材料力學實驗

1、第二章 材料的機械（力學）性能測試§2-1 材料試驗機的操作一、萬能材料試驗機簡介在材料力學實驗中，一般都要給試樣（或模型）施加荷載，這種加載用的設(shè)備稱為材料試驗機。試驗機根據(jù)所加荷載的性能可分為靜荷試驗機和動荷試驗機；根據(jù)工作條件又可分為常溫、高溫和低溫等試驗機；根據(jù)加載的形式分為拉力、壓力和扭轉(zhuǎn)等試驗機。如果一臺試驗機兼作拉伸、壓縮、彎曲和剪切等多種試驗，則稱為萬能試驗機。試驗機所能施加的荷載有大有小，小的只有幾牛頓，大的可達幾千噸。一般材料力學實驗室常用的是常溫、靜載5t100t的萬能試驗機、拉力和扭轉(zhuǎn)等試驗機。試驗機的種類很多，但一般都有機架、加載系統(tǒng)、測力示值系統(tǒng)、荷載位移

2、記錄系統(tǒng)以及夾具、附具等五個基本部分所組成。其中以加載系統(tǒng)、測力示值系統(tǒng)和荷載位移記錄系統(tǒng)反映了試驗機的主要性能。1、加載系統(tǒng)它是對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，都是利用一定的動力和傳動裝置強迫試樣發(fā)生變形，從而使試樣受到力的作用。2、測力、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)試驗機上配置的一種稱為自動繪圖器的裝置，它可以在實驗過程中自動地繪出荷載與變形之間的關(guān)系曲線。為了保證實驗可靠，試驗機要滿足一定的技術(shù)條件，其標準由國家統(tǒng)一規(guī)定。其中重要的規(guī)定之一，是要求試驗機荷載的示值誤差要在±1以內(nèi)，并且試

3、驗機在安裝時或使用一定時間（一般為一年）后，都要進行檢定（有國家計量管理部門統(tǒng)一進行），不合格的應檢修。試驗機的檢定方法可參閱“材料試驗機檢定規(guī)程”。二、液壓動擺式萬能試驗機這是最常用的一種試驗機，類型很多，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。（一）上置式油缸液壓萬能試驗機這類試驗機的工作油缸在上部，其外形如圖21-1所示，其構(gòu)造原理如圖21-2所示。圖21-2 液壓式萬能試驗構(gòu)造機原理示意圖圖21-1 WE-10A型液壓式萬能試驗機 1、加載系統(tǒng)圖21-3所示是其加載機構(gòu)。當圖21-2中的油泵電機帶動油泵5工作，將高壓油液經(jīng)送油管和送油閥送入工作油缸時

4、，逐漸推動工作活塞6、上橫頭7、活動立柱8和工作臺9（又稱活動臺）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 試驗機加載部分則因下夾頭固定不動，而工作臺上升時上夾頭隨之一起上升，就對試樣施加了拉力。若試樣放在上層壓縮空間的上下墊板12之間，當工作臺上升到試樣與上墊板接觸時就對試樣施加了壓力。輸油管路中的送油閥門用來控制進入工作油缸中的油量，以調(diào)節(jié)對試樣加載的速度。加載時回油閥置于關(guān)閉位置。回油閥打開時，可將工作油缸中的油液泄回油箱，工作臺由于自重而下降，回到原始位置。如果拉伸試樣的長度不同，可用下夾頭電機（或人力）轉(zhuǎn)動底座中的蝸輪，使螺柱上下移動以調(diào)節(jié)下夾頭的位置。注意：

5、當試樣已經(jīng)夾緊或受力時，不能再移動下夾頭，否則就造成用下夾頭對試樣加載，以致?lián)p傷機件。工作臺的行程對拉伸和壓縮區(qū)間都有規(guī)定，使用者必須遵守。2、測力、示值系統(tǒng) 測力、示值系統(tǒng)的功能，是要隨時反映出作用在試樣上的荷載值。它是試驗機的心臟部門(見圖21-2)。加載時，工作油缸中的油壓推動工作活塞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力油缸14連通，此油壓便推動測力活塞15向下移動，使拉桿拉動擺錘16，使之繞支點轉(zhuǎn)動而抬起，同時擺上的推桿（又稱撥桿）便推動齒輪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，因此在測力度盤上便可讀出試樣所受力的大小。圖214所示是測力、示值系統(tǒng)工

