材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、第二章 材料的機(jī)械（力學(xué)）性能測(cè)試§2-1 材料試驗(yàn)機(jī)的操作一、萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)介在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，一般都要給試樣（或模型）施加荷載，這種加載用的設(shè)備稱(chēng)為材料試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)根據(jù)所加荷載的性能可分為靜荷試驗(yàn)機(jī)和動(dòng)荷試驗(yàn)機(jī)；根據(jù)工作條件又可分為常溫、高溫和低溫等試驗(yàn)機(jī)；根據(jù)加載的形式分為拉力、壓力和扭轉(zhuǎn)等試驗(yàn)機(jī)。如果一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)兼作拉伸、壓縮、彎曲和剪切等多種試驗(yàn)，則稱(chēng)為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)所能施加的荷載有大有小，小的只有幾牛頓，大的可達(dá)幾千噸。一般材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的是常溫、靜載5t100t的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、拉力和扭轉(zhuǎn)等試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)的種類(lèi)很多，但一般都有機(jī)架、加載系統(tǒng)、測(cè)力示值系統(tǒng)、荷載位移

2、記錄系統(tǒng)以及夾具、附具等五個(gè)基本部分所組成。其中以加載系統(tǒng)、測(cè)力示值系統(tǒng)和荷載位移記錄系統(tǒng)反映了試驗(yàn)機(jī)的主要性能。1、加載系統(tǒng)它是對(duì)試樣施加荷載的裝置，除油泵外，主要安裝在右邊部分。一般所謂加載，都是利用一定的動(dòng)力和傳動(dòng)裝置強(qiáng)迫試樣發(fā)生變形，從而使試樣受到力的作用。2、測(cè)力、示值系統(tǒng)它是傳遞和指示試樣所受荷載大小的裝置，主要安裝在左邊部分。3、荷載位移記錄系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)上配置的一種稱(chēng)為自動(dòng)繪圖器的裝置，它可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)地繪出荷載與變形之間的關(guān)系曲線(xiàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)可靠，試驗(yàn)機(jī)要滿(mǎn)足一定的技術(shù)條件，其標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定。其中重要的規(guī)定之一，是要求試驗(yàn)機(jī)荷載的示值誤差要在±1以?xún)?nèi)，并且試

3、驗(yàn)機(jī)在安裝時(shí)或使用一定時(shí)間（一般為一年）后，都要進(jìn)行檢定（有國(guó)家計(jì)量管理部門(mén)統(tǒng)一進(jìn)行），不合格的應(yīng)檢修。試驗(yàn)機(jī)的檢定方法可參閱“材料試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程”。二、液壓動(dòng)擺式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)這是最常用的一種試驗(yàn)機(jī)，類(lèi)型很多，但一般指示外形不同，基本原理是一樣的。其可分為上置式油缸和下置式油缸兩大類(lèi)。（一）上置式油缸液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)這類(lèi)試驗(yàn)機(jī)的工作油缸在上部，其外形如圖21-1所示，其構(gòu)造原理如圖21-2所示。圖21-2 液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)構(gòu)造機(jī)原理示意圖圖21-1 WE-10A型液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 1、加載系統(tǒng)圖21-3所示是其加載機(jī)構(gòu)。當(dāng)圖21-2中的油泵電機(jī)帶動(dòng)油泵5工作，將高壓油液經(jīng)送油管和送油閥送入工作油缸時(shí)

4、，逐漸推動(dòng)工作活塞6、上橫頭7、活動(dòng)立柱8和工作臺(tái)9（又稱(chēng)活動(dòng)臺(tái)）上升。若試樣裝夾在下層拉伸空間的上下夾頭10和11中，圖21-3 試驗(yàn)機(jī)加載部分則因下夾頭固定不動(dòng)，而工作臺(tái)上升時(shí)上夾頭隨之一起上升，就對(duì)試樣施加了拉力。若試樣放在上層壓縮空間的上下墊板12之間，當(dāng)工作臺(tái)上升到試樣與上墊板接觸時(shí)就對(duì)試樣施加了壓力。輸油管路中的送油閥門(mén)用來(lái)控制進(jìn)入工作油缸中的油量，以調(diào)節(jié)對(duì)試樣加載的速度。加載時(shí)回油閥置于關(guān)閉位置。回油閥打開(kāi)時(shí)，可將工作油缸中的油液泄回油箱，工作臺(tái)由于自重而下降，回到原始位置。如果拉伸試樣的長(zhǎng)度不同，可用下夾頭電機(jī)（或人力）轉(zhuǎn)動(dòng)底座中的蝸輪，使螺柱上下移動(dòng)以調(diào)節(jié)下夾頭的位置。注意：

5、當(dāng)試樣已經(jīng)夾緊或受力時(shí)，不能再移動(dòng)下夾頭，否則就造成用下夾頭對(duì)試樣加載，以致?lián)p傷機(jī)件。工作臺(tái)的行程對(duì)拉伸和壓縮區(qū)間都有規(guī)定，使用者必須遵守。2、測(cè)力、示值系統(tǒng) 測(cè)力、示值系統(tǒng)的功能，是要隨時(shí)反映出作用在試樣上的荷載值。它是試驗(yàn)機(jī)的心臟部門(mén)(見(jiàn)圖21-2)。加載時(shí)，工作油缸中的油壓推動(dòng)工作活塞6的力與試樣所受的力成正比。如果用油管將工作油缸和測(cè)力油缸14連通，此油壓便推動(dòng)測(cè)力活塞15向下移動(dòng)，使拉桿拉動(dòng)擺錘16，使之繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)而抬起，同時(shí)擺上的推桿（又稱(chēng)撥桿）便推動(dòng)齒輪17，使齒輪和指針18旋轉(zhuǎn)。指針的旋轉(zhuǎn)角度與油壓成正比，因此在測(cè)力度盤(pán)上便可讀出試樣所受力的大小。圖214所示是測(cè)力、示值系統(tǒng)工

6、作原理示意圖。由此圖可知，試驗(yàn)機(jī)作用于試樣上的力P就是作用在工作油缸上的壓力PW與工作臺(tái)自重W0的差值（即P=PWW0）。由于工作油缸與測(cè)力油缸相連通，它們的油壓相等，因此有：其中， SW為工作油缸活塞的面積，PS 是作用在測(cè)力油缸上的壓力，SS為測(cè)力油缸活塞的面積，p為油缸內(nèi)油液的壓強(qiáng)。連桿在PS作用下，擺桿、砝碼對(duì)支點(diǎn)O的平衡方程為：Qsin·PS cos(0)·r0齒桿的位移x與擺桿揚(yáng)角的關(guān)系為：x= htan0+htan(0)= hsin/cos0cos(0)圖21-4 測(cè)力、示值系統(tǒng)工作原理示意圖示力指針的轉(zhuǎn)角與齒桿位移x的關(guān)系為：x=d/2聯(lián)立以上四式可得：式中

