为从动轮，同理齿轮 5为主动轮，齿轮 5 为从动轮，封闭功率流方向如图 11-1(a)所示，其大小为：（11-1）)(9509KwPNa该功率的大小决定于加载力知和扭力轴的转速，而不是决定于电动机。电机提供的功率仅为封闭传动中损耗功率，即：（11-2）91故：（11-3）9191TP单对齿轮时：（11-4）91为总效率，若 =95%，则电机供给的能量，其值约
18、为封闭功率值的 1/10，是一种节能高效的试验方法。2）封闭力矩 T9的确定由图 11-1（b）可以看出，悬挂齿轮箱杠杆加上载荷后，齿轮 9、齿轮 9就会，产生扭矩，其方向都是顺时针，对齿轮 9中心取矩，得到封闭扭矩 T9：（本实验台 T9是所加载荷产生扭矩的一半），即：（11-5）)(29mNWL其中：W 一所加砝码重力（N)；-7-L 一加载杠杆长度 L=0.3m。关于封闭功率流齿轮传动封闭力矩 T9 的计算公式1一 对外 啮合齿轮 的扭矩关系图 11-3 外啮合齿轮扭矩关系一一对外啮合齿轮如图 9 所示，T 9、T9为外加扭矩（作用于轴上）。其正确方向应如图上所示的方向，因为这是力平衡所
19、必须的。由 图可见：一 对外啮合齿轮，其轴上的外加平衡扭矩应是同方向的。当轮齿啮合的齿侧面改为另一侧面时，如图 15-4 所示，两轴 上扭矩也改方向，但 结论 仍然是两轮上的外加扭矩须是同方向的。图 11-4 外啮合齿轮扭矩关系二当一对定轴外啮合齿轮转动时，其角速度 、 肯定是相反的。因此 、 必然一正一负，这也正是一般所理1219T2解的一者为正功，一者 为负功。2封 闭实验 台悬 臂挂重的计量关系图 11-5 实验台悬臂挂重的计量关系如图 15-5 所示，取试验台的浮动齿轮箱为独立体，其上除了 悬臂挂重 W 以外，两扭轴断割处作用有扭矩 T9、T9，由于本试验台传动比为 1，故 T9=T9
20、=T，根据独立体的平衡原理，外力对 O1 取矩，得：（11-6）LT29-8-即：（11-7）92TWLT四、实验步骤1连接各仪器间的连线，确保通讯成功；2分别打开电脑电源、实验台电源和实验仪电源；3启动电脑相关教学软件，并进行必要的设置；4实验仪复位，然后调整实验台转速到规定值(实验转速调到 300800 转分为宜）；5记录数据，加载砝码，然后点击实验仪加载按键；6重新调整电机调速旋钮使转速达到规定值，稳定之后记录数据；7重复 56 步，直至实验仪上 8 个加载灯全部亮起，屏幕全部显示“日”为止；8根据实验结果，画出齿轮传动效率 曲线及电动机输出转矩 的曲线。9T91T其中，齿轮传动效率曲线
21、和电动机输出转矩曲线可参考下图：图 11-6 齿轮传动效率曲线和电动机输出转矩曲线参考特别提示起动机构前和关闭机构前，必须首先将 电机调速开关沿逆时针 方向关闭。否 则易烧断保险丝，甚至损坏调速器。打开 实验仪后，实验之前必须 首先清零或复位实验仪。实验过程中，通过顺时转动调速开关，使 电机转速加至规定值。五、注意事项1打开电源之前和关闭电源之前，必须首先将电机调速开关沿逆时针旋转到底；2实验开始前，必须要清零或复位实验仪，不然容易导致数据不准确；3点击加载按键时，必须掌握力量和速度，不然容易导致按键不能正确操作；六、思考题1什么是封闭实验原理，它对实验有何意义？2确定封闭功率流方向有何意义，
22、如何判定功率流方向？3功率流方向和那些因素有关？4试分析转矩 T 和转速 n 对传动效率 的影响，并作出解释。(%)(9NmT )(9NmT)(1NmT-9-七、实验报告要求1画出实验机的传动简图，据电动机的实际旋转方向判定封闭功率流方向并画出功率流图。2打印齿轮传递效率齿轮传动效率 曲线及电动机输出转矩 的曲线和全部相关数据。并9T91T对数据进行分析。-10-实验 12 创意组合机械系统综合实验一、实验目的1通过实验培养学生观察问题、发现问题的能力；培养学生发散思维和创新设计能力；提高学生综合利用所学知识解决实际问题能力、动手能力；培养学生协作能力及团队精神；2了解机械动力传输的功能、常见