6、作原理示意圖。由此圖可知，試驗機作用于試樣上的力P就是作用在工作油缸上的壓力PW與工作臺自重W0的差值（即P=PWW0）。由于工作油缸與測力油缸相連通，它們的油壓相等，因此有：其中， SW為工作油缸活塞的面積，PS 是作用在測力油缸上的壓力，SS為測力油缸活塞的面積，p為油缸內(nèi)油液的壓強。連桿在PS作用下，擺桿、砝碼對支點O的平衡方程為：Qsin·PS cos(0)·r0齒桿的位移x與擺桿揚角的關(guān)系為：x= htan0+htan(0)= hsin/cos0cos(0)圖21-4 測力、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以及預置角0都是常數(shù)，工作臺的自重W0也是常數(shù)，因此可得如下結(jié)論： 試驗機作用于試樣上的荷載P與示力指針的轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。因此測力度盤可以以圓等分刻度。 若視為常量（指針指在同一角度時），而視Q為變量，則P與Q成線性關(guān)系。因此更換砝碼重量Q可以得到不同的測力范圍。一般試驗機可以更換三種擺重，相應地配有三個不同的砝碼（一般由小到大編為A、B、C三種號碼），也相應地有三種刻度的測力度盤，分別表示三種測力范圍。例如WE10A型液壓式萬能試驗機（圖21-1所示）的三種度盤分別為：020 KN、050 KN、0100 KN。試驗時，為了保證測量荷載的精度，要根據(jù)試樣實現(xiàn)

8、估算所需荷載的大小，正確選擇合適的測力度盤，并在擺桿21上放置相應重量的砝碼。 當視為常量，而l視為變量時，P與l成線性關(guān)系。因此更換擺桿長度l，也可以得到不同的測力范圍。所以，有些試驗機是采用調(diào)節(jié)擺桿長度的辦法，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)角成線性關(guān)系，是在理想狀態(tài)下推得的，其中沒有考慮到摩擦力，支承、夾具、機架受力后的變形，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，這些都會使P與之間產(chǎn)生非線性偏差。當擺桿揚起的角較大（相應指針的轉(zhuǎn)角也大）時，由于摩察力引起的非線性誤差顯著增加，指針臨近度盤的滿度區(qū)域，示值的精度較差。又根據(jù)國家對試驗機示值精度的規(guī)定：

9、以每級測量范圍的10%開始，但不小于該機最大荷載的4%，誤差應在±1%之內(nèi)。可見，指針在度盤的開始區(qū)域內(nèi)精度也較差。因此在試驗時，應正確選擇度盤的測力范圍，一般使需要測量的荷載最好全落在度盤的10%80%范圍內(nèi)。另外，摩察力對試驗機進程（加載）、回程（卸載）都有影響，而在進回程中引起的是雙倍誤差。所以試驗機加載時，必須平穩(wěn)增加，不應忽增忽減。再者，試驗機加在試樣上的荷載P是作用在工作油缸上的壓力PW與工作臺自重W0的差值，因此在加載前，應調(diào)整測力指針的零點（使Po=WO），以消除試驗機工作臺自重的影響。普通材料試驗機均為指針度盤式的示值方式，它有兩根示值指針：一根是主動針，另一根示從

10、動針，如圖21-1所示。當試驗加載時，主動針帶著從動針隨荷載增加而沿刻度值增大的方向旋轉(zhuǎn)；當試驗結(jié)束卸載時，主動針回轉(zhuǎn)至零位，而從動針則停示在終止的力值上，以供充裕的時間準確讀數(shù)。試驗中，主動針記錄的是加在試樣上的瞬時荷載值，從動針記錄的是前期加在試樣上的最大荷載值。從動針的位置可由手動進行調(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所示是萬能試驗機荷載位移記錄系統(tǒng)的一般構(gòu)成機構(gòu)。力值的記錄：在測力系統(tǒng)的齒桿上裝有筆架，記錄筆隨齒桿的移動而在記錄筒上描繪。如使指針轉(zhuǎn)動一圈，記錄筆所繪直線的長度代表該度盤的滿度力值，可作為力值的坐標。位移的記錄：試驗機上下夾頭之間有相對

