材料力学试验参考指导书拉伸扭转冲击应变.doc

C 61`材料拉伸压缩实验
一、实验目
1. 观测试件受力和变形之间互有关系；
2. 观测低碳钢在拉伸过程中体现出弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象；观测铸铁在压缩时破坏现象。
3. 测定拉伸时低碳钢强度指标（ss、sb）和塑性指标（d、y）；测定压缩时铸铁强度极限sb。
4. 学习、掌握电子万能实验机用法及工作原理。

二、实验设备
1. 微机控制电子万能实验机；
2. 游标卡尺。
三、实验材料
拉伸实验所用试件（材料：低碳钢）如图1所示，压缩实验所用试件（材料：铸铁）如图2所示：

d0
l0
l

图1 拉伸试件 图2 压缩试件
四、实验原理
1、拉伸实验
低碳钢试件拉伸过程中，通过力传感器和位移传感器进行数据采集，A/D转换和解决，并输入计算机，得到F-Dl曲线，即低碳钢拉伸曲线，见图3。
对于低碳钢材料，由图3曲线中发现OA直线，阐明F正比于Dl，此阶段称为弹性阶段。屈服阶段（B-C）常呈锯齿形，表达载荷基本不变，变形增长不久，材料失去抵抗变形能力，这时产生两个屈服点。其中，B¢点为上屈服点，它受变形大小和试件等因素影响；B点为下屈服点。下屈服点比较稳定，因此工程上均如下屈服点相应载荷作为屈服载荷。测定屈服载荷Fs时，必要缓慢而均匀地加载，并应用ss=Fs/ A0（A0为试件变形前横截面积）计算屈服极限。

图3 低碳钢拉伸曲线
屈服阶段终了后，要使试件继续变形，就必要增长载荷，材料进入强化阶段。当载荷达到强度载荷Fb后，在试件某一局部发生明显变形，载荷逐渐减小，直至试件断裂。应用公式sb=Fb/A0计算强度极限（A0为试件变形前横截面积）。
依照拉伸先后试件标距长度和横截面面积，计算出低碳钢延伸率d和端面收缩率y，即
，
式中，l0、l1为试件拉伸先后标距长度，A1为颈缩处横截面积。
2、压缩实验
铸铁试件压缩过程中，通过力传感器和位移传感器进行数据采集，A/D转换和解决，并输入计算机，得到F-Dl曲线，即铸铁压缩曲线，见图4。

图4 铸铁压缩曲线

对铸铁材料，当承受压缩载荷达到最大载荷Fb时，突然发生破裂。铸铁试件破坏后表白出与试件横截面大概成45°～55°倾斜断裂面，这是由于脆性材料抗剪强度低于抗压强度，使试件被剪断。
材料压缩时力学性质可以由压缩时力与变形关系曲线表达。铸铁受压时曲线上没有屈服阶段，但曲线明显变弯，断裂时有明显塑性变形。由于试件承受压缩时，上下两端面与压头之间有很大摩擦力，使试件两端横向变形受到阻碍，故压缩后试件呈鼓形。
铸铁压缩实验强度极限：sb=Fb/A0（A0为试件变形前横截面积）。
五、实验环节及注意事项
1、拉伸实验环节
（1）试件准备：在试件上划出长度为l0标距线，在标距两端及中部三个位置上，沿两个互相垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件直径d0。
（2）实验机准备：按实验机®计算机®打印机顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运营配套软件。
（3）安装夹具：依照试件状况准备好夹具，并安装在夹具座上。若夹具已安装好，对夹具进行检查。
（4）夹持试件：若在上空间实验，则先将试件夹持在上夹头上，力清零消除试件自重后再夹持试件另一端；若在下空间实验，则先将试件夹持在下夹头上，力清零消除试件自重后再夹持试件另一端。
（5）开始实验：点击主机小键盘上试样保护键，消除夹持力；位移清零；按运营命令按钮，按照软件设定方案进行实验。
（6）记录数据：试件拉断后，取下试件，将断裂试件两端对齐、靠紧，用游标卡尺测出试件断裂后标距长度l1及断口处最小直径d1（普通从互相垂直方向测量两次后取平均值）。
2、 压缩实验环节
（1）试件准备：用游标卡尺在试件中点处两个互相垂直方向测量直径d0，取其算术平均值，并测量试件高度h0。
（2）实验机准备：按实验机®计算机®打印机顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运营配套软件。
（3）安装夹具：依照试件状况准备好夹具，并安装在夹具座上。若夹具已安装好，对夹具进行检查。
（4）放置试件：实验力清零；把试件放在压盘中间，通过小键盘调节横梁位置，通过肉眼观测，到上压盘离试件上平面尚有一定缝隙时停止。（注意：尽量将试件放在压盘中心，如放偏话对实验成果甚至是实验机均有影响。）
（5）开始实验：位移清零；按运营命令按钮，按照软件设定方案进行实验。
（6）记录数据：试件压断后，取下试件；记录强度载荷Fb。

六、实验报告内容及规定
1、绘制拉伸曲线（F-Dl曲线）。
低碳钢拉伸曲线

铸铁拉伸曲线

压缩曲线1

压缩曲线2

2、拉伸实验数据及计算成果解决。
实
验
材
料
试
件
规
格
实 验 前
实 验 后
屈服极限ss/ MPa
强度极限sb/ MPa
延伸率d/
%
断面收缩率y/%
截面尺寸d0/mm
截面面积A0/ mm2
标距长度l0/ mm
断口截面尺寸d0/mm
截面面积A1/ mm2
标距长度l1/ mm
测量
部位
测 量
数 值
平均值

d0
测 量
数 值
平均值
d1

低
碳
钢

上
10.06
10.03
10.03
316.05
111.04
5.4
5.4
91.61
142.86
75.94
109.32
28.66
71.01
10.00