23、的几种传动方式及其实际应用；认识实验台基本的机械部件；3掌握轴系零部件的安装、拆卸、校准等机械装配的基本技能；4了解各测量仪表、工具的性能，掌握水平仪、百分表、游标卡尺等常用仪器的使用方法。二、实验仪器电机二台，三向水平仪（多用型，可测水平、垂直、与水平呈 45角平面，长度为 230mm）、水平仪（长度为 90mm）、张力测试仪、磁性表座、接触式转速表、百分表（0.01mm/格）、张力测试仪各一个，游标卡尺（0-150mm）、直尺各一把（20cm），塞尺（0.03810.635mm），调整垫片、螺栓、螺母、大小齿轮、传动轴、键、支撑座、联轴器等轴系零件若干，带传动和链传动组件各一套，曲柄摇杆与
24、曲柄滑块机构各一套。三、实验原理机械原理和机械设计相关章节四、实验步骤1根据现有实验组件，拟定机械传动路线，绘出传动路线示意图。在传动轴、曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、齿轮传动、V 带传动、链传动等机械结构单元中，任选至少三个单元，以用来与其他轴系零部件组成机械传动系统。2将选定的机械结构单元在实验台上装配成一个有机整体，使之成为可行的机械传动系统。装配过程中，注意正确使用各种工具和仪表，保证装配正确、安全可靠。3装配完成后，检查各装配环节的牢固性和安全性，并手动运转传动系统，确认运动部件的灵活性、有无碰撞、干涉等。如有问题，必须重新安装、校准。各装配环节的牢固性和安全性非常重要，设计到人身和设
25、备的安全，切记！4通电，使设备自行运转，观察各零部件的运转状况（振动、冲击、噪音等），探讨所设计传动系统的合理性。五、注意事项1在未确定拼装机构能正常运行前，一定不能开机。2若机构在运行时出现松动、卡死等现象，请及时关闭电源，对机构进行调整。六、思考题1安装带传动过程中，紧边应该在上还是在下？为什么？那链传动呢？-11-2在带传动过程中，为防止带过松影响传动，一般要加张紧轮，考虑一下，张紧轮应该加在松边还是紧边？是向内侧张紧还是外侧？3在机械传动系统中，如果同时出现带传动，链传动和齿轮传动时，该如何布置？为什么？4在机械传动系统中，如果同时出现直齿轮传动和斜齿轮传动，该如何布置？为什么？多种传
26、动方式的布置带传动属于挠性传动，主要通 过带 和带轮的摩擦来传递运动和动力。其主要特点有：吸收振动，缓和冲击，传动平稳，噪声小，具有过载保 护， 结构简单等。为发挥带传动传动平稳、缓冲吸振、减小噪声的特点，在多 级传动中一般布置在高速端。链传动属于刚性传动，依靠链轮轮齿 和链节的啮合来传递运动和动力。它和 带传动相似，具有中间挠性件，又和齿轮传动相似，是一种啮 合传动。其主要特点有：没有弹性滑动和打滑现象，具有准确的平均传动比，传动效率高， 结构较为紧凑，成本低，可远距离传动 等。 链传动运 转不平稳，在多级传动中一般布置在低速端，这样可减小链传动冲击和振动。齿轮传动属于刚性传动，依靠轮齿 之
27、间的啮合来传动运动和动力。其特点有：传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比精确恒定，适用的速度和功率范围广等。为了更好的协调在同一个传动过程中同时出现上述传动方式，我们一般是按带传动， 齿轮传动和链传动顺序来布置传动。布置传动机构顺序时应注意以下几个原则：1传动 能力 较小的 带传动及其它摩擦 传动宜布置在高速级，有利于整个传动系统结构紧凑、匀称。同时，带传动布置在高速级有利于发挥其传动平稳、缓 冲吸振、减小噪声的特点。2闭 式齿轮传动、 蜗杆传动一般布置在高速 级，以减小闭式传动的外廓尺寸、降低成本。开式齿轮传动制造精度较低、润滑不良、工作条件差，为减少磨损，一般 应放在低速级。3当