7、，Q、l、d、r、h、SW 、S0以及預(yù)置角0都是常數(shù)，工作臺(tái)的自重W0也是常數(shù)，因此可得如下結(jié)論： 試驗(yàn)機(jī)作用于試樣上的荷載P與示力指針的轉(zhuǎn)角成線(xiàn)性關(guān)系。因此測(cè)力度盤(pán)可以以圓等分刻度。 若視為常量（指針指在同一角度時(shí)），而視Q為變量，則P與Q成線(xiàn)性關(guān)系。因此更換砝碼重量Q可以得到不同的測(cè)力范圍。一般試驗(yàn)機(jī)可以更換三種擺重，相應(yīng)地配有三個(gè)不同的砝碼（一般由小到大編為A、B、C三種號(hào)碼），也相應(yīng)地有三種刻度的測(cè)力度盤(pán)，分別表示三種測(cè)力范圍。例如WE10A型液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（圖21-1所示）的三種度盤(pán)分別為：020 KN、050 KN、0100 KN。試驗(yàn)時(shí)，為了保證測(cè)量荷載的精度，要根據(jù)試樣實(shí)現(xiàn)

8、估算所需荷載的大小，正確選擇合適的測(cè)力度盤(pán)，并在擺桿21上放置相應(yīng)重量的砝碼。 當(dāng)視為常量，而l視為變量時(shí)，P與l成線(xiàn)性關(guān)系。因此更換擺桿長(zhǎng)度l，也可以得到不同的測(cè)力范圍。所以，有些試驗(yàn)機(jī)是采用調(diào)節(jié)擺桿長(zhǎng)度的辦法，而不是變更砝碼的重量。前式中的荷載P與示力指針的轉(zhuǎn)角成線(xiàn)性關(guān)系，是在理想狀態(tài)下推得的，其中沒(méi)有考慮到摩擦力，支承、夾具、機(jī)架受力后的變形，加工裝配中幾何尺寸的偏差，以及各零件之間的間隙等因素的影響，這些都會(huì)使P與之間產(chǎn)生非線(xiàn)性偏差。當(dāng)擺桿揚(yáng)起的角較大（相應(yīng)指針的轉(zhuǎn)角也大）時(shí)，由于摩察力引起的非線(xiàn)性誤差顯著增加，指針臨近度盤(pán)的滿(mǎn)度區(qū)域，示值的精度較差。又根據(jù)國(guó)家對(duì)試驗(yàn)機(jī)示值精度的規(guī)定：

9、以每級(jí)測(cè)量范圍的10%開(kāi)始，但不小于該機(jī)最大荷載的4%，誤差應(yīng)在±1%之內(nèi)?？梢?jiàn)，指針在度盤(pán)的開(kāi)始區(qū)域內(nèi)精度也較差。因此在試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)正確選擇度盤(pán)的測(cè)力范圍，一般使需要測(cè)量的荷載最好全落在度盤(pán)的10%80%范圍內(nèi)。另外，摩察力對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)程（加載）、回程（卸載）都有影響，而在進(jìn)回程中引起的是雙倍誤差。所以試驗(yàn)機(jī)加載時(shí)，必須平穩(wěn)增加，不應(yīng)忽增忽減。再者，試驗(yàn)機(jī)加在試樣上的荷載P是作用在工作油缸上的壓力PW與工作臺(tái)自重W0的差值，因此在加載前，應(yīng)調(diào)整測(cè)力指針的零點(diǎn)（使Po=WO），以消除試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)自重的影響。普通材料試驗(yàn)機(jī)均為指針度盤(pán)式的示值方式，它有兩根示值指針：一根是主動(dòng)針，另一根示從

10、動(dòng)針，如圖21-1所示。當(dāng)試驗(yàn)加載時(shí)，主動(dòng)針帶著從動(dòng)針隨荷載增加而沿刻度值增大的方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束卸載時(shí)，主動(dòng)針回轉(zhuǎn)至零位，而從動(dòng)針則停示在終止的力值上，以供充裕的時(shí)間準(zhǔn)確讀數(shù)。試驗(yàn)中，主動(dòng)針記錄的是加在試樣上的瞬時(shí)荷載值，從動(dòng)針記錄的是前期加在試樣上的最大荷載值。從動(dòng)針的位置可由手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。3、荷載位移記錄系統(tǒng)圖21-5 荷載位移記錄系統(tǒng)示意圖圖21-5所示是萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)荷載位移記錄系統(tǒng)的一般構(gòu)成機(jī)構(gòu)。力值的記錄：在測(cè)力系統(tǒng)的齒桿上裝有筆架，記錄筆隨齒桿的移動(dòng)而在記錄筒上描繪。如使指針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，記錄筆所繪直線(xiàn)的長(zhǎng)度代表該度盤(pán)的滿(mǎn)度力值，可作為力值的坐標(biāo)。位移的記錄：試驗(yàn)機(jī)上下夾頭之間有相對(duì)

11、位移時(shí)，線(xiàn)繩通過(guò)繩輪帶動(dòng)記錄筒轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄筆便在筒紙上繪出了代表位移的線(xiàn)段。記錄筒上的繩輪一般具有23條不同直徑的線(xiàn)槽，使描繪位移線(xiàn)段的長(zhǎng)度比真實(shí)位移放大不同的倍數(shù)，可以選擇使用。力和位移同時(shí)記錄：當(dāng)夾頭強(qiáng)迫試樣變形的同時(shí)，試樣不斷產(chǎn)生抗力，這時(shí)記錄筆和記錄筒儀器運(yùn)動(dòng)，二者的合成運(yùn)動(dòng)描繪了力變形曲線(xiàn)。應(yīng)當(dāng)注意，該機(jī)構(gòu)所記錄的變形并非試樣標(biāo)距內(nèi)的真實(shí)變形，而是試驗(yàn)機(jī)上、下兩夾頭間的位移，其精度較差。如果需要大比例、高精度的PL曲線(xiàn)圖，可應(yīng)用現(xiàn)代的電子設(shè)備，在普通試驗(yàn)機(jī)上使用傳感器直接測(cè)量試樣的抗力和標(biāo)距內(nèi)的變形，并將測(cè)得值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，經(jīng)放大器接入xy函數(shù)記錄儀便可得到放大倍數(shù)為，1 000以

