1、 土木工程基础实验 实验指导书 中国矿业大学银川学院 土木工程实验室 杨维武 郭宾 编 2013年 11 月 实 验 守 则 一、要按指定的时间进行实验。准时进入实验室，不得迟到、早退。 二、每次实验前，要仔细阅读实验指导书，基本了解实验目的、实验设备，实验原理、实验方法与步骤等，做到心中有数。 三、以小组为单位进行实验。小组长负责组织分工和统一指挥。 四、要爱护实验室的一切设备，非指定使用的机器设备不得乱动，以免发生危险或损坏事 故。 五、在实验过程中，要听从实验指导教师安排。 六、实验结束后，要清理机器、及时上交其它辅助仪器工具，如有损坏必须向教师报告，不得隐瞒。 七、要主动配合小组其它成
2、员打扫实验室卫生，保持实验室的清洁和安静，养成良好的科学作风。 八、要认真填写实验报告， 如实做好实验数据处理，不得抄袭他人 。 实验一 拉伸实验 拉伸试验是测定在静载荷作用下材料力学性能的一个最基本最重要试验。通过拉伸试验中得到的屈服强度、抗拉强度、延伸率、截面收缩率等力学性能指标，是工程中强 度和 刚 度计算的主要依据，也为工程设计中各种材料的选择提供了数据。在本次拉伸试验中，我们选择低碳钢与铸铁作为塑性材料和脆性材料的代表，分别进行试验。 一、 实验 目的 1、测定低碳钢材料 （塑性材料） 拉伸时的屈服极限 s、强度极限 b、延伸率和截 面收缩率。 2、测定铸铁材料 （脆性材料） 拉伸时
3、的强度极限 b 。 3、观察两种材料拉伸过程中的各种现象、拉断后的断口情况，分析二者的力学性能。 4、熟悉万能材料实验机和其它仪器的使用。 二、 实验 设备 1、 WEW-300D 微机屏显式万能材料试验机 。 2、 游标卡尺 等 。 三 、 拉伸 试件介绍 由于试件的形状和尺寸对实验结果有一定的影响，为便于互相比较，应按统一规定加工成标准试件。按国家有关标准的规定，拉伸试件分为比例试件和非比例试件两种。在试件中部，用来测量试件伸长的长度，称为原始标距（简称标距）。比例试件的标距 L0与原始横截面面积 A0的关系规定为 ： 00 AkL 式中系数 k 的取值为 5.65 时为短试件，取 11.
4、3 时为长试件。对直径为 d0的圆截面试件，短试件和长试件的标距 L0分别为 5 d0和 10 d0，非比例试件的 L0和 A0不受上述关系限制。 本次材料拉伸试验采用 L0=10 d0（ L0为标距即工作段长度， d0 为直径， d0=10mm）圆形截面试样（ 图 1-1） 。为确保材料处于单向拉伸状态以衡量它的各种性能，拉伸试样有工作部分、过渡部分和夹持部分。其中工作部分即标距处必须表面光滑，以保证材料表面的单向应力状态；过渡部分必须有适当的台肩和圆角，以降低应力集中，保证该处不会变形或断裂；试样两端的夹持部分是装入试验机夹头中的，起传递拉力的作用。 试验前，需对低碳钢试样打标距，用试样打
5、点机或手工的方法在试样工作段确定 L0=100mm 的标记。由于 塑性材料径缩局部及其影响区的塑性变形在断后延伸率中占很大比重，显然同种材料的断后延伸率不仅取决于材质、而且取决于试样的标距。试样越短，局部变形所占比例越大，也就越大。为便于相互比较，试样的长度应当标准化。 图 1 1 拉伸试样 四 、实验原理 1为了检验低碳钢拉伸时的机械性质，应使试件轴向受拉直至断裂，在拉伸过 程中以及试件断裂后，测读出必要的特征数据（如；屈服 载荷 PS、最大 载荷 Pb、断后标距部分长度 L1、断后最细部分截面 直径 d1。 ）经过计算，便可得到表示材料力学性能的指标：屈服极限 s、 强度极限 b、延伸率和
6、 断 面收缩率。 由此可计算 ： 屈服极限： s =0APS ； 强度极限： b0APb 延伸率： %100001 L LL ； 断 面收缩率： %100010 A AA （ 1） 屈服极限 s及 强度极限 b的测定 弹性阶段过后，当到达屈服阶段时，低碳钢的 P - l 曲线 （图 1-2） 呈锯齿形。与最高载荷 PP对应的应力称为上屈服点 ，它受变形速度和试样形状的影响，一般不作为强度指标。同样，载荷首次下降的最低点（初始瞬时效应）也不作为强度指标。一般将初始瞬时效应以后的最低载荷 Ps，除以试样的初始横截面面积A0，作为屈服极限 s， 即： s =0APS ； 屈服阶段过后，进入强化阶段，