28、同时 采用直 齿轮传动和斜齿轮传动时 ，应将传动较平稳、动载荷较小的斜齿轮传动布置在高速级。4链传动运转不平 稳， 为减小冲击 和振动，一般应将其放在低速级。5当同时 采用齿轮传动 及蜗杆传动时 ，宜将 蜗杆传动布置在高速级 ，使啮合面有较高的相对滑动速度，容易形成润滑油膜，提高传动效率。6圆锥齿轮尺寸 过大时加工有困难 ，可将其布置于高速 级，并对其传动比加以限制，以减小大锥齿轮的尺寸。七、实验报告要求1说明机械传动系统实现的功能及设计意义。2绘出整体传动系统的示意图。-12-实验 13 拉伸实验拉伸实验是测定材料力学性能的最基本最重要的实验之一。由本实验所测得的结果，可以说明材料在静拉伸下
29、的一些性能，诸如材料对载荷的抵抗能力的变化规律、材料的弹性、塑性、强度等重要机械性能，这些性能是工程上合理地选用材料和进行强度计算的重要依据。一、实验目的1了解电子万能试验机的工作原理，熟悉其操作规程和正确的使用方法；2测定低碳钢的屈服极限 、强度极限 、延伸率 、截面收缩率 和铸铁的强度极限 ；Sbb3观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的各种现象，绘制拉伸曲线（ 曲线）；LF4比较低碳钢和铸铁两种材料的拉伸性能和断口情况。二、实验设备和工具1WDW3200 型微机控制电子万能试验机2刻线机3游标卡尺4拉伸试样三、实验原理1实验设备介绍WDW3200 型微机控制电子万能试验机由主机、交流伺服驱动器、
30、全数字 EDC 测量控制系统、计算机系统及试验控制软件包、功能附件等组成。主要用于各种金属及非金属材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离、撕裂等力学性能试验，配备相应的附件后，在高、低温或常温下还可进行松弛、蠕变、持久应力等材料性能试验。主机的基本构造如下图所示。-13-立 柱上 横 梁双 向 推 力 球 轴 承滚 珠 丝 杠 杆移 动 横 梁圆 弧 同 步 带 电 机张 紧 轮 减 速 器台 面深 沟 球 轴 承图 13-1 WDW3200 型微机控制电子万能试验机基本结构图主机主要由上横梁、移动横梁、下横梁及立柱组成，形成框架式结构。可选用双空间工作方式，如上空间做拉伸，下空间做压缩、弯曲试验
31、，上、下空间试验无需装卸夹具。丝杠下端上装有圆弧同步带轮，经减速器、电机传动而带动移动横梁移动。主机左侧设有移动横梁保护机构，可防止移动横梁移动超过上下极限位置造成机械事故，也可以使移动横梁停止在预定位置。2拉伸试样介绍金属材料拉伸实验常用的试件形状如图 13-2 所示。图中工作段长度 称为标距，试件的拉伸变形量0l一般由这一段的变形来测定，两端较粗部分是为了便于装入试验机的夹头内。图 13-2 圆形截面拉伸试样为了使实验测得的结果可以互相比较，试件须按现行国家标准 GB6397-86 做成标准试件，即或 。05dl01l对于一般板的材料拉伸实验，也应按国家标准做成矩形截面试件，如图 17-3
32、 所示。其截面面积和试件标距关系为 或 ， 为标距段内的截面积。003.Al 065.lA-14-图 13-3 矩形截面拉伸试样3实验原理材料力学性能 、 和 、 可由拉伸破坏实验来测定。用电子万能试验机拉伸试样时，计算机Sb可以自动绘出拉伸试样的拉伸曲线。如下图所示。LOFBADEbFSC LOFb图 13-4 圆形截面拉伸试样a低碳钢拉伸曲线 b。铸铁拉伸曲线对于低碳钢试件来说，由图 13-4（a）中可以看出，当载荷增加到 A 点时，拉伸图上 OA 段是直线，表明此阶段内载荷与试件的变形成比例关系，即符合胡克定律的弹性变形范围。当载荷增加到 B点时，实验力值不变或突然下降到 B 点，然后在