12、上的精確圖線(xiàn)。更先進(jìn)的記錄是將傳感器采集的訊息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入電子計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理打印出更精確的數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)圖。（二）下置式油缸液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)圖21-6 WEC-50B微機(jī)顯示液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)這類(lèi)試驗(yàn)機(jī)的工作油缸在下部，其外形如圖21-6及圖21-7所示，其構(gòu)造原理與上置式油缸液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造原理基本相似，只是外形不同，各機(jī)構(gòu)的位置不同，相應(yīng)試驗(yàn)空間的位置也不同（拉伸試驗(yàn)空間在上部，壓縮試驗(yàn)空間在下部）。試驗(yàn)空間的調(diào)節(jié)是靠中間橫梁10的上下移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。加載時(shí)，高壓油液經(jīng)送油管和送油閥送入工作油缸推動(dòng)工作活塞、上橫梁9、活動(dòng)立柱和工作臺(tái)11上升。若試樣裝夾在上層拉伸空間的上下夾頭中，

13、則因中間橫梁10固定不動(dòng)，下夾頭也就不動(dòng)，而上橫梁9上升時(shí)上夾頭隨之一起上升，就對(duì)試樣施加了拉力。若試樣放在下層壓縮空間的上下墊板之間，當(dāng)工作臺(tái)上升到試樣與上墊板接觸時(shí)就對(duì)試樣施加了壓力。圖21-7 WA-500B電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)此類(lèi)試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)中的操作過(guò)程及注意事項(xiàng)與上述的上置式油缸液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)基本相同，此不再贅述。了解試驗(yàn)機(jī)的主要功能，目的是為了更好地掌握和使用試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，除了試驗(yàn)機(jī)本身須達(dá)到規(guī)定的精度外，更重要的是決定于實(shí)驗(yàn)者的操作技能。同時(shí)，正確、熟練的操作技能，也反映了實(shí)驗(yàn)者的水平和能力。試驗(yàn)中具體所用試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造原理及其操作規(guī)程請(qǐng)參看相關(guān)試驗(yàn)機(jī)的說(shuō)明書(shū)或其他相關(guān)資料。金屬

14、材料的室溫拉伸試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)定低碳鋼的屈服強(qiáng)度REh 、ReL及Re 、抗拉強(qiáng)度Rm 、斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z 。2、測(cè)定鑄鐵的抗拉強(qiáng)度Rm和斷后伸長(zhǎng)率A。3、觀察并分析兩種材料在拉伸過(guò)程中的各種現(xiàn)象（包括屈服、強(qiáng)化、冷作硬化和頸縮等現(xiàn)象），并繪制拉伸圖。4、比較低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）拉伸機(jī)械性能的特點(diǎn)。使用設(shè)備萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺、試樣分劃器或鋼筋標(biāo)距儀試樣圖2-1 機(jī)加工的圓截面拉伸試樣本試驗(yàn)采用經(jīng)機(jī)加工的直徑d =10 mm的圓形截面比例試樣，其是根據(jù)國(guó)家試驗(yàn)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行加工的。它有夾持、過(guò)渡和平行三部分組成（見(jiàn)圖2-1），它的夾持部分稍大，其形狀和尺寸應(yīng)根據(jù)試樣

15、大小、材料特性、試驗(yàn)?zāi)康囊约霸囼?yàn)機(jī)夾具的形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但必須保證軸向的拉伸力。其夾持部分的長(zhǎng)度至少應(yīng)為楔形夾具長(zhǎng)度的3/4（試驗(yàn)機(jī)配有各種夾頭，對(duì)于圓形試樣一般采用楔形夾板夾頭，夾板表面制成凸紋，以便夾牢試樣）。機(jī)加工帶頭試樣的過(guò)渡部分是圓角，與平行部分光滑連接，以保證試樣破壞時(shí)斷口在平行部分。平行部分的長(zhǎng)度Lc按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定取Lo+d ，Lo是試樣中部測(cè)量變形的長(zhǎng)度，稱(chēng)為原始標(biāo)距。實(shí)驗(yàn)原理按我國(guó)目前執(zhí)行的國(guó)家GB/T 228-2002標(biāo)準(zhǔn)金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法的規(guī)定，在室溫1035的范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。將試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)的夾頭中，然后開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使試樣受到緩慢增加的拉力（應(yīng)根據(jù)材料性

16、能和試驗(yàn)?zāi)康拇_定拉伸速度），直到拉斷為止，并利用試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)繪圖裝置繪出材料的拉伸圖（圖2-2所示）。應(yīng)當(dāng)指出，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪圖裝置繪出的拉伸變形L主要是整個(gè)試樣（不只是標(biāo)距部分）的伸長(zhǎng)，還包括機(jī)器的彈性變形和試樣在夾頭中的滑動(dòng)等因素。由于試樣開(kāi)始受力時(shí)，頭部在夾頭內(nèi)的滑動(dòng)較大，故繪出的拉伸圖最初一段是曲線(xiàn)。1、低碳鋼（典型的塑性材料）（a）低碳鋼拉伸曲線(xiàn)圖 （b）鑄鐵拉伸曲線(xiàn)圖圖2-2 由試驗(yàn)機(jī)繪圖裝置繪出的拉伸曲線(xiàn)圖當(dāng)拉力較小時(shí)，試樣伸長(zhǎng)量與力成正比增加，保持直線(xiàn)關(guān)系，拉力超過(guò)FP后拉伸曲線(xiàn)將由直變曲。保持直線(xiàn)關(guān)系的最大拉力就是材料比例極限的力值FP 。在FP的上方附近有一點(diǎn)是Fc，若拉力小

17、于Fc而卸載時(shí)，卸載后試樣立刻恢復(fù)原狀，若拉力大于Fc后再卸載，則試件只能部分恢復(fù)，保留的殘余變形即為塑性變形，因而Fc是代表材料彈性極限的力值。當(dāng)拉力增加到一定程度時(shí)，試驗(yàn)機(jī)的示力指針（主動(dòng)針）開(kāi)始擺動(dòng)或停止不動(dòng)，拉伸圖上出現(xiàn)鋸齒狀或平臺(tái)，這說(shuō)明此時(shí)試樣所受的拉力幾乎不變但變形卻在繼續(xù)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為材料的屈服。低碳鋼的屈服階段常呈鋸齒狀，其上屈服點(diǎn)B受變形速度及試樣形式等因素的影響較大，而下屈服點(diǎn)B則比較穩(wěn)定（因此工程上常以其下屈服點(diǎn)B所對(duì)應(yīng)的力值FeL作為材料屈服時(shí)的力值）。確定屈服力值時(shí)，必須注意觀察讀數(shù)表盤(pán)上測(cè)力指針的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，讀取測(cè)力度盤(pán)指針首次回轉(zhuǎn)前指示的最大力FeH（上屈服荷載）

