材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)三、四、五

./實(shí)驗(yàn)三扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)日期：年月日實(shí)驗(yàn)室溫度：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．觀察試樣在扭轉(zhuǎn)力偶作用下試樣受力和變形的行為。觀察材料的破壞方式。2．測(cè)定材料的剪切屈服極限及剪切強(qiáng)度極限。3．熟悉扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的工作原理及使用方法。二、主要儀器裝置及材料1.扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)：用以作扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)。2.游標(biāo)卡尺。三、試件受力簡(jiǎn)圖1．試件采用圓形截面試件,如圖所示,在試件表面畫上一條縱線,以便觀察試件的扭轉(zhuǎn)變形。

2．扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的工作原理扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)如圖。在機(jī)體上有一個(gè)基本固定的夾頭,用兩平面和夾緊螺栓固定扭轉(zhuǎn)試樣的一端。試驗(yàn)機(jī)上有一個(gè)能306°旋轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)裝置,其左端是一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的夾頭,以?shī)A持試樣的另一端。當(dāng)人力使裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)活動(dòng)夾頭轉(zhuǎn)動(dòng),而使試樣的一端相對(duì)于另一端發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng),故試件受扭而產(chǎn)生變形。3．扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)原理試件承受扭矩時(shí),材料處于純剪切應(yīng)力狀態(tài),是拉伸以外的又一重要應(yīng)力狀態(tài),常用扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究不同材料在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下的機(jī)械性質(zhì)。低碳鋼試件在發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí),其T－φ曲線如圖所示,類似低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn),可分為四個(gè)階段：彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和斷裂階段,相應(yīng)地有三個(gè)強(qiáng)度特征值：剪切比例極限、剪切屈服極限和剪切強(qiáng)度極限。對(duì)應(yīng)這三個(gè)強(qiáng)度特征值的扭矩依次為Tp、Ts、Tb。在比例極限,T與φ成線性關(guān)系,材料完全處于彈性狀態(tài),試件橫截面上的剪應(yīng)力沿半徑線性分布。如圖<a>所示,隨著T的增大,開始進(jìn)入屈服階段,橫截面邊緣處的剪應(yīng)力首先到達(dá)剪切屈服極限,而且塑性區(qū)逐漸向圓心擴(kuò)展,形成環(huán)塑性區(qū),如圖<b>所示,但中心部分仍然是彈性的,所以T仍可增加,T－φ的關(guān)系成為曲線。直到整個(gè)截面幾乎都是塑性區(qū),如圖<c>所示。abc在T－φ出現(xiàn)屈服階段,示力度盤的指針基本不動(dòng)或有輕微回?cái)[,由此可讀出屈服扭矩Ts,低碳鋼扭轉(zhuǎn)的剪切屈服極限值可由下式求出：屈服階段過(guò)后,進(jìn)入強(qiáng)化階段,材料的強(qiáng)化使扭矩又有緩慢的上升,但變形非常明顯,試件的縱向畫線變成螺旋線,直至扭矩到達(dá)極限扭矩值Mb進(jìn)入斷裂階段,試件被剪斷,由示力度盤的從動(dòng)針可讀出,則低碳鋼扭轉(zhuǎn)的剪切強(qiáng)度極限可同下式求出：四、實(shí)驗(yàn)方法及步驟：1．試件準(zhǔn)備：測(cè)量試件等截面圍兩端及中間共三處截面的直徑。為保證精確度,每一截面均取互相垂直的兩個(gè)方向各測(cè)量一次,并計(jì)算平均值,以三截面中最小處的平均值來(lái)計(jì)算初始橫截面面積A0。2．安裝試件：〔1將試樣的端頭安裝于夾頭中,并夾緊?！?