11、位移時，線繩通過繩輪帶動記錄筒轉(zhuǎn)動，記錄筆便在筒紙上繪出了代表位移的線段。記錄筒上的繩輪一般具有23條不同直徑的線槽，使描繪位移線段的長度比真實位移放大不同的倍數(shù)，可以選擇使用。力和位移同時記錄：當夾頭強迫試樣變形的同時，試樣不斷產(chǎn)生抗力，這時記錄筆和記錄筒儀器運動，二者的合成運動描繪了力變形曲線。應當注意，該機構(gòu)所記錄的變形并非試樣標距內(nèi)的真實變形，而是試驗機上、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曲線圖，可應用現(xiàn)代的電子設(shè)備，在普通試驗機上使用傳感器直接測量試樣的抗力和標距內(nèi)的變形，并將測得值轉(zhuǎn)化為電信號輸出，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。更先進的記錄是將傳感器采集的訊息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入電子計算機，通過計算機數(shù)據(jù)處理打印出更精確的數(shù)據(jù)和曲線圖。（二）下置式油缸液壓萬能試驗機圖21-6 WEC-50B微機顯示液壓萬能試驗機這類試驗機的工作油缸在下部，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能試驗機的構(gòu)造原理基本相似，只是外形不同，各機構(gòu)的位置不同，相應試驗空間的位置也不同（拉伸試驗空間在上部，壓縮試驗空間在下部）。試驗空間的調(diào)節(jié)是靠中間橫梁10的上下移動來實現(xiàn)的。加載時，高壓油液經(jīng)送油管和送油閥送入工作油缸推動工作活塞、上橫梁9、活動立柱和工作臺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，下夾頭也就不動，而上橫梁9上升時上夾頭隨之一起上升，就對試樣施加了拉力。若試樣放在下層壓縮空間的上下墊板之間，當工作臺上升到試樣與上墊板接觸時就對試樣施加了壓力。圖21-7 WA-500B電液式萬能試驗機此類試驗機在試驗中的操作過程及注意事項與上述的上置式油缸液壓萬能試驗機基本相同，此不再贅述。了解試驗機的主要功能，目的是為了更好地掌握和使用試驗機。實驗的質(zhì)量，除了試驗機本身須達到規(guī)定的精度外，更重要的是決定于實驗者的操作技能。同時，正確、熟練的操作技能，也反映了實驗者的水平和能力。試驗中具體所用試驗機的構(gòu)造原理及其操作規(guī)程請參看相關(guān)試驗機的說明書或其他相關(guān)資料。金屬

14、材料的室溫拉伸試驗實驗目的1、測定低碳鋼的屈服強度REh 、ReL及Re 、抗拉強度Rm 、斷后伸長率A和斷面收縮率Z 。2、測定鑄鐵的抗拉強度Rm和斷后伸長率A。3、觀察并分析兩種材料在拉伸過程中的各種現(xiàn)象（包括屈服、強化、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）拉伸機械性能的特點。使用設(shè)備萬能試驗機、游標卡尺、試樣分劃器或鋼筋標距儀試樣圖2-1 機加工的圓截面拉伸試樣本試驗采用經(jīng)機加工的直徑d =10 mm的圓形截面比例試樣，其是根據(jù)國家試驗規(guī)范的規(guī)定進行加工的。它有夾持、過渡和平行三部分組成（見圖2-1），它的夾持部分稍大，其形狀和尺寸應根據(jù)試樣

15、大小、材料特性、試驗目的以及試驗機夾具的形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計，但必須保證軸向的拉伸力。其夾持部分的長度至少應為楔形夾具長度的3/4（試驗機配有各種夾頭，對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）。機加工帶頭試樣的過渡部分是圓角，與平行部分光滑連接，以保證試樣破壞時斷口在平行部分。平行部分的長度Lc按現(xiàn)行國家標準中的規(guī)定取Lo+d ，Lo是試樣中部測量變形的長度，稱為原始標距。實驗原理按我國目前執(zhí)行的國家GB/T 228-2002標準金屬材料室溫拉伸試驗方法的規(guī)定，在室溫1035的范圍內(nèi)進行試驗。將試樣安裝在試驗機的夾頭中，然后開動試驗機，使試樣受到緩慢增加的拉力（應根據(jù)材料性

16、能和試驗目的確定拉伸速度），直到拉斷為止，并利用試驗機的自動繪圖裝置繪出材料的拉伸圖（圖2-2所示）。應當指出，試驗機自動繪圖裝置繪出的拉伸變形L主要是整個試樣（不只是標距部分）的伸長，還包括機器的彈性變形和試樣在夾頭中的滑動等因素。由于試樣開始受力時，頭部在夾頭內(nèi)的滑動較大，故繪出的拉伸圖最初一段是曲線。1、低碳鋼（典型的塑性材料）（a）低碳鋼拉伸曲線圖 （b）鑄鐵拉伸曲線圖圖2-2 由試驗機繪圖裝置繪出的拉伸曲線圖當拉力較小時，試樣伸長量與力成正比增加，保持直線關(guān)系，拉力超過FP后拉伸曲線將由直變曲。保持直線關(guān)系的最大拉力就是材料比例極限的力值FP 。在FP的上方附近有一點是Fc，若拉力小