18、和不計(jì)初瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)屈服階段中的最小力FeL（下屈服荷載）或首次停止轉(zhuǎn)動(dòng)指示的恒定力FeL（下屈服荷載），將其分別除以試樣的原始橫截面積（S0）便可得到上屈服強(qiáng)度ReH和下屈服強(qiáng)度ReL。即ReH= FeH/S0 ReL = FeL/S0屈服階段過(guò)后，雖然變形仍繼續(xù)增大，但力值也隨之增加，拉伸曲線(xiàn)又繼續(xù)上升，這說(shuō)明材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱(chēng)為材料的強(qiáng)化。在強(qiáng)化階段內(nèi)，試樣的變形主要是塑性變形，比彈性階段內(nèi)試樣的變形大得多，在達(dá)到最大力Fm之前，試樣標(biāo)距范圍內(nèi)的變形是均勻的，拉伸曲線(xiàn)是一段平緩上升的曲線(xiàn)，這時(shí)可明顯地看到整個(gè)試樣的橫向尺寸在縮小。此最大力Fm為材料的抗拉強(qiáng)度力值，由公式

19、Rm=Fm/S0 即可得到材料的抗拉強(qiáng)度Rm。如果在材料的強(qiáng)化階段內(nèi)卸載后再加載，直到試樣拉斷，則所得到的曲線(xiàn)如圖2-3所示。卸載時(shí)曲線(xiàn)并不沿原拉伸曲線(xiàn)卸回，而是沿近乎平行于彈性階段的直線(xiàn)卸回，這說(shuō)明卸載前試樣中除了有塑性變形外，還有一部分彈性變形；卸載后再繼續(xù)加載，曲線(xiàn)幾乎沿卸載路徑變化，然后繼續(xù)強(qiáng)化變形，就像沒(méi)有卸載一樣，這種現(xiàn)象稱(chēng)為材料的冷作硬化。顯然，冷作硬化提高了材料的比例極限和屈服極限，但材料的塑性卻相應(yīng)降低。圖2-3 低碳鋼的冷作硬化當(dāng)荷載達(dá)到最大力Fm后，示力指針由最大力Fm緩慢回轉(zhuǎn)時(shí)，試樣上某一部位開(kāi)始產(chǎn)生局部伸長(zhǎng)和頸縮，在頸縮發(fā)生部位，橫截面面積急劇縮小，繼續(xù)拉伸所需的力也

20、迅速減小，拉伸曲線(xiàn)開(kāi)始下降，直至試樣斷裂。此時(shí)通過(guò)測(cè)量試樣斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度Lu和斷口處最小直徑du，計(jì)算斷后最小截面積（Su），由計(jì)算公式 即可得到試樣的斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z。2、鑄鐵（典型的脆性材料）脆性材料是指斷后伸長(zhǎng)率A5 的材料，其從開(kāi)始承受拉力直至試樣被拉斷，變形都很小。而且，大多數(shù)脆性材料在拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)上都沒(méi)有明顯的直線(xiàn)段，幾乎沒(méi)有塑性變形，也不會(huì)出現(xiàn)屈服和頸縮等現(xiàn)象（如圖2-2b所示），只有斷裂時(shí)的應(yīng)力值強(qiáng)度極限。鑄鐵試樣在承受拉力、變形極小時(shí)，就達(dá)到最大力Fm而突然發(fā)生斷裂，其抗拉強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于低碳鋼的抗拉強(qiáng)度。同樣，由公式Rm=Fm/S0 即可得到其抗拉強(qiáng)度Rm，

21、而由公式 則可求得其斷后伸長(zhǎng)率A。試驗(yàn)步驟一、低碳鋼拉伸試驗(yàn)1、試樣準(zhǔn)備：為了便于觀察標(biāo)距范圍內(nèi)沿軸向的變形情況，用試樣分劃器或標(biāo)距儀在試樣標(biāo)距L0 范圍內(nèi)每隔5 mm刻劃一標(biāo)記點(diǎn)（注意標(biāo)記刻劃不應(yīng)影響試樣斷裂），將試樣的標(biāo)距段分成十等份。 用游標(biāo)卡尺測(cè)量標(biāo)距兩端和中間三個(gè)橫截面處的直徑，在每一橫截面處沿相互垂直的兩個(gè)方向各測(cè)一次取其平均值，用三個(gè)平均值中最小者計(jì)算試樣的原始橫截面積S0（計(jì)算時(shí)S0應(yīng)至少保留四位有效數(shù)字）。2、試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備：根據(jù)低碳鋼的抗拉強(qiáng)度Rm和試樣的原始橫截面積S0估計(jì)試驗(yàn)所需的最大荷載，并據(jù)此選擇合適的量程，配上相應(yīng)的砝碼砣，做好試驗(yàn)機(jī)的調(diào)零（注意：應(yīng)消除試驗(yàn)機(jī)工作平臺(tái)

22、的自重）、安裝繪圖紙筆等準(zhǔn)備工作。3、裝夾試樣：先將試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)的上夾頭內(nèi)，再移動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的下夾頭（或工作平臺(tái)、或試驗(yàn)機(jī)橫梁）使其達(dá)到適當(dāng)位置，并把試樣下端夾緊（注意：應(yīng)盡量將試樣的夾持段全部夾在夾頭內(nèi)，并且上下要對(duì)稱(chēng)。完成此步操作時(shí)切忌在裝夾試樣時(shí)對(duì)試樣加上了荷載）。4、檢查試車(chē)：請(qǐng)教師檢查以上步驟完成情況，然后啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，預(yù)加少許荷載后（對(duì)應(yīng)的應(yīng)力不能超過(guò)材料的比例極限），卸載回至零點(diǎn)，以檢查試驗(yàn)機(jī)工作是否正常。同時(shí)消除試樣在夾頭中的滑移對(duì)繪制拉伸圖曲線(xiàn)的影響。5、進(jìn)行試驗(yàn)：圖2-4 屈服荷載的確定開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)使之緩慢勻速加載（依據(jù)規(guī)范要求，在屈服前以660 MPa/s的速率加載），并注意

23、觀察示力指針的轉(zhuǎn)動(dòng)、自動(dòng)繪圖的情況和相應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)主動(dòng)針不動(dòng)或倒退時(shí)說(shuō)明材料開(kāi)始屈服，記錄上屈服點(diǎn)FeH（主動(dòng)針首次回轉(zhuǎn)前的最大力）和下屈服點(diǎn)FeL（屈服過(guò)程中不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最小力或主動(dòng)針首次停止轉(zhuǎn)動(dòng)的恒定力），具體情況如圖2-4所示（說(shuō)明：前所給出的加載速率是國(guó)標(biāo)中規(guī)定的測(cè)定上屈服點(diǎn)時(shí)應(yīng)采用的速率，在測(cè)定下屈服點(diǎn)時(shí)，平行長(zhǎng)度內(nèi)的應(yīng)變速率應(yīng)在0.000250.0025/s之間，并應(yīng)盡可能保持恒定。如果不能直接控制這一速率，則應(yīng)固定屈服開(kāi)始前的應(yīng)力速率直至屈服階段完成）。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，材料屈服過(guò)后，試驗(yàn)機(jī)的速率應(yīng)使試樣平行長(zhǎng)度內(nèi)的應(yīng)變速率不超過(guò)0.008/s。在此條件下繼續(xù)加載，并注意