調(diào)整示力度盤主動(dòng)針,對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)。3．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：以順時(shí)針?lè)较蚓徛D(zhuǎn)動(dòng)擺手,使之按要求的速度對(duì)試件加載,對(duì)于低碳鋼試件,注意觀察試驗(yàn)機(jī)示力度盤的指針,若指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)或有輕微回?cái)[,說(shuō)明材料發(fā)生屈服,記錄此時(shí)的扭矩Ts經(jīng)過(guò)屈服階段以后〔鑄鐵試件無(wú)此階段,即可快速加載,直至剪斷為止,停車。由從動(dòng)針讀出最大扭Tb并記錄。4．取下試件,清理設(shè)備。5．整理數(shù)據(jù),完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果：試驗(yàn)材料截面直徑d0/mm抗扭截面系數(shù)Wp/mm2屈服扭矩MS/N-m屈服極限τa/MPa最大扭矩Mb/N-m強(qiáng)度極限τb/MPa斷口破壞形式備注低碳鋼鑄鐵計(jì)算公式：扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)MPa抗扭強(qiáng)度MPa低碳鋼、鑄鐵扭轉(zhuǎn)曲線示意圖：思考題：1.低碳鋼鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞有何不同？為什么？2.根據(jù)拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)三種試驗(yàn)結(jié)果,綜合分析低碳鋼與鑄鐵的力學(xué)性能。低碳鋼拉伸屈服極限和剪切屈服極限有何關(guān)系？實(shí)驗(yàn)四純彎曲梁正應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.測(cè)定夾層梁純彎段應(yīng)變、應(yīng)力分布規(guī)律,為建立理論計(jì)算模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)；將實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。 2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析深化對(duì)彎曲變形理論的理解,培養(yǎng)思維能力。 3.學(xué)習(xí)多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)。二、夾層梁的結(jié)構(gòu)、尺寸和純彎曲加載方式 夾層梁的結(jié)構(gòu)、尺寸和純彎曲加載方式如圖所示。梁的上、下層是45號(hào)鋼條,它們的厚度相同,中層是鋁合金,三層用螺栓緊固,錐銷定位。在梁的上、下表面各粘貼兩枚應(yīng)變片,以檢查載荷是否偏斜,一個(gè)側(cè)面上等間距地粘貼五枚應(yīng)變片。它們的編號(hào)如側(cè)視圖所示。a=130mmb=18mmc=140mm圖2-1三、實(shí)驗(yàn)步驟 1.打開應(yīng)變儀電源、預(yù)熱。 2.調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái),安裝梁將左右支架安裝到位,使左右支架跨矩為400mm且關(guān)于力傳感器對(duì)稱。在力傳感器上安裝加載器。安裝梁和副梁,梁兩頭應(yīng)大致在支架寬度的正中位置,并且還應(yīng)大致在加載器兩拉桿間的正中位置。副梁的位置由純彎曲定位板確定。 3.接線將力傳感器的紅、藍(lán)、白、綠四線依次接在測(cè)力專用通道〔0通道的A、B、C和D端。按多點(diǎn)1/4橋公共補(bǔ)償法對(duì)各測(cè)量片接線,即將試樣上的應(yīng)變片分別接在所選通道的A、B端。所選通道B、B’間的連接片均應(yīng)連上。將貼在鋁塊和鋼塊上的兩個(gè)補(bǔ)償片分別接在補(bǔ)償通道的補(bǔ)償1和補(bǔ)償2接線端子上。 4.設(shè)置參數(shù)根據(jù)接線的方式設(shè)置應(yīng)變儀的參數(shù),包括力傳感器的校正系數(shù),各通道的組橋方式、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)和阻值等。載荷限值設(shè)置為2100N。 5.測(cè)試5號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變先測(cè)量5號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變以確定夾層梁和副梁的安裝是否符合實(shí)驗(yàn)要求,使梁處于完全不受載狀態(tài)并平衡0通道和5號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)通道電橋。