《机械设计基础》

实验指导书

吕晓军编

西安航空技术高等专科学校

2003年8月

实验一、 低碳钢、铸铁的拉伸和压缩实验

实验二、扭转实验

实验三、弯曲实验

实验四、平面机构和机械传动的陈列演示

实验五、平面机构运动简图

实验六、渐开线直齿圆柱齿轮的参数测定

实验七、渐开线齿廓的范成实验

实验八、减速器的拆装及其轴系的结构分析

实验九、回转体动平衡实验

实验十、皮带传动实验

实验一、 低碳钢、铸铁的拉伸和压缩实验

1.实验目的

（1）观察分析低碳钢的拉伸过程和铸铁的拉伸、压缩过程，比较其力学性能。

（2）测定低碳钢材料的、、、；测定铸铁材料的和。

（3）了解万能材料试验机的结构原理，能正确独立操作使用。

2.实验设备及工具

（1）液压摆式万能材料试验机。

（2）x—y记录仪。

（3）游标卡尺。

（4）拉伸和压缩试件。

3.拉伸和压缩试件

为了便于比较各种材料在拉伸和压缩时的力学性能，拉伸试件按国标GB/T6397—1986制作，压缩试件按国标GB/T7314-1987制作。

如实1－1图所示，拉伸试件采用哑铃状，由工作部分、圆弧过渡部分和夹持部分组成。若以L表示试件工作部分标距，d 表示试件直径，则拉伸试件有短试件（L＝5d）和长试件（L＝10d）两种。本试验采用长试件。

实1-1图圆形拉伸试件实1-3图低碳钢的拉伸曲线实1-2图圆形压缩试件

压缩试件通常为圆柱状，如实1-2图所示。试件受压时，两端面与试验机压头间的摩擦力很大，约束了试件的横向变形，试件越短，影响越大，实验结果越不准确。因此，试件应有一定的长度。但是，试件太长又容易产生纵向弯曲而失稳。铸铁压缩实验时取L＝(1~2) d。

4.实验原理和方法

（1）低碳钢拉伸实验实验中试件变形3D动画演示

将试件安装于试验机的夹头内，之后匀速缓慢加载（加载速度对力学性能是有影响的，速度越快，所测的强度值就越高），直至将试件拉断。低碳钢试件在静拉伸试验中，通常可直接得到拉伸曲线，即F－△L曲线，如实1-3图所示。用准确的拉伸曲线可直接换算出应力应变曲线。观察拉伸曲线可见试件依次经过弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段等四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。

①弹性阶段是指拉伸图上的OA′段。在弹性阶段，存在一比例极限点A，对应的应力为比例极限,此部分载荷与变形是成比例的，材料的弹性模量E应在此范围内测定。

②屈服阶段对应拉伸图上的BC段。在低碳钢的拉伸曲线上，当载荷增加到一定数值时出现的锯齿现象。屈服阶段中一个重要的力学性能就是屈服点。低碳钢材料存在上屈服点和下屈服点，不加说明，一般都是指下屈服点。上屈服点对应拉伸图中的B点，记为F_SU，即试件发生屈服而力首次下降前的最大力值。下屈服点记为F_SL，是指不计初始瞬时效应的屈服阶段中的最小力值。金属材料的屈服是宏观塑性变形开始的一种标志。

一般通过指针法或图示法来确定屈服点，综合起来具体做法可概括为：当屈服出现一对峰谷时，则对应于谷低点的位置就是屈服点；当屈服阶段出现多个波动峰谷时，则除去第一个谷值后所余最小谷值点就是屈服点。用上述方法测得屈服载荷，然后计算出屈服点、下屈服点和上屈服点：＝F_S/A ，=F_SL/A ，＝F_SU/A。

③强化阶段对应于拉伸图中的CD段。变形强化标志着材料抵抗继续变形的能力在增强。这也表明材料要继续变形，就要不断增加载荷。在强化阶段如果卸载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后重新加载时，加载线仍与弹性阶段平行。重新加载后，材料的比例极限明显提高，而塑性性能会相应下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料的宝贵性质之一。工程中利用冷作硬化工艺的例子很多，如挤压、冷拔、喷丸等。D点是拉伸曲线的最高点，载荷为F_b，对应的应力是材料的强度极限或抗拉极限，记为，＝F_b/A。

④缩颈阶段对应于拉伸图的DE段。载荷达到最大值后，由于材料本身存在缺陷，于是均匀变形转化为集中变形，导致形成缩颈。缩颈阶段，承载面积急剧减小，试件承受的载荷也不断下降，直至断裂。断裂后，试件的弹性变形消失，塑性变形则永久保留在破断的试件上。材料的塑性性能通常用试件断后残留的变形来衡量。轴向拉伸的塑性性能通常用伸长率和断面收缩率来表示，计算公式见第四章。

塑性材料缩颈部分的变形在总变形中占很大比例，研究表明，低碳钢试件缩颈部分的变形占塑性变形的80％左右。测定断后伸长率时，缩颈部分及其影响区的塑性变形都包含在内，这就要求断口位置到最邻近的标距端线的距离不小于L/3，此时可直接测量试件标距两端的距离得到L₁。否则就要用移位法（见有关资料）使断口居于标距的中央附近。若断口落在标距之外则试验无效。

⑤试件标距对伸长率的影响

把试件断裂后的塑性伸长量△L分成均匀变形阶段的伸长量△L₁和缩颈阶段的伸长量△L₂两部分。研究表明，△L₁沿试件标距长度均匀分布，△L₂主要集中于缩颈附近。远离缩颈处的变形较小，△L₁要比△L₂小得多，一般△L₁不会超过△L₂的5％。实验与理论研究表明，△L₁与试件初始标距长度L成正比，而△L₂与试样横截面面积的大小A有关，伸长率为，其中、是材料常数。则对于同一种材料，只有在试件的值为常数的条件下，其断后伸长率才是常数。若面积A相同时，L大，则小；反之，则大。故有＞。

（2）铸铁拉伸实验实验中试件变形3D动画演示

铸铁是典型的脆性材料，拉伸曲线如实1-4图所示，可以近似认为经弹性阶段直接断裂。断裂面平齐且为闪光的结晶状组织，说明是由拉应力引起的。其强度指标也只有抗拉强度，用实验测得的最大力值F_b，除以试样的原始面积A，就得到铸铁的抗拉强度，即=F_b/A。

图1-7 实1-4图 铸铁的拉伸曲线

实1-5图 铸铁压缩试验

a)压缩试验时球形支承垫 b)铸铁压缩图 c)铸铁试样在压缩下的破坏图

（3）铸铁压缩实验 铸铁压缩3D动画

铸铁在压缩实验过程中，压缩曲线有明显的非线性。试件在到达最大压缩载荷时有明显的塑性变形，圆柱形被压缩成鼓形，最后破坏。测出压缩破坏载荷F_b，按式=F_b/A计算铸铁的抗压强度。进行压缩试验时，常用球面支承加载，以保证试件端面与垫板均匀接触、均匀受压和压力通过试件轴线。实l-5图给出了铸铁压缩试验的支承、曲线和断口情况。