17、于Fc而卸載時，卸載后試樣立刻恢復原狀，若拉力大于Fc后再卸載，則試件只能部分恢復，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。當拉力增加到一定程度時，試驗機的示力指針（主動針）開始擺動或停止不動，拉伸圖上出現(xiàn)鋸齒狀或平臺，這說明此時試樣所受的拉力幾乎不變但變形卻在繼續(xù)，這種現(xiàn)象稱為材料的屈服。低碳鋼的屈服階段常呈鋸齒狀，其上屈服點B受變形速度及試樣形式等因素的影響較大，而下屈服點B則比較穩(wěn)定（因此工程上常以其下屈服點B所對應的力值FeL作為材料屈服時的力值）。確定屈服力值時，必須注意觀察讀數(shù)表盤上測力指針的轉(zhuǎn)動情況，讀取測力度盤指針首次回轉(zhuǎn)前指示的最大力FeH（上屈服荷載）

18、和不計初瞬時效應時屈服階段中的最小力FeL（下屈服荷載）或首次停止轉(zhuǎn)動指示的恒定力FeL（下屈服荷載），將其分別除以試樣的原始橫截面積（S0）便可得到上屈服強度ReH和下屈服強度ReL。即ReH= FeH/S0 ReL = FeL/S0屈服階段過后，雖然變形仍繼續(xù)增大，但力值也隨之增加，拉伸曲線又繼續(xù)上升，這說明材料又恢復了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱為材料的強化。在強化階段內(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，在達到最大力Fm之前，試樣標距范圍內(nèi)的變形是均勻的，拉伸曲線是一段平緩上升的曲線，這時可明顯地看到整個試樣的橫向尺寸在縮小。此最大力Fm為材料的抗拉強度力值，由公式

19、Rm=Fm/S0 即可得到材料的抗拉強度Rm。如果在材料的強化階段內(nèi)卸載后再加載，直到試樣拉斷，則所得到的曲線如圖2-3所示。卸載時曲線并不沿原拉伸曲線卸回，而是沿近乎平行于彈性階段的直線卸回，這說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，曲線幾乎沿卸載路徑變化，然后繼續(xù)強化變形，就像沒有卸載一樣，這種現(xiàn)象稱為材料的冷作硬化。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降低。圖2-3 低碳鋼的冷作硬化當荷載達到最大力Fm后，示力指針由最大力Fm緩慢回轉(zhuǎn)時，試樣上某一部位開始產(chǎn)生局部伸長和頸縮，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，拉伸曲線開始下降，直至試樣斷裂。此時通過測量試樣斷裂后的標距長度Lu和斷口處最小直徑du，計算斷后最小截面積（Su），由計算公式 即可得到試樣的斷后伸長率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率A5 的材料，其從開始承受拉力直至試樣被拉斷，變形都很小。而且，大多數(shù)脆性材料在拉伸時的應力應變曲線上都沒有明顯的直線段，幾乎沒有塑性變形，也不會出現(xiàn)屈服和頸縮等現(xiàn)象（如圖2-2b所示），只有斷裂時的應力值強度極限。鑄鐵試樣在承受拉力、變形極小時，就達到最大力Fm而突然發(fā)生斷裂，其抗拉強度也遠小于低碳鋼的抗拉強度。同樣，由公式Rm=Fm/S0 即可得到其抗拉強度Rm，

21、而由公式 則可求得其斷后伸長率A。試驗步驟一、低碳鋼拉伸試驗1、試樣準備：為了便于觀察標距范圍內(nèi)沿軸向的變形情況，用試樣分劃器或標距儀在試樣標距L0 范圍內(nèi)每隔5 mm刻劃一標記點（注意標記刻劃不應影響試樣斷裂），將試樣的標距段分成十等份。 用游標卡尺測量標距兩端和中間三個橫截面處的直徑，在每一橫截面處沿相互垂直的兩個方向各測一次取其平均值，用三個平均值中最小者計算試樣的原始橫截面積S0（計算時S0應至少保留四位有效數(shù)字）。2、試驗機準備：根據(jù)低碳鋼的抗拉強度Rm和試樣的原始橫截面積S0估計試驗所需的最大荷載，并據(jù)此選擇合適的量程，配上相應的砝碼砣，做好試驗機的調(diào)零（注意：應消除試驗機工作平臺