7、试样又恢复了抵抗继续变形的能力 ，强化后的材料就产生了残余应变，卸载后再重新加载，具有和原材料不同的性质，材料的强度提高 了 ， 但是断裂后的残余变形比原来降低了 。这种常温下经塑性变形后，材料强度提高，塑性降低的现象称为冷作硬化。 载荷到达最大值 Pb时，试样某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象 ，试样即将被拉断。以试样的初始横截面面积 A0除 Pb得 强度极限 b，即 b0APb 图 1 2 低碳钢拉伸图 （ 2） 延伸率 及 断面收缩率 的测定 试样的标距原长为 L0，拉断后将两段试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为 L1，断后 延伸 率 应为 ： %100001 L LL 。
8、 断口附近塑性变形最大，所以 L1的量取与断口的部位有关 。 对于塑性材料，断裂前变形集中在紧缩处，该部分变形最大，距离断口位置越远，变形越小，即断裂位置对延伸率是有影响的。为了便于比较，规定断口在标距中央三分之一范围内测出的延伸率为测量标准。如断口不在此范围内，则需进行折算，也称断口移中。具体方法如下：以断口 O为起点，在长度上取基本等于短段格数得到 B 点，当长段所剩格数为偶数时（见图 1-3b），则由所剩格数的一半得到 C 点，取 BC 段长度将其移至短段边，则得断口移中得标距长，其计算式为 ： BCABL 21 。 如果长段取 B 点后所剩格数为奇数（见 图 1-3c），则取所剩格数加
9、一格之半得 C1点和减一格之半得 C 点，移中后标距长为 ： BCBCABL 11 ； 将计算所得的L1代入式中，可求得折算后的延伸率 。 试样拉断后，设颈缩处的最小横截面面积为 A1 ， 由于断口不是规则的圆形，应在两个相互垂直的方向上量取最小截面的直径，以其平均值计算 A1，然后按下式计算断面收缩率： %100010 A AA 。 图 1 3断口移中示意图 2铸铁属脆性材料，轴向拉伸时，在变形很小的情况下就断裂，故一般测定其抗拉强度极限 b。 五 、 实验 方法 与步骤 1、试件准备与尺寸测量 用划线机划上试件的标距，并将其分成 10 格（图 1 4），以便观察标距范围内沿轴向的变形情况。
10、用游标卡尺测量试件标距部分的直径。在标距范围的中间及两端处，每处两个互相垂直的方向上各测量一次，取其平均值为该处直径。用所测得的三个平均值中的最小的值计算试件的横截面面积 A0,计算 A0时取 两 位有效数字，将测得数据记录在实验报告的表格中。 图 1 4 用 划线机将标距 10等分 2、 开机 、 准备进行试验 接好电源线，打开计算机进入 winPws 软件界面，按油源控制柜“电源开”按钮，指示灯亮。 1) 按“油泵开”按钮，启动油泵，预热 30 分钟 （此步骤可先于其它工作提前做） ，根据试样尺寸把相应的钳口装入上下钳口座内，调整钳口位置对中。 2) 逆时针旋转送油阀手轮，使工作台上升 1
11、0 毫米，然后顺时针旋转送油阀手轮关闭送油阀。如果工作台已升起，则不必开泵送油。 3) 将旋钮旋至“夹紧”档，将试样一端夹持于上钳口中。 4) 根据试样性质，记录试样直径或厚度，并输入到 winPws。 5) 将横梁钳口升降到合适高度，调整零点。 6) 将试样另一端夹持于下钳口中。 7) 将旋钮旋至“工作”档，缓慢的拧开送油阀进行加荷试验。 加荷应保持匀速、缓慢。测出屈服载荷 Ps 后，可稍加实验速率，最后直到将试件拉断，记录最大载荷 Pb 。对铸铁试件，应缓慢匀速加载，直至试件被拉断，记录最大载荷Pb。 8) 试样断裂后，关闭送油阀，取下断裂的试样。 9) 处理、保存试验结果，退出 winP
12、ws 软件界面，关闭计算机。 10) 按“油泵关”按钮，停止油泵工作。 11) 打开回油阀，工作台落到初始位置后按“电源关“按钮，关闭电源。 注意事项： 试验过程中碎片可能飞溅，为避免发生事故，请勿靠近主机面对试样。 试验结束时，将活塞 降低到最低位置。 3、试验后的测量和断口的观察 低碳钢材料拉断后，须计算其延伸率和截面收缩率，因此要测量断后标距部L 分长度 L1、断后最细部分截面直径 d1。 分析拉伸试样的断口，对于评价材料的质量是很重要的，而且还有助于判断材料的塑性、强度及其综合性能。观察低碳钢铸铁两种材料的断口，并分析原因。 低碳钢：断后有较大的宏观塑性变形，断口呈灰暗色纤维状，不完全