24、觀察主動(dòng)針的轉(zhuǎn)動(dòng)、自動(dòng)繪圖的情況和相應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)象（強(qiáng)化、冷作硬化和頸縮等現(xiàn)象在強(qiáng)化階段的任一位置卸載后再加載進(jìn)行冷作硬化現(xiàn)象的觀察；此后，待主動(dòng)針再次停止轉(zhuǎn)動(dòng)而緩慢回轉(zhuǎn)時(shí)，材料進(jìn)入頸縮階段，注意觀察試樣的頸縮現(xiàn)象），直至試樣斷裂停車(chē)。記錄所加的最大荷載Fm（從動(dòng)針最后停留的位置）。6、試樣斷后尺寸測(cè)定：圖2-5 移位法測(cè)量Lu取出試樣斷體，觀察斷口情況和位置。將試樣在斷裂處緊密對(duì)接在一起，并盡量使其軸線(xiàn)處于同一直線(xiàn)上，測(cè)量斷后標(biāo)距Lu和頸處的最小直徑du（應(yīng)沿相互垂直的兩個(gè)方向各測(cè)一次取其平均值），計(jì)算斷后最小橫截面積Su。注意：在測(cè)定Lu時(shí)，若斷口到最臨近標(biāo)距端點(diǎn)的距離不小于1/3L0，則直

25、接測(cè)量標(biāo)距兩端點(diǎn)的距離；若斷口到最臨近標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于1/3L0，則按圖2-5所示的移位法測(cè)定：符合圖（a）情況的，Lu=AC+BC，符合圖（b）情況的，Lu=AC1+BC；若斷口非?？拷嚇觾啥?，而其到最臨近標(biāo)距端點(diǎn)的距離還不足兩等份，且測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率小于規(guī)定值，則試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，必須重做。此時(shí)應(yīng)檢查試樣的質(zhì)量和夾具的工作狀況，以判斷是否屬于偶然情況。7、卸回油缸中的液壓油，取下繪記錄圖紙，請(qǐng)教師檢查試驗(yàn)記錄，經(jīng)認(rèn)可后清理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和所用儀器設(shè)備，并將所用的儀器設(shè)備全部恢復(fù)原狀。二、鑄鐵拉伸試驗(yàn)1、測(cè)量試樣原始尺寸：測(cè)量方法要求同前，但只用快干墨水或帶色涂料標(biāo)出兩標(biāo)距端點(diǎn)，不用等分標(biāo)距段。2

26、、試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備：（要求同前）。3、安裝試樣：（方法同前）。 4、檢查試驗(yàn)機(jī)工作是否正常：（檢查同前，但勿需試車(chē)）。5、進(jìn)行試驗(yàn)：開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，保持試驗(yàn)機(jī)兩夾頭在力作用下的分離速率使試樣平行長(zhǎng)度內(nèi)的應(yīng)變速率不超過(guò)0.008/s的條件下對(duì)試樣進(jìn)行緩慢加載，直至試樣斷裂為止。停機(jī)并記錄最大力Fm。6、取出試樣斷體，觀察斷口情況。然后將試樣在斷裂處緊密對(duì)接在一起，并盡量使其軸線(xiàn)處于同一直線(xiàn)上，測(cè)量試樣斷后標(biāo)距Lu（直接用游標(biāo)卡尺測(cè)量標(biāo)距兩端點(diǎn)的距離）。7、結(jié)束試驗(yàn)：卸回油缸中的液壓油，取下繪記錄圖紙，請(qǐng)教師檢查試驗(yàn)記錄，經(jīng)認(rèn)可后清理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和所用儀器設(shè)備，并將所使用的儀器設(shè)備全部復(fù)原。8、完成全部測(cè)量后，

27、將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、試驗(yàn)機(jī)所繪的曲線(xiàn)圖和實(shí)驗(yàn)卡片一并交指導(dǎo)教師檢查驗(yàn)收、簽字認(rèn)可后方可離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（參考記錄表格）表2-1、試樣原始尺寸材 料標(biāo) 距L0/mm直 徑 d0/mm原始橫截面面積 S0/mm2截面I截面II截面III12平均12平均12平均低碳鋼50.00鑄 鐵50.00 表2-2、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 單位：KN材 料上屈服荷載FeH下屈服荷載FeL屈服荷載Fe最大荷載 Fm低 碳 鋼鑄 鐵表2-3、試樣斷后尺寸材 料標(biāo) 距Lu/mm斷后伸長(zhǎng)LuL0/mm 斷后縮頸處最小直徑du/mm斷后最小橫截面積Su/mm212平均低碳鋼鑄 鐵數(shù)據(jù)處理材 料上屈服強(qiáng)度ReH/MPa下屈服強(qiáng)度

28、ReL/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長(zhǎng)率A/斷面收縮率Z/低碳鋼鑄 鐵實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出低碳鋼及鑄鐵的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。2、繪出低碳鋼及鑄鐵試樣斷裂后的形狀示意圖和-曲線(xiàn)示意圖。3、按標(biāo)準(zhǔn)格式寫(xiě)出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告（內(nèi)容一定要完整全面）。備注：儀器自動(dòng)繪制的FL圖必須隨報(bào)告一起交上（要注明本小組編號(hào)）。思考題1、什么叫比例試樣？它應(yīng)滿(mǎn)足什么條件？國(guó)家為什么要對(duì)試樣的形狀、尺寸、公差和表面粗糙度等做出相應(yīng)的規(guī)定？2、參考試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪圖儀繪出的拉伸圖，分析低碳鋼試樣從加力至斷裂的過(guò)程可分為哪幾個(gè)階段？相應(yīng)于每一階段的拉伸曲線(xiàn)各有什么特點(diǎn)？*3、為什么不顧試樣斷口的明顯縮小，仍以原始

29、截面積S0計(jì)算低碳鋼的抗拉強(qiáng)度Rm呢？4、有材料和直徑均相同的長(zhǎng)試樣和短試樣各一個(gè)，用它們測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是否基本相同？為什么？5、低碳鋼試樣拉伸斷裂時(shí)的荷載比最大荷載Fm要小，按公式R=F/S0計(jì)算，斷裂時(shí)的應(yīng)力比Rm小。為什么應(yīng)力減小后試樣反而斷裂？*6、鑄鐵試樣拉伸試驗(yàn)中，斷口為何是橫截面？又為何大多在根部？7、對(duì)于低碳鋼材料的拉伸試驗(yàn)，當(dāng)其斷口不在標(biāo)距長(zhǎng)度中部三分之一區(qū)段內(nèi)時(shí)，為什么要采用斷口移中法測(cè)量斷后標(biāo)距？*8、由拉伸試驗(yàn)測(cè)定的材料機(jī)械性能在工程上有何使用價(jià)值？四、實(shí)驗(yàn)3金屬材料的壓縮試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)定低碳鋼的壓縮屈服極限sc。2、測(cè)定鑄鐵的抗