22、的自重）、安裝繪圖紙筆等準備工作。3、裝夾試樣：先將試樣安裝在試驗機的上夾頭內(nèi)，再移動試驗機的下夾頭（或工作平臺、或試驗機橫梁）使其達到適當位置，并把試樣下端夾緊（注意：應盡量將試樣的夾持段全部夾在夾頭內(nèi)，并且上下要對稱。完成此步操作時切忌在裝夾試樣時對試樣加上了荷載）。4、檢查試車：請教師檢查以上步驟完成情況，然后啟動試驗機，預加少許荷載后（對應的應力不能超過材料的比例極限），卸載回至零點，以檢查試驗機工作是否正常。同時消除試樣在夾頭中的滑移對繪制拉伸圖曲線的影響。5、進行試驗：圖2-4 屈服荷載的確定開動試驗機使之緩慢勻速加載（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、自動繪圖的情況和相應的試驗現(xiàn)象。當主動針不動或倒退時說明材料開始屈服，記錄上屈服點FeH（主動針首次回轉(zhuǎn)前的最大力）和下屈服點FeL（屈服過程中不計初始瞬時效應時的最小力或主動針首次停止轉(zhuǎn)動的恒定力），具體情況如圖2-4所示（說明：前所給出的加載速率是國標中規(guī)定的測定上屈服點時應采用的速率，在測定下屈服點時，平行長度內(nèi)的應變速率應在0.000250.0025/s之間，并應盡可能保持恒定。如果不能直接控制這一速率，則應固定屈服開始前的應力速率直至屈服階段完成）。根據(jù)國標規(guī)定，材料屈服過后，試驗機的速率應使試樣平行長度內(nèi)的應變速率不超過0.008/s。在此條件下繼續(xù)加載，并注意

24、觀察主動針的轉(zhuǎn)動、自動繪圖的情況和相應的試驗現(xiàn)象（強化、冷作硬化和頸縮等現(xiàn)象在強化階段的任一位置卸載后再加載進行冷作硬化現(xiàn)象的觀察；此后，待主動針再次停止轉(zhuǎn)動而緩慢回轉(zhuǎn)時，材料進入頸縮階段，注意觀察試樣的頸縮現(xiàn)象），直至試樣斷裂停車。記錄所加的最大荷載Fm（從動針最后停留的位置）。6、試樣斷后尺寸測定：圖2-5 移位法測量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接在一起，并盡量使其軸線處于同一直線上，測量斷后標距Lu和頸處的最小直徑du（應沿相互垂直的兩個方向各測一次取其平均值），計算斷后最小橫截面積Su。注意：在測定Lu時，若斷口到最臨近標距端點的距離不小于1/3L0，則直

25、接測量標距兩端點的距離；若斷口到最臨近標距端點的距離小于1/3L0，則按圖2-5所示的移位法測定：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?，而其到最臨近標距端點的距離還不足兩等份，且測得的斷后伸長率小于規(guī)定值，則試驗結(jié)果無效，必須重做。此時應檢查試樣的質(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，請教師檢查試驗記錄，經(jīng)認可后清理試驗現(xiàn)場和所用儀器設(shè)備，并將所用的儀器設(shè)備全部恢復原狀。二、鑄鐵拉伸試驗1、測量試樣原始尺寸：測量方法要求同前，但只用快干墨水或帶色涂料標出兩標距端點，不用等分標距段。2

26、、試驗機準備：（要求同前）。3、安裝試樣：（方法同前）。 4、檢查試驗機工作是否正常：（檢查同前，但勿需試車）。5、進行試驗：開動試驗機，保持試驗機兩夾頭在力作用下的分離速率使試樣平行長度內(nèi)的應變速率不超過0.008/s的條件下對試樣進行緩慢加載，直至試樣斷裂為止。停機并記錄最大力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接在一起，并盡量使其軸線處于同一直線上，測量試樣斷后標距Lu（直接用游標卡尺測量標距兩端點的距離）。7、結(jié)束試驗：卸回油缸中的液壓油，取下繪記錄圖紙，請教師檢查試驗記錄，經(jīng)認可后清理試驗現(xiàn)場和所用儀器設(shè)備，并將所使用的儀器設(shè)備全部復原。8、完成全部測量后，

27、將試驗數(shù)據(jù)記錄、試驗機所繪的曲線圖和實驗卡片一并交指導教師檢查驗收、簽字認可后方可離開實驗室。試驗數(shù)據(jù)記錄（參考記錄表格）表2-1、試樣原始尺寸材 料標 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 距Lu/mm斷后伸長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 料上屈服強度ReH/MPa下屈服強度

28、ReL/MPa抗拉強度Rm/MPa斷后伸長率A/斷面收縮率Z/低碳鋼鑄 鐵實驗報告要求1、進行數(shù)據(jù)處理，求出低碳鋼及鑄鐵的各項力學性能指標。2、繪出低碳鋼及鑄鐵試樣斷裂后的形狀示意圖和-曲線示意圖。3、按標準格式寫出完整的實驗報告（內(nèi)容一定要完整全面）。備注：儀器自動繪制的FL圖必須隨報告一起交上（要注明本小組編號）。思考題1、什么叫比例試樣？它應滿足什么條件？國家為什么要對試樣的形狀、尺寸、公差和表面粗糙度等做出相應的規(guī)定？2、參考試驗機自動繪圖儀繪出的拉伸圖，分析低碳鋼試樣從加力至斷裂的過程可分為哪幾個階段？相應于每一階段的拉伸曲線各有什么特點？*3、為什么不顧試樣斷口的明顯縮小，仍以原始