33、小的范围内摆动，这时变形增加很快，载荷增加很慢，说明材料产生了屈服（或称流动）。与点相应的应力叫上屈服极限，与 相应的应力叫下屈服极限，因下屈服B极限比较稳定，所以材料的屈服极限一般规定按下屈服极限取值。以 点相对应的载荷值 除以试件的SF原始截面积 ，即得到低碳钢的屈服极限 ， 。屈服阶段后，试件要承受更大的外力才能继ASAF/s续发生变形，若要使塑性变形加大，必须增加载荷，如图形中 CD 段，这一段称为强化阶段。当载荷达到最大值 （ 点）时，试件的塑性变形集中在某一截面处的小段内，此段发生截面收缩，即出现“颈缩”bFD现象。此时记下最大载荷值 ，用 除以试件的原始截面积 ，就得到低碳钢的强
34、度极限 ，bFAb。在试件发生颈缩后，由于截面积的减小，载荷迅速下降，到 点试件断裂。A/b E（a） （b）-15-对于铸铁试件，如图 13-4（b）中，在变形极小时，就达到最大载荷而突然发生断裂，这时没有直线部分，也没有屈服和颈缩现象，只有强化阶段。因此，只要测出最大载荷 即可，可用公式bF计算铸铁的强度极限 。AF/bb四、实验步骤1试件的准备在试件中段取标距 或 （一般 取 10mm），在标距两端做好标记。对低碳钢试件，01dl05l0d用刻线机在标距长度内每隔 10mm 画一圆周线，将标距 10 等分或 5 等分，为断口位置的补偿作准备。用游标卡尺在标距线附近及中间各取一截面，每个截
35、面沿互相垂直的两个方向各测一次直径取平均值，取这三处截面直径的最小值 d0作为计算试件横截面面积 A0的依据。2试验机的准备首先了解电子万能试验机的基本构造原理，学习试验机的操作规程。1）旋开钥匙开关，启动试验机。第一步：连接好试验机电源线及各通讯线缆；第二步：打开空气开关；第三步：打开钥匙开关。2）连接试验机与计算机。打开计算机显示器与主机，运行实验程序，进入实验主界面，单击主菜单上“联机”，连接试验机与计算机。3安装试件根据试件形状和尺寸选择合适的夹头，先将试件安装在下夹头上，移动横梁调整夹头间距，将试件另一端装入上夹头夹紧。特别提示将试样安装到上下夹头后，应缓慢加 载， 观察微机实验主界
36、面上 实验 力的情况，以检查试件是否已夹牢，如有打滑则需重新安装。4清零及实验条件设定1）录入试样单击主菜单上试样，选择试验材料、试验方法、试样形状，输入试验编号、试件原始尺寸。2）实验参数设定单击主菜单上参数设置，设定初始试验力值、横梁移动速度（13mm/min）与移动方向（向下）、试验结束条件等参数。3）清零单击主菜单上的位移清零、变形清零、试验力清零，进行清零。5进行实验-16-选定曲线显示类型为“负荷位移曲线”（不接引伸计）或“负荷变形曲线”（接引伸计），单击主菜单上的试验开始，进行实验，实验过程中注意观察曲线的变化情况与试件的各种物理现象。6实验结束当试件被拉断或达到设定结束条件时，
37、单击主菜单上的试验结束，结束实验。7填写自动计算项目计算所需数据根据屏幕提示，进行必要的数据测量，填入相应框格。8保存结果单击主菜单上的数据管理，进入下一级界面，单击输出，得到 EXCEL 形式的数据文件，输入文件名，以另存方式建立拉伸曲线数据文件。9.实验完毕实验完毕，取下试件，退出实验程序，仪器设备恢复原状，关闭电源，清理现场。检查实验记录是否齐全，并请指导教师签字。 低碳钢延伸率和截面收缩率的测定试件拉断后，取下 试件， 观察断口。将断裂的试件紧对到一起，用游标卡尺测量出断裂后试件标距间的长度 ，按下式可1l计算出低碳钢的延伸率 ： %10l将断裂试件的断口紧对在一起，用游标卡尺量出断口
38、（细颈）处的直径 ，计算出面积 ，按下式 计算出低碳钢的截面1d1A收缩率 ：010A从破坏后的低碳钢试件上可以看到，各 处的残余伸长不是均匀分布的。离断口越近变形越大，离断口越远则变形越小，因此测得 的数值 与断口的部位有关。 为了统一 值的计算，规定以断口在标距长度中央的 区段内为准，来测量 的值，1l 31l若断口不在 区段内 时，需要采用断口移中的方法进行换算，其方法如下：3设两标点 到 之间共刻有 格，如图 17-5 所示，拉伸前各格之间距离相等，在断裂 试件较长的右段上从邻近断口的Cn一个刻线 起，向右取 格，标记为 ，这就相当于把断口摆在 标距中央，再看 点至 点有多少格，就由