30、拉強(qiáng)度bc。3、觀察并分析兩種材料在壓縮過(guò)程中的各種現(xiàn)象(主要是變形和破壞形式)。4、比較低碳鋼(塑性材料)與鑄鐵(脆性材料)壓縮機(jī)械性能的特點(diǎn)。使用設(shè)備萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺等。試樣本試驗(yàn)我們采用機(jī)加工的側(cè)向無(wú)約束的10×20的圓柱體低碳鋼試樣和圖3-1 側(cè)向無(wú)約束圓柱體試樣10×15的圓柱體鑄鐵試樣（見(jiàn)圖3-1）。實(shí)驗(yàn)原理將試樣放在試驗(yàn)機(jī)的兩壓板之間，開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)緩慢進(jìn)行加載，使試樣受到緩慢增加的壓力作用，示力指針緩慢勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，并利用試驗(yàn)機(jī)的繪圖裝置自動(dòng)繪出壓縮圖（見(jiàn)圖3-2）。（a）低碳鋼壓縮圖 （b）鑄鐵壓縮圖 圖3-3 壓縮試驗(yàn)時(shí)圖3-2試驗(yàn)機(jī)繪出的壓縮圖 的球形承墊

31、由于試樣兩端不可能理想的平行，試驗(yàn)時(shí)必須使用球形承墊（見(jiàn)圖3-3），并且試樣應(yīng)置于球形承墊中心，藉以球形承墊的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)試樣的軸向受壓。1、低碳鋼的壓縮試樣開(kāi)始變形時(shí)服從虎克定律，壓縮曲線(xiàn)呈直線(xiàn)（見(jiàn)圖3-2a）。在開(kāi)始出現(xiàn)變形增長(zhǎng)很快的非線(xiàn)性小段時(shí)，表示材料到達(dá)了屈服，但這時(shí)并不象拉伸那樣有明顯的屈服階段，只是示力指針暫停轉(zhuǎn)動(dòng)或稍有返回，這暫?；蚍祷氐淖钚≈导礊閴嚎s屈服荷載Psc。此后，圖形呈曲線(xiàn)上升，材料產(chǎn)生顯著的殘余變形，試樣長(zhǎng)度顯著縮短，而直徑增大。由于試驗(yàn)機(jī)壓板與試樣兩端面之間的摩擦力，使試樣兩端的橫向變形受到阻礙，因而試樣被壓成鼓形。隨著荷載的逐漸增加，塑性變形迅速增長(zhǎng)，試樣的

32、橫截面面積也隨之增大，而增大的面積又能承受更大的荷載，因此試樣愈壓愈扁，甚至可以壓成薄餅狀而不破裂，所以無(wú)法測(cè)出其最大荷載Pbc和抗壓強(qiáng)度bc。根據(jù)測(cè)出的壓縮屈服荷載Psc，由公式sc=Psc/S0即可求出材料的壓縮屈服極限。圖3-4 鑄鐵試樣壓 縮下的破壞2、鑄鐵的壓縮鑄鐵試樣在壓縮時(shí)與拉伸明顯不同，其壓縮曲線(xiàn)上雖然仍沒(méi)有明顯的直線(xiàn)階段和屈服階段，但曲線(xiàn)明顯變彎（見(jiàn)圖3-2b），表明試樣在達(dá)到最大荷載Pbc前就出現(xiàn)了明顯的塑性變形，而其最大荷載Pbc也要比拉伸時(shí)的Pb大很多倍。當(dāng)荷載達(dá)到最大荷載Pbc后稍有下降，然后破裂，并能聽(tīng)到沉悶的破裂聲。鑄鐵試樣破裂后呈鼓形，并在與軸線(xiàn)大約成45

33、76;角的斜面上破裂（見(jiàn)圖3-4），此破壞主要是由剪應(yīng)力引起的。由公式bc= Pbc/S0即可求出材料的抗壓強(qiáng)度。 實(shí)驗(yàn)步驟 1、樣尺寸測(cè)量：用游標(biāo)卡尺在試樣標(biāo)距中點(diǎn)處兩個(gè)相互垂直的方向上測(cè)量直徑，取其算術(shù)平均值，并計(jì)算其截面面積S0。2、試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備：估計(jì)試驗(yàn)所需的最大荷載，選擇合適的量程，配以相應(yīng)的砝碼砣，然后指針調(diào)零，并調(diào)整上下壓板間距離合適，檢查繪圖裝置工作是否正常。3、安裝試樣：將試樣準(zhǔn)確地置于下墊板中心（要注意試樣縱軸中心線(xiàn)應(yīng)與壓頭軸線(xiàn)重合）。4、進(jìn)行試驗(yàn)：上升活動(dòng)平臺(tái)，使試樣與上壓板緩慢接觸，并保證勻速加載。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，在彈性（或接近彈性）范圍，采用控制應(yīng)力速率的方法，其速率控制

34、在110 MPa/s范圍內(nèi)；在明顯塑性變形范圍，采用控制應(yīng)變速率的方法，其速率控制在0.00050.0001/s范圍內(nèi)。對(duì)于低碳鋼試樣，在加載過(guò)程中要注意觀察示力指針的轉(zhuǎn)動(dòng)情況和繪圖紙上的壓縮圖（同時(shí)注意控制送油閥使送油速率合適，若送油速率太快就觀察不到屈服時(shí)指針的停頓或返回，若送油速率太慢則在材料尚未屈服時(shí)指針也會(huì)停頓，無(wú)法準(zhǔn)確地判斷真實(shí)的屈服），以便及時(shí)而正確地測(cè)定屈服荷載Psc，并記錄下來(lái)。超過(guò)屈服階段后，繼續(xù)加載，使試樣稍壓扁即可停止試驗(yàn)。對(duì)于鑄鐵試樣，加載至試樣破壞為止，并記錄最大荷載Pbc。5、取下試樣，觀察試樣破壞后的形狀和斷口形貌，并測(cè)量其尺寸。6、結(jié)束試驗(yàn)：完成全部測(cè)量后，將