29、截面積S0計算低碳鋼的抗拉強度Rm呢？4、有材料和直徑均相同的長試樣和短試樣各一個，用它們測得的斷后伸長率、斷面收縮率、下屈服強度和抗拉強度是否基本相同？為什么？5、低碳鋼試樣拉伸斷裂時的荷載比最大荷載Fm要小，按公式R=F/S0計算，斷裂時的應力比Rm小。為什么應力減小后試樣反而斷裂？*6、鑄鐵試樣拉伸試驗中，斷口為何是橫截面？又為何大多在根部？7、對于低碳鋼材料的拉伸試驗，當其斷口不在標距長度中部三分之一區(qū)段內(nèi)時，為什么要采用斷口移中法測量斷后標距？*8、由拉伸試驗測定的材料機械性能在工程上有何使用價值？四、實驗3金屬材料的壓縮試驗實驗目的1、測定低碳鋼的壓縮屈服極限sc。2、測定鑄鐵的抗

30、拉強度bc。3、觀察并分析兩種材料在壓縮過程中的各種現(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)壓縮機械性能的特點。使用設(shè)備萬能試驗機、游標卡尺等。試樣本試驗我們采用機加工的側(cè)向無約束的10×20的圓柱體低碳鋼試樣和圖3-1 側(cè)向無約束圓柱體試樣10×15的圓柱體鑄鐵試樣（見圖3-1）。實驗原理將試樣放在試驗機的兩壓板之間，開動試驗機緩慢進行加載，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，并利用試驗機的繪圖裝置自動繪出壓縮圖（見圖3-2）。（a）低碳鋼壓縮圖 （b）鑄鐵壓縮圖 圖3-3 壓縮試驗時圖3-2試驗機繪出的壓縮圖 的球形承墊

31、由于試樣兩端不可能理想的平行，試驗時必須使用球形承墊（見圖3-3），并且試樣應置于球形承墊中心，藉以球形承墊的自動調(diào)節(jié)作用實現(xiàn)試樣的軸向受壓。1、低碳鋼的壓縮試樣開始變形時服從虎克定律，壓縮曲線呈直線（見圖3-2a）。在開始出現(xiàn)變形增長很快的非線性小段時，表示材料到達了屈服，但這時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)動或稍有返回，這暫停或返回的最小值即為壓縮屈服荷載Psc。此后，圖形呈曲線上升，材料產(chǎn)生顯著的殘余變形，試樣長度顯著縮短，而直徑增大。由于試驗機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，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，所以無法測出其最大荷載Pbc和抗壓強度bc。根據(jù)測出的壓縮屈服荷載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與拉伸明顯不同，其壓縮曲線上雖然仍沒有明顯的直線階段和屈服階段，但曲線明顯變彎（見圖3-2b），表明試樣在達到最大荷載Pbc前就出現(xiàn)了明顯的塑性變形，而其最大荷載Pbc也要比拉伸時的Pb大很多倍。當荷載達到最大荷載Pbc后稍有下降，然后破裂，并能聽到沉悶的破裂聲。鑄鐵試樣破裂后呈鼓形，并在與軸線大約成45

33、76;角的斜面上破裂（見圖3-4），此破壞主要是由剪應力引起的。由公式bc= Pbc/S0即可求出材料的抗壓強度。 實驗步驟 1、樣尺寸測量：用游標卡尺在試樣標距中點處兩個相互垂直的方向上測量直徑，取其算術(shù)平均值，并計算其截面面積S0。2、試驗機準備：估計試驗所需的最大荷載，選擇合適的量程，配以相應的砝碼砣，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：將試樣準確地置于下墊板中心（要注意試樣縱軸中心線應與壓頭軸線重合）。4、進行試驗：上升活動平臺，使試樣與上壓板緩慢接觸，并保證勻速加載。根據(jù)國標規(guī)定，在彈性（或接近彈性）范圍，采用控制應力速率的方法，其速率控制

34、在110 MPa/s范圍內(nèi)；在明顯塑性變形范圍，采用控制應變速率的方法，其速率控制在0.00050.0001/s范圍內(nèi)。對于低碳鋼試樣，在加載過程中要注意觀察示力指針的轉(zhuǎn)動情況和繪圖紙上的壓縮圖（同時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指針的停頓或返回，若送油速率太慢則在材料尚未屈服時指針也會停頓，無法準確地判斷真實的屈服），以便及時而正確地測定屈服荷載Psc，并記錄下來。超過屈服階段后，繼續(xù)加載，使試樣稍壓扁即可停止試驗。對于鑄鐵試樣，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，并測量其尺寸。6、結(jié)束試驗：完成全部測量后，將