緩慢加載到2000N左右,此時(shí)5號(hào)測(cè)點(diǎn)通道的應(yīng)變絕對(duì)值應(yīng)該≤1,若該值不符合要求,應(yīng)分別調(diào)整加載器兩拉桿上端的螺母,同時(shí)觀察應(yīng)變值的變化情況,使應(yīng)變值接近于0。然后卸載至0,應(yīng)變值應(yīng)回到0,若不是0,應(yīng)再重復(fù)調(diào)整,直至符合要求。 6.平衡各通道電橋.使試樣處于完全不受載狀態(tài)。按[]、[BAL]鍵,再依次按各通道〔包括0通道對(duì)應(yīng)的數(shù)字鍵。儀器依次顯示各通道的初始不平衡量,并將該值存貯在儀器。 7.測(cè)量按[MEAS]鍵,再緩慢加載,力顯示屏數(shù)字從0開始不斷增加。增加到2000N時(shí)就停止加載,依次按各〔應(yīng)變通道對(duì)應(yīng)的數(shù)字鍵,右屏上就依次顯示各點(diǎn)應(yīng)變值,記錄之。然后卸載,重復(fù)6,7兩步驟,共測(cè)量三次。數(shù)據(jù)以表格形式記錄。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析根據(jù)測(cè)得的各點(diǎn)應(yīng)變,計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值。再計(jì)算各點(diǎn)應(yīng)力理論值。然后計(jì)算它們之間的相對(duì)誤差。數(shù)據(jù)參考表2-1處理。表2-1a=130mmb=18mmc=140mmF=2000N彈性模量〔MPa〔Est：鋼材；EAL：鋁合金21000070000210000測(cè)點(diǎn)號(hào)123456789實(shí)驗(yàn)值應(yīng)變〔με第一次第二次第三次平均<平均值×10-6應(yīng)力σ=<Mpa>應(yīng)力理論值σ<Mpa>相對(duì)誤差=×100%應(yīng)變理論值計(jì)算表M=F/2*a〔N.mmyi<mm>I=bh^3/12σi=Myi/IEεi=σi/E五、思考題：實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算是否一致？如不一致,其主要影響因素是什么？電測(cè)彎曲正應(yīng)力的大小是否會(huì)受材料彈性模量E的影響？為什么要把溫度補(bǔ)償片貼在與構(gòu)件相同的材料上？.實(shí)驗(yàn)五材料彈性常數(shù)E、μ測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.測(cè)定材料的彈性模量E和泊松比μ。2.驗(yàn)證胡克定律。3.學(xué)習(xí)電測(cè)法原理和多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)。二、原理和方法 應(yīng)變測(cè)量采用多點(diǎn)1/4橋公共補(bǔ)償法。為減少誤差,也為了驗(yàn)證胡克定律,采用等量增載法,加載五次。即Fi＝F0＋iΔF〔i＝1,2,……5,末級(jí)載荷F5不應(yīng)使應(yīng)力超出材料的比例極限。初載荷F0時(shí)將各電橋調(diào)平衡,每次加載后記錄各點(diǎn)應(yīng)變值。計(jì)算兩縱向應(yīng)變平均值和兩橫向應(yīng)變平均值,按最小二乘法計(jì)算E和μ?！?-1,μ=〔1-2圖1-1三、試驗(yàn)步驟 1.打開應(yīng)變儀電源,預(yù)熱。 2.試驗(yàn)臺(tái)換上拉伸夾具,將力傳感器上下位置調(diào)整合適,安裝試樣。 3.接線 將力傳感器的紅、藍(lán)、白、綠四線依次接在測(cè)力專用通道〔0通道的A、B、C和D端。按多點(diǎn)1/4橋公共補(bǔ)償法對(duì)各測(cè)量片接線,即將試樣上的應(yīng)變片分別接在所選通道的A、B端。所選通道B、B’間的連接片均應(yīng)連上。將補(bǔ)償片接在補(bǔ)償1〔或2的接線端子上。 4.設(shè)置參數(shù)根據(jù)接線的方式設(shè)置應(yīng)變儀的參數(shù),包括力傳感器的校正系數(shù),各通道的組橋方式、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)和阻值等。載荷限值設(shè)置為1600N。5.平衡各通道電橋 使試樣處于完全不受載狀態(tài)。按[]、[BAL]鍵,再依次按各通道〔包括0通道對(duì)應(yīng)的數(shù)字鍵。儀器依次顯示各通道的初始不平衡量,并將該值存貯在儀器。6.測(cè)量 按[MEAS]鍵,再緩慢加載,力顯示屏數(shù)字從0開始不斷增加。每增加300N,就暫停加載,依次按各〔應(yīng)變通道對(duì)應(yīng)的數(shù)字鍵,右屏上就依次顯示各點(diǎn)應(yīng)變值,記錄之。共加載五級(jí),然后卸載。重復(fù)5,6兩步驟,共測(cè)量三次。數(shù)據(jù)以表格形式記錄。