35、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、試驗(yàn)機(jī)所繪的曲線(xiàn)圖和實(shí)驗(yàn)卡片一并交指導(dǎo)教師檢查驗(yàn)收、簽字認(rèn)可后方可離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室。數(shù)據(jù)記錄表3-1、試樣原始尺寸材 料長(zhǎng) 度L0/mm直 徑 d0/mm橫截面面積S0/mm212平 均低 碳 鋼鑄 鐵表3-2、 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理材 料屈服荷載 Psc/KN屈服極限sc/MPa最大荷載Pbc/KN抗壓強(qiáng)度bc/MPa低碳鋼鑄 鐵表3-3、試樣破壞后尺寸材 料長(zhǎng)度L1/mm最 大 直 徑 d1/mm斷面角度/°12平 均鑄 鐵實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、按要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2、按標(biāo)準(zhǔn)格式書(shū)寫(xiě)出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告（內(nèi)容要完整全面）。3、實(shí)驗(yàn)報(bào)告中要畫(huà)出試樣破壞后形狀示意圖（特殊斷面的正視圖，按

36、試樣破壞后尺寸取一定比例畫(huà)，并標(biāo)出裂紋位置）。4、分析說(shuō)明為什么低碳鋼壓縮時(shí)測(cè)不出Pbc，而鑄鐵壓縮時(shí)會(huì)在與軸線(xiàn)大約成45°角的斜面上破壞？思考題*1、在壓縮試驗(yàn)中，對(duì)壓縮試樣有何要求？為什么？2、分別比較低碳鋼和鑄鐵在軸向拉伸和壓縮下的力學(xué)性能。3、根據(jù)低碳鋼和鑄鐵的拉伸及壓縮試驗(yàn)結(jié)果，比較塑性材料與脆性材料的力學(xué)性能以及它們的破壞形式，并說(shuō)明它們的適用范圍。4、為什么鑄鐵試樣在壓縮時(shí)沿著與軸線(xiàn)大致成45°角的斜截面破壞？其破壞形式說(shuō)明了什么？5、低碳鋼拉伸時(shí)有Pb，而壓縮時(shí)測(cè)不出Pbc ，為什么還說(shuō)它是拉壓等強(qiáng)度材料，而說(shuō)鑄鐵是拉壓不等強(qiáng)度材料？- 25 -四、實(shí)驗(yàn)9電

37、測(cè)實(shí)驗(yàn)原理及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解應(yīng)變電測(cè)方法，學(xué)習(xí)并初步掌握應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的原理和應(yīng)用。2、掌握電阻應(yīng)變計(jì)及靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的工作原理和使用方法。3、了解靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量的步驟和使用中應(yīng)注意的問(wèn)題。4、了解應(yīng)變計(jì)的布片原則和組橋原理，并明確所給的幾個(gè)靜態(tài)電測(cè)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變計(jì)的布片原理和實(shí)驗(yàn)測(cè)量中可用的聯(lián)橋方法。實(shí)驗(yàn)原理利用安裝（如粘貼）在被測(cè)構(gòu)件表面上的電學(xué)敏感元件（電阻應(yīng)變計(jì)）將被測(cè)構(gòu)件的線(xiàn)應(yīng)變（非電量）轉(zhuǎn)換成電阻變化（電量），再通過(guò)專(zhuān)門(mén)的電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x器電阻應(yīng)變儀測(cè)量此電阻變化，從而間接測(cè)量出構(gòu)件表面對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)處沿敏感柵軸線(xiàn)方向的應(yīng)變值。1、電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理應(yīng)變計(jì)的敏感柵采用具有應(yīng)變電阻效應(yīng)的

38、合金箔或絲材制成，當(dāng)敏感柵被拉長(zhǎng)（或縮短）時(shí)，其電阻值將隨之增大（或縮?。?。大量實(shí)驗(yàn) 證明，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)變計(jì)電阻值的相對(duì)變化量（R/R）與其長(zhǎng)度的相對(duì)變化量（L/L） 成正比，即 其中比例系數(shù)K 稱(chēng)為電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)，=L/L為應(yīng)變計(jì)在敏感柵柵長(zhǎng)內(nèi)沿柵長(zhǎng)方向的平均線(xiàn)應(yīng)變。2、電阻應(yīng)變儀的工作原理電阻應(yīng)變儀采用了某些測(cè)量電路，把對(duì)電阻應(yīng)變計(jì)感應(yīng)的電阻相對(duì)變化R/R 的測(cè)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化的測(cè)量，再經(jīng)放大并以應(yīng)變值輸出。電阻應(yīng)變儀通常采用電橋測(cè)量電路，將應(yīng)變引起的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)。電阻應(yīng)變儀的測(cè)量電橋多采用惠斯登電橋（如圖所示）。在圖中，R1、R2、R3 和R4 為四

39、個(gè)電阻，它們構(gòu)成電橋的四個(gè)橋臂，電橋的A、C兩端接直流電源，電壓為U，稱(chēng)為橋壓。B、D兩端為電橋輸出，聯(lián)接靈敏檢流計(jì)G，此即該電橋的橋路。由電學(xué)原理可知，當(dāng)滿(mǎn)足條件R1·R3=R2·R4時(shí)，電橋?qū)⑻幱谄胶鉅顟B(tài)，橋上無(wú)電流通過(guò)，Ig= 0。在電阻應(yīng)變測(cè)量中，一般常用全等臂電橋，即初始橋臂電阻R1=R2=R3=R4=R，這時(shí)電橋必然處于平衡狀態(tài)。當(dāng)四個(gè)橋臂電阻都用等阻值的應(yīng)變計(jì)且感受不同的應(yīng)變1、2、3 和4時(shí)，電橋?qū)⑹テ胶?，橋路上將有電流通過(guò)。由前提假設(shè)、應(yīng)變計(jì)工作原理及數(shù)學(xué)知識(shí)可推得此時(shí)橋路上的電流Ig 為：式中UK/4(Rg+R)為一常數(shù)因子。此結(jié)果說(shuō)明測(cè)量電橋的電流輸

40、出與各橋臂的電阻相對(duì)變化（或應(yīng)變）的代數(shù)和近似成正比關(guān)系，并且相鄰橋臂的符號(hào)相反，相對(duì)橋臂的符號(hào)相同。因此該電流輸出可按應(yīng)變值來(lái)標(biāo)定，并由應(yīng)變指示器直接讀出。應(yīng)變儀讀數(shù)一般用du表示，即應(yīng)變儀的讀數(shù)為：此結(jié)果稱(chēng)為電阻應(yīng)變儀的加減原理，即“對(duì)臂相加，鄰臂相減”。利用應(yīng)變儀測(cè)量電橋的這一特性，根據(jù)構(gòu)件的各種不同受力狀態(tài)，采用相應(yīng)的布片方式和合理的聯(lián)橋方式便可增加電橋輸出的靈敏度，以及消除一些不需要的應(yīng)變讀數(shù)，同時(shí)還可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。3、應(yīng)變值的修正在應(yīng)變測(cè)量中，應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)應(yīng)與所用應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)相同，但有時(shí)做不到這點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)與應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)不一致時(shí)，應(yīng)變儀的顯示值就不是實(shí)際應(yīng)變值