35、試驗數(shù)據(jù)記錄、試驗機所繪的曲線圖和實驗卡片一并交指導教師檢查驗收、簽字認可后方可離開實驗室。數(shù)據(jù)記錄表3-1、試樣原始尺寸材 料長 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抗壓強度bc/MPa低碳鋼鑄 鐵表3-3、試樣破壞后尺寸材 料長度L1/mm最 大 直 徑 d1/mm斷面角度/°12平 均鑄 鐵實驗報告要求1、按要求進行數(shù)據(jù)處理。2、按標準格式書寫出完整的實驗報告（內(nèi)容要完整全面）。3、實驗報告中要畫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，并標出裂紋位置）。4、分析說明為什么低碳鋼壓縮時測不出Pbc，而鑄鐵壓縮時會在與軸線大約成45°角的斜面上破壞？思考題*1、在壓縮試驗中，對壓縮試樣有何要求？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性能。3、根據(jù)低碳鋼和鑄鐵的拉伸及壓縮試驗結(jié)果，比較塑性材料與脆性材料的力學性能以及它們的破壞形式，并說明它們的適用范圍。4、為什么鑄鐵試樣在壓縮時沿著與軸線大致成45°角的斜截面破壞？其破壞形式說明了什么？5、低碳鋼拉伸時有Pb，而壓縮時測不出Pbc ，為什么還說它是拉壓等強度材料，而說鑄鐵是拉壓不等強度材料？- 25 -四、實驗9電

37、測實驗原理及其應用實驗目的1、了解應變電測方法，學習并初步掌握應變電測技術(shù)的原理和應用。2、掌握電阻應變計及靜態(tài)電阻應變儀的工作原理和使用方法。3、了解靜態(tài)應力應變測量的步驟和使用中應注意的問題。4、了解應變計的布片原則和組橋原理，并明確所給的幾個靜態(tài)電測實驗中應變計的布片原理和實驗測量中可用的聯(lián)橋方法。實驗原理利用安裝（如粘貼）在被測構(gòu)件表面上的電學敏感元件（電阻應變計）將被測構(gòu)件的線應變（非電量）轉(zhuǎn)換成電阻變化（電量），再通過專門的電阻應變測量儀器電阻應變儀測量此電阻變化，從而間接測量出構(gòu)件表面對應測點處沿敏感柵軸線方向的應變值。1、電阻應變計的工作原理應變計的敏感柵采用具有應變電阻效應的

38、合金箔或絲材制成，當敏感柵被拉長（或縮短）時，其電阻值將隨之增大（或縮?。?。大量實驗 證明，在一定的應變范圍內(nèi)，應變計電阻值的相對變化量（R/R）與其長度的相對變化量（L/L） 成正比，即 其中比例系數(shù)K 稱為電阻應變計的靈敏系數(shù)，=L/L為應變計在敏感柵柵長內(nèi)沿柵長方向的平均線應變。2、電阻應變儀的工作原理電阻應變儀采用了某些測量電路，把對電阻應變計感應的電阻相對變化R/R 的測量轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化的測量，再經(jīng)放大并以應變值輸出。電阻應變儀通常采用電橋測量電路，將應變引起的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號。電阻應變儀的測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、個電阻，它們構(gòu)成電橋的四個橋臂，電橋的A、C兩端接直流電源，電壓為U，稱為橋壓。B、D兩端為電橋輸出，聯(lián)接靈敏檢流計G，此即該電橋的橋路。由電學原理可知，當滿足條件R1·R3=R2·R4時，電橋?qū)⑻幱谄胶鉅顟B(tài)，橋上無電流通過，Ig= 0。在電阻應變測量中，一般常用全等臂電橋，即初始橋臂電阻R1=R2=R3=R4=R，這時電橋必然處于平衡狀態(tài)。當四個橋臂電阻都用等阻值的應變計且感受不同的應變1、2、3 和4時，電橋?qū)⑹テ胶猓瑯蚵飞蠈⒂须娏魍ㄟ^。由前提假設(shè)、應變計工作原理及數(shù)學知識可推得此時橋路上的電流Ig 為：式中UK/4(Rg+R)為一常數(shù)因子。此結(jié)果說明測量電橋的電流輸

40、出與各橋臂的電阻相對變化（或應變）的代數(shù)和近似成正比關(guān)系，并且相鄰橋臂的符號相反，相對橋臂的符號相同。因此該電流輸出可按應變值來標定，并由應變指示器直接讀出。應變儀讀數(shù)一般用du表示，即應變儀的讀數(shù)為：此結(jié)果稱為電阻應變儀的加減原理，即“對臂相加，鄰臂相減”。利用應變儀測量電橋的這一特性，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變讀數(shù)，同時還可進行溫度補償。3、應變值的修正在應變測量中，應變儀的靈敏系數(shù)應與所用應變計的靈敏系數(shù)相同，但有時做不到這點。當應變儀的靈敏系數(shù)與應變計的靈敏系數(shù)不一致時，應變儀的顯示值就不是實際應變值