39、点向左取d2/aa1Ca相同的格数，标以 记号 ，令 表示 到 的长度，则 的长度中包含的格数等于标距长度内的格数 ，故bLCbL2n。Ll1图 1-6L Lc dbac1断 口图 13-5 拉伸试样断口图-17-当断口非常接近试件两端，而与其头部之距离等于或小于直径的两倍时，一般 认为实验结果无效，需要重作实验。对铸铁试件，在 变 形很小的情况下就会断裂，所以铸铁的延伸率和截面收 缩率很小，很难测出。五、注意事项1测量试样时，测定多点直径后，应取多点中的最小值，而不是求平均值；2操作电子万能试验机上下移动时，要注意移动横梁速度不要太快，以免发生危险；3实验开始前，一定要进行必要的设置和必要的
40、操作，如设置衡量速度，如进行各项清零，以免数据结果不准确。六、思考题1.参考低碳钢拉伸图，分段回答力与变形的关系以及在实验中反映出的现象。2.由低碳钢、铸铁的拉伸图和试件断口形状及其测试结果，回答二者机械性能有什么不同。3.回忆本次实验过程，你从中学到了哪些知识？七、实验报告要求1参照参考表格，完成各项内容；2根据参考公式和实验结果来完成必要的计算。八、实验结果处理1根据测得的屈服载荷 和最大载荷 ，计算屈服极限 和强度极限 。铸铁不存在屈服阶段SFbSb只计算 ，即b0SAF0b其中： 为试件的横截面面积。02根据拉伸前后试件的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 ，即%
41、10L01A其中： 为颈缩处的横截面面积。13画出试件的破坏形状图，并分析其破坏原因。4按规定格式写出实验报告。报告中各类表格、曲线、简图和原始数据应齐全。-18-九、参考表格1试件形状和尺寸实验前 实验后试件原始形状图 试件断后形状图尺寸 低碳钢 铸铁 尺寸 低碳钢 铸铁平均直径： (m)0d 最小直径： (m)1d横截面积： )(20A最小截面积： )(21A标距长度： (m)0L 断后长度： (m)1L2实验数据及计算结果实验数据 计算结果试件屈服载荷 (kN)SF最大载荷 (k)b屈服极限 (MPa)s强度极限 (a)b延伸率 (%)截面收缩率 ()低碳钢铸铁 附：计算公式：屈服极限：
42、 延伸率：0SAF 101L强度极限： 断面收缩率：0b %01A-19-实验 14 压缩实验在工程实际中，有些构件承受压力，而材料由于载荷形式的不同其表现的机械性能也不同，因此除了通过拉伸实验了解金属材料的拉伸性能外，有时还要作压缩实验来了解金属材料的压缩性能，一般对于铸铁、水泥、砖、石头等主要承受压力的脆性材料才进行压缩实验，而对于塑性金属或合金进行压缩实验主要目的是为了材料研究。例如灰铸铁在拉伸和压缩时的强度极限不相同，因此工程上就利用铸铁压缩强度较高这一特点用来制造机床底座、床身、汽缸、泵体等。一、实验目的1测定压缩时低碳钢的屈服极限 和铸铁的强度极限 ；sb2观察两种材料压缩时的变形
43、和破坏现象，比较和分析原因。二、实验设备和工具1WDW3200 型微机控制电子万能试验机；2游标卡尺。三、实验原理1压缩试样介绍金属材料的压缩试件一般制成短圆柱形，如图 18-1 所示。试件受压时，两端面与试验机垫板间的摩擦力约束试件的横向变形，影响试件的强度。随着比值 的增加，上述摩擦力对试件中部的影响减弱。但比值0/dh也不能过大，否则将引起失稳。一般要求 。0/ 3/10dh2实验原理实验时计算机自动绘出低碳钢的压缩曲线和铸铁的压缩曲线，如图 18-2（a）和（b）。对于低碳钢试件，从图中可以看出，压缩过程中产生屈服以前的基本情况与拉伸时相同，载荷到达 时，实验力值B不变或下降，说明材料