41、，因此應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修正。根據(jù)應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變儀的工作原理分別有： 于是有：式中K和Ky分別表示應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)，y和分別表示應(yīng)變儀顯示的應(yīng)變值和測(cè)點(diǎn)處的真實(shí)應(yīng)變值。使用儀器靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、純彎曲拉伸實(shí)驗(yàn)臺(tái)、彎扭組合變形實(shí)驗(yàn)臺(tái)、待測(cè)試樣、螺絲刀等。實(shí)驗(yàn)步驟1、學(xué)習(xí)應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的原理及相關(guān)知識(shí)，弄清應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的布片規(guī)則和接橋原理。2、弄清電阻應(yīng)變計(jì)的一般粘貼方法及其應(yīng)注意的問(wèn)題。3、結(jié)合所給的靜態(tài)電測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，分析其布片及接橋的理論依據(jù)，并清楚不同接橋方式的利弊和應(yīng)注意的問(wèn)題。4、就所給實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行接橋練習(xí)及應(yīng)變儀的操作練習(xí)。5、歸整所用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，經(jīng)指導(dǎo)教師驗(yàn)收后方可離開(kāi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫(xiě)一份操

42、作練習(xí)報(bào)告，談?wù)勀銓?duì)電測(cè)實(shí)驗(yàn)的了解，并回答后面的思考題。注意事項(xiàng)1、在進(jìn)行操作練習(xí)時(shí)，一定要在弄清原理、正確接線(xiàn)后再通電操作。2、接線(xiàn)要牢固，不能有虛接現(xiàn)象。3、應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)只能而且必須選一個(gè)，不能不選或多選。4、應(yīng)變電測(cè)屬于精密測(cè)量，測(cè)試中不要移動(dòng)儀器、導(dǎo)線(xiàn)或晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以免數(shù)據(jù)漂移造成誤差。5、在測(cè)試過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)顯示屏一直在閃爍，表明接現(xiàn)有故障，應(yīng)先斷開(kāi)電源，待查明原因后再接通電源測(cè)試。可能出現(xiàn)的原因有：線(xiàn)路連接錯(cuò)誤、線(xiàn)路沒(méi)接好形成了斷路、或者是選在了空橋上，若不是這些原因引起的應(yīng)請(qǐng)指導(dǎo)教師協(xié)助解決。思考題1、在電測(cè)實(shí)驗(yàn)中如何選用電阻應(yīng)變計(jì)？2、簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變計(jì)的布點(diǎn)及組橋原則。3、

43、粘貼電阻應(yīng)變計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意哪些問(wèn)題？4、在電測(cè)實(shí)驗(yàn)中如何利用組橋方式消除應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)？應(yīng)注意哪些問(wèn)題？5、在電測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)特別注意哪些問(wèn)題？實(shí)驗(yàn)11純彎曲梁橫截面上正應(yīng)力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)定矩形截面直梁在純彎曲時(shí)，橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證直梁彎曲的正應(yīng)力公式。2、掌握單向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的電測(cè)應(yīng)力方法。3、進(jìn)一步學(xué)習(xí)電測(cè)法的多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，熟練掌握應(yīng)變儀的使用方法。4、學(xué)習(xí)用列表法處理數(shù)據(jù)。使用儀器靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、純彎曲拉伸試驗(yàn)臺(tái)、水平儀、待測(cè)矩形截面直梁（已貼好應(yīng)變計(jì)）、小螺絲刀等。實(shí)驗(yàn)原理和裝置 1、理論依據(jù)由材料力學(xué)知識(shí)可知，矩形截面直梁在平面彎曲時(shí)，

44、梁橫截面上的正應(yīng)力沿高度的變化可按下式計(jì)算： (11-1)式中，M為作用在梁橫截面上的彎矩，本實(shí)驗(yàn)中M=Pa/2；Iz為梁的橫截面對(duì)其中性軸的慣性矩，本實(shí)驗(yàn)中Iz=bh3/12；y為所測(cè)點(diǎn)到中性軸的距離，本實(shí)驗(yàn)中y=0、±h/4、±h/2。那么，與外力增量P相應(yīng)的應(yīng)力增量為： (11-2)此即為測(cè)試梁橫截面上正應(yīng)力分布的理論計(jì)算公式。由于純彎曲梁的各層纖維之間無(wú)相互擠壓，故可根據(jù)單向虎克定律求出各測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值為： (11-3)式中，c為由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力值；E為測(cè)試梁所用材料的彈性模量；c為彎曲梁在外力P作用下各測(cè)點(diǎn)處相應(yīng)應(yīng)變的測(cè)得值。根據(jù)(11-3)式可知，與外力增量P

45、相應(yīng)的實(shí)測(cè)應(yīng)力增量為： (11-4)此即測(cè)試梁橫截面上正應(yīng)力分布的實(shí)測(cè)應(yīng)力計(jì)算公式，其中c為測(cè)點(diǎn)處與外力增量P相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽繙y(cè)得值。2、直梁純彎曲變形的實(shí)現(xiàn)矩形截面直梁在平面彎曲時(shí)橫截面上的正應(yīng)力計(jì)算公式(11-1)是建立在純彎曲的基礎(chǔ)上導(dǎo)出的，因此實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)一純彎矩裝置。P補(bǔ)償 hb12345 a L a圖11-1 梁的結(jié)構(gòu)、尺寸、加載方式及測(cè)點(diǎn)布置示意圖（其中：a=130 mm，L=140 mm，b=18 mm，h=36 mm）我們可以通過(guò)輔助梁等形式實(shí)現(xiàn)直梁中段的純彎曲（如圖11-1所示）。本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)裝置及加載方式如圖11-2所示，該裝置通過(guò)副梁7、杠桿5、砝碼2及其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性實(shí)現(xiàn)梁4中段的純彎曲變形；其上有水平基準(zhǔn)面3，藉以四個(gè)地角螺絲1可以使梁4放置水平；加載杠桿5的支點(diǎn)6為刀口形式，可以保證在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中杠桿比不變，荷載恒定；而荷載作用線(xiàn)的位置可以通過(guò)兩根拉桿9的松緊螺母10進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)平面彎曲。圖11-2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖3、應(yīng)變計(jì)的布置為了測(cè)定梁橫截面上的應(yīng)力分布規(guī)律，在梁的一個(gè)側(cè)面沿不同高度、平行于梁軸線(xiàn)均勻的布貼應(yīng)變計(jì)。如圖11-1所示，在梁中央部位處等間距的布貼了五個(gè)應(yīng)變計(jì)，以測(cè)出該處各點(diǎn)縱向纖維的應(yīng)變?cè)隽?，從而確定該橫截面上的應(yīng)變分布規(guī)律；再由(11