41、，因此應當進行修正。根據(jù)應變計和應變儀的工作原理分別有： 于是有：式中K和Ky分別表示應變計和應變儀的靈敏系數(shù)，y和分別表示應變儀顯示的應變值和測點處的真實應變值。使用儀器靜態(tài)電阻應變儀、純彎曲拉伸實驗臺、彎扭組合變形實驗臺、待測試樣、螺絲刀等。實驗步驟1、學習應變電測技術(shù)的原理及相關(guān)知識，弄清應變電測技術(shù)的布片規(guī)則和接橋原理。2、弄清電阻應變計的一般粘貼方法及其應注意的問題。3、結(jié)合所給的靜態(tài)電測實驗裝置，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注意的問題。4、就所給實驗裝置，進行接橋練習及應變儀的操作練習。5、歸整所用實驗儀器設(shè)備，經(jīng)指導教師驗收后方可離開。實驗結(jié)果寫一份操

42、作練習報告，談談你對電測實驗的了解，并回答后面的思考題。注意事項1、在進行操作練習時，一定要在弄清原理、正確接線后再通電操作。2、接線要牢固，不能有虛接現(xiàn)象。3、應變儀的靈敏系數(shù)只能而且必須選一個，不能不選或多選。4、應變電測屬于精密測量，測試中不要移動儀器、導線或晃動實驗臺，以免數(shù)據(jù)漂移造成誤差。5、在測試過程中，如果發(fā)現(xiàn)顯示屏一直在閃爍，表明接現(xiàn)有故障，應先斷開電源，待查明原因后再接通電源測試?？赡艹霈F(xiàn)的原因有：線路連接錯誤、線路沒接好形成了斷路、或者是選在了空橋上，若不是這些原因引起的應請指導教師協(xié)助解決。思考題1、在電測實驗中如何選用電阻應變計？2、簡述電阻應變計的布點及組橋原則。3、

43、粘貼電阻應變計時應特別注意哪些問題？4、在電測實驗中如何利用組橋方式消除應變計的溫度效應？應注意哪些問題？5、在電測實驗過程中，應特別注意哪些問題？實驗11純彎曲梁橫截面上正應力的測定實驗目的1、測定矩形截面直梁在純彎曲時，橫截面上正應力的分布規(guī)律，并與理論計算結(jié)果進行比較，以驗證直梁彎曲的正應力公式。2、掌握單向應力狀態(tài)時的電測應力方法。3、進一步學習電測法的多點測量技術(shù)，熟練掌握應變儀的使用方法。4、學習用列表法處理數(shù)據(jù)。使用儀器靜態(tài)電阻應變儀、純彎曲拉伸試驗臺、水平儀、待測矩形截面直梁（已貼好應變計）、小螺絲刀等。實驗原理和裝置 1、理論依據(jù)由材料力學知識可知，矩形截面直梁在平面彎曲時，

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

45、相應的實測應力增量為： (11-4)此即測試梁橫截面上正應力分布的實測應力計算公式，其中c為測點處與外力增量P相對應的應變增量測得值。2、直梁純彎曲變形的實現(xiàn)矩形截面直梁在平面彎曲時橫截面上的正應力計算公式(11-1)是建立在純彎曲的基礎(chǔ)上導出的，因此實驗需要設(shè)計一純彎矩裝置。P補償 hb12345 a L a圖11-1 梁的結(jié)構(gòu)、尺寸、加載方式及測點布置示意圖（其中：a=130 mm，L=140 mm，b=18 mm，h=36 mm）我們可以通過輔助梁等形式實現(xiàn)直梁中段的純彎曲（如圖11-1所示）。本實驗所用的實驗裝置及加載方式如圖11-2所示，該裝置通過副梁7、杠桿5、砝碼2及其結(jié)構(gòu)的對稱性實現(xiàn)梁4中段的純彎曲變形；其上有水平基準面3，藉以四個地角螺絲1可以使梁4放置水平；加載杠桿5的支點6為刀口形式，可以保證在實驗過程中杠桿比不變，荷載恒定；而荷載作用線的位置可以通過兩根拉桿9的松緊螺母10進行調(diào)整，以實現(xiàn)平面彎曲。圖11-2 實驗裝置示意圖3、應變計的布置為了測定梁橫截面上的應力分布規(guī)律，在梁的一個側(cè)面沿不同高度、平行于梁軸線均勻的布貼應變計。如圖11-1所示，在梁中央部位處等間距的布貼了五個應變計，以測出該處各點縱向纖維的應變增量，從而確定該橫截面上的應變分布規(guī)律；再由(11