13、杯锥状，周边为 45的剪切唇 塑性较好 。 铸铁：断口与正应力方向垂直，没有颈缩现象，长度没有变化，断口齐平为闪光的结晶状组织 脆性 。 4、试验后力学性能比较 对不同材料力学性能的比较，我们主要从拉伸过程中材料表现出的不同现象和试样拉断后断裂的现象进行比较，同学们试验过程中要仔细观察。 六 、 低碳钢与铸铁强度指标与塑性指标的计算 1） 低碳钢 屈服极限 ：0APSS （ MPa） 1MPa=1 2mmN 强度极限 ： 0APbb （ MPa） 延伸率 ： %1 0 0001 L LL 断面收缩率 %100%100 202120001 d ddA AA 2） 铸铁 强度极限 ： 0APbb
14、（ MPa） 注： 以上 200 41 dA ， 0d 为所测三个平均值中的最小值。 实验 二 压缩实验 在实际工程中有些构件承受压力，而材料由于受力形式的不同，其表现的机械性能也不同，因此除了通过拉伸试验了解金属材料的拉伸性能外，有时还要作压缩试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 材料才进行压缩试验，而对塑性金属或合金进行压缩试验的主要目的是为了材料研究。例如灰铸铁在拉伸和压缩时的极限不同，因此工程上就利用铸铁压缩强度较高这一特点来制造机床底座、床身、汽缸、泵体等。 一、实验目的 1、测定在压缩时低碳钢的屈服极限 S，铸铁的强度极限 b 。 2、观察
15、两种材料的破坏现象，并比较这两种材料受压时的特性。 二、实验设备 1、 WEW-300D 微机屏显式万能材料试验机。 2、 游标卡尺。 三、压缩试件介绍 本次压缩试验用短形试样见图所示。试样两端须经研磨平整，互相平行，且端面须垂直于轴线。试样 尺寸DH对压缩变形量和变形抗力均有很大影响。为使结果能互相比较，必须采取相同的DH值。此外试样端部的摩擦力不仅影响试验结果，而且改变破断形式，应尽量减少。本次试验试样规格 H： D=2： 1。 图 3 1 压缩试件 四、实验原理 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，
16、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。 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。 低碳钢压缩时也会发生屈服，但并不象拉伸那样有明显的屈服阶段。因此，在测定 PS时要特别注意观察。在缓慢均匀加载下，试验力值均匀增加，当材料发生屈服时，试验力值增加将减慢，甚至减小，这时对应的载荷即 为屈服载荷 PS。
17、屈服之后加载到试件产生明显变形即停止加载。这是因为低碳钢受压时变形较大而不破裂，因此愈压愈扁。横截面增大时，其实际应力不随外载荷增加而增加，故不可能得到最大载荷 Pb,因此也得不到强度极限 b ，所以在实验中是以变形来控制加载的。 铸铁试件压缩时，在达到最大载荷 Pb前出现较明显的变形然后破裂，此时试验力值迅速减小，铸铁试件最后略呈鼓形，断裂面与试件轴线大约呈 450。 五、实验方法与步骤 1、试验前的准备工作 接到试样后，核对压缩试样是否与要测试的材料相符 ，然后检查外观是否符合 要求。工程中，对于短试样用游标卡尺在互相垂直的方向上测量两次，将数据记入表中，并将试样信息输入到 winPws。
18、 2、开机、准备进行试验 1)安装压缩试验用的上下压盘，将试样放到下压盘中央，并按刻线放正。试样放置的中心线必须与压板中心线重合，避免偏心受力。 2)按下按钮盒“移动横梁：下降”，使下移动横梁向下移动，当上压盘表面和试样上表面距离间距约为 2 3mm的位置时，停止移动。 3)调节送油阀，使试样随工作台向上移动进行压缩试验。 4)对于低碳钢加载时，载荷缓慢均匀增加，试样逐渐压扁，记 录好其屈服载荷 PS后， 继续开送油阀直至压成圆鼓形，观察其变形。 对铸铁材料加载时，要眼睛盯住试验力值加载，破坏时，记录最大载荷 Pb，迅速关闭送油阀， 记录峰值或打印结果，保存结果，退出 winPws，关闭计算机。打开回油阀，使活塞回落至初始位置， 取出试样观察其变形。 注意事项： 试验过程中碎片可能飞溅，为避免发生事故，请勿靠近主机面对试样。 试验结束时，将活塞降低到最低位置。 3、 试验后材料破坏情况 观察低碳钢、铸铁两种材料的破坏变形情况，分析原因： 低碳钢：试样逐渐被压扁，形成圆鼓状。这种材料延展性很好， 不会被压断，压缩时产生很大的变形，上下两端面受摩擦力的牵制变形小，而中间受其影响逐渐