44、产生了屈服，当载荷超过 点后，塑性变形逐渐增加，试件横截面积逐渐明显地B增大，试件最后被压成鼓形而不断裂，故只能测出产生屈服时的载荷 ，由 得出材料受压SF0S/A时的屈服极限而得不出受压时的强度极限。对于铸铁试件，从图中可以看出，受压时在很小的变形下即发生破坏，只能测出 ，由b得出材料的强度极限。铸铁破坏时的裂缝约与轴线成 角左右。0b/AF 45图 14-1 拉伸试样图-20-LOFSBF LOFbF图 14-2 低碳钢和铸铁压缩曲线图（a）低碳钢压缩曲线图 （b）铸铁压缩曲线图四、实验步骤1试件的准备用游标卡尺在试件中点处两个相互垂直的方向测量直径 ，取其平均值。0d2试验机的准备试验机
45、的启动与计算机的联机与拉伸实验相同。3放置试件将试件尽量准确地放在机器活动承垫中心上，使试件承受轴向压力。然后移动横梁向下运动，在试件与上压头将要接触时要特别注意减慢横梁移动速度，使之慢慢接触，以免发生撞击，损坏机器。4清零及实验条件设定(1)录入试样单击主菜单上试样，选择试验材料、试验方法、试样形状，输入试验编号、试件原始尺寸。(2)实验参数设定：单击主菜单上参数设置，设定初始试验力值、横梁移动速度（13mm/min）与移动方向（向下）、试验结束条件等参数。(3)清零单击主菜单上的位移清零、变形清零、试验力清零，进行清零。5进行实验选定曲线显示类型为“负荷位移曲线”（不接引伸计）或“负荷变形
46、曲线”（接引伸计），单击主菜单上的试验开始，进行实验，实验过程中注意观察曲线的变化情况与试件的物理现象。6实验结束当试件被压裂或达到设定结束条件时，单击主菜单上的试验结束，结束实验。7填写自动计算项目计算所需数据根据屏幕提示，进行必要的数据测量，填入相应框格。8保存结果单击主菜单上的数据管理，进入下一级界面，单击输出，得到 EXCEL 形式的数据文件，输入文件名，以另存方式建立压缩曲线数据文件。（a） （b）-21-9.实验完毕实验完毕，取出试件，退出实验程序，仪器设备恢复原状，关闭电源，清理现场。检查实验记录是否齐全，并请指导教师签字。五、注意事项1操作电子万能试验机上下移动时，要注意移动横
47、梁速度不要太快，以免发生危险；2实验开始前，一定要进行必要的设置和必要的操作，如设置衡量速度，如进行各项清零，以免数据结果不准确。六、思考题1低碳钢压缩图与拉伸图有何区别？说明什么问题？2为什么铸铁压缩时沿轴线大致成 45方向的斜截面破坏？ 3低碳钢压缩后为什么成鼓形？七、实验报告要求1参照参考表格，完成各项内容；2根据参考公式和实验结果来完成必要的计算。八、实验结果处理1根据测得的屈服载荷 和最大载荷 ，分别计算低碳钢试件的屈服极限 和铸铁试件的强度极SFb S限 ；b2画出试件的破坏形状图，并分析其破坏原因；3按规定格式写出实验报告。报告中各类表格、曲线、简图和原始数据应齐全。九、参考表格
48、1试件形状和尺寸实验前 实验后尺寸 低碳钢 铸铁 低碳钢 铸铁试件形状草图平均直径： 0dm 0dm 横截面积： A2 A2 2实验数据及计算结果-22-实验数据 计算结果试件屈服载 (kN)SF最大载荷 (kN)bF屈服极限 (MPa)s强度极限 (Pa)b低碳钢 铸铁 附：计算公式：屈服极限： 强度极限：0SAF0bAF3压缩曲线示意图LO LO（a）低碳钢压缩曲线（b）铸铁压缩曲线-23-实验 15 纯弯曲梁的正应力实验一、实验目的1用电测法测定纯弯曲梁弯曲时横截面各点的正应力大小和分布规律，验证纯弯曲梁的正应力计算公式；2测定泊松比 ；3了解电测法的基本原理，掌握力应变综合参数测试仪的操作方法。二、实验仪器和工具1XL3416 型纯弯曲梁实验装置；2XL2118C 型力应变综合参数测试仪；3量具：游标卡尺。三、实验原理1验证纯弯曲梁的正应力计算公式由梁的内力分析，如图 15-1 可知，BC 段的剪力为零，弯矩为 ，因此梁的 BC 段为纯弯曲段。FaM2在纯弯曲条件下，根据平面假设和纵向纤维间无正应力的假设，可得梁横截面上任一点的正应力计算公式为