中
10.10
10.08
10.06
5.4

下
10.12
10.10
10.08
3、压缩实验数据

第一根
直径（mm）
平均
高（mm）
7.90

7.90

20.00

7.88
7.92

第二根

6.88
6.90
6.92

6.90

9.20

3、计算铸铁压缩实验强度极限sb。

材料冲击实验
一、实验目
1、观测分析低碳钢材料在常温冲击下破坏状况和断口形貌。
2、测定低碳钢材料冲击韧度ak值。
3、理解冲击实验办法。

二、实验设备
1、液晶全自动金属摆锤冲击实验机。
2、游标卡尺。

三、实验材料
本实验采用GB/T 229¾1994原则规定10mm´10mm´55mm U形缺口或V形缺口试件。

四、实验环节及注意事项
1、测量试件缺口处尺寸，测三次，取平均值，计算出横截面面积。
2、检查回零误差和能量损失：正式实验开始前在支座上不放试件状况下“空打”一次：
（1）取摆：按“取摆”键，摆锤逆时针转动；
（2）退销：按“退销”键，保险销退销；
（3）冲击：按“冲击”键，挂/脱摆机构动作，摆锤靠自重绕轴开始进行冲击；
（4）放摆：按“放摆”键，保险销自动退销，当摆锤转至接近垂直位置时便自动停摆；
（5）清零：按“清零”键，使摆锤角度值复位为零。注意：必要在摆锤处在垂直静止状态时方可执行此动作。
第一次“空打”后显示屏上显示空打冲击吸取功N1即为回零误差，此值经校正后应不不不大于此摆锤标称能量值0.1%。
继续“空打”五次，记下第六次空打冲击吸取功N6，则摆锤在摆动中由于空气和摩擦阻力导致能量损失为：

此值应不不不大于此摆锤标称能量值0.5%。
3、正式实验：按“取摆”键，摆锤逆时针转动上扬，触动限位开关后由挂摆机构挂住，保险销弹出，此时可在支座上放置试件（注意试件缺口对中并位于受拉边）。然后顺序执行以上 “取摆”、“退销”、“冲击”、“放摆”动作。显示屏上将显示该试件冲击吸取功和相应冲击韧度。
4、摆锤抬起后，禁止在摆锤摆动范畴内站立、行走和放置障碍物。

五、实验数据记录及成果解决
材 料
试件缺口处横截面积A(cm2)
冲击功W(N×m)
冲击韧度 (N×m/ cm2)
低碳钢
0.868
123.542
142.329
铸铁
0.862
1.867
2.166

低碳钢 低碳钢

材料扭转实验
一、实验目
1、 观测低碳钢和铸铁变形现象及破坏形式。
2、 测定低碳钢剪切屈服极限和强度极限。
3、 测定铸铁剪切强度极限。

二、实验设备
1、微机控制电子扭转实验机。
2、游标卡尺。

三、实验试件
实验所用试件与拉伸试件原则相似，如下图1所示。为防止打滑，试件夹持段宜为类矩形：

图1
四、实验原理
圆柱形试件在扭转时，横截面边沿上任一点处在纯剪切应力状态（图2）。由于纯剪切应力状态是属于二向应力状态，两个主应力绝对值相等，大小等于横截面上该点处剪应力，与轴线成45°角。圆杆扭转时横截面上有最大剪应力，而45°斜截面上有最大拉应力，由此可以分析低碳钢和铸铁扭转时破坏因素。由于低碳钢抗剪强度低于抗拉强度，试件横截面上最大剪应力引起沿横截面剪断破坏；而铸铁抗拉强度低于抗剪强度，试件由与杆轴线成45°斜截面上引起拉断破坏。

T
T

图2
在低碳钢试件受扭过程中，通过扭矩传感器和扭角传感器进行数据采集，A/D转换和解决，并输入计算机，得到曲线，曲线也叫扭转图，如图3所示。图中起始直线段OA表达试件在这个阶段中成比例，截面上剪应力是线性分布，如图4(a)所示。此时截面周边上剪应力达到了材料剪切屈服极限。由于这时截面内部剪应力不大于，故试件仍具备承载能力，曲线呈继续上升趋势。扭矩超过后，截面上剪应力分布不再是线性，如图4(b)所示。在截面上浮现了一种环状塑性区，并随着增长，塑性区逐渐向中心扩展，曲线稍微上升，直至B点趋于平坦，截面上各点材料完全达到屈服，这时扭矩即为屈服扭矩，如图4(c)所示。
C

B

A
Tb

Ts
Tp

O

图3

剪切屈服极限为：
（1）
式中，是实心试件抗扭截面模量（或称抗扭截面系数）。

时剪应力分布 时剪应力分布 时剪应力分布
（a） （b） （c）
图4

继续给试件加载，试件再继续变形，材料进一步强化。从图3看出，当扭矩超过后，增长不久，而增长很小，BC近似一根不通过坐标原点直线。在C点时，试件被剪断，此时扭矩为最大扭矩。
剪切强度极限为：
(2)
但是，为了实验成果互相之间可比性，依照国标GB/T 10128－1988规定，低碳钢扭转屈服点和抗扭强度采用下式计算：
(3)

铸铁材料曲线如图5所示，从开始受扭直到破坏，近似为始终线，故近似地按弹性应力公式计算：
（4）

Tb

图5

五、实验环节及注意事项
1、试件准备：在标距两端及中部三个位置上，沿两个互相垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件直径d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观测扭转变形。
2、实验机准备：按实验机→计算机→打印机顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。依照计算机提示，设定实验方案，实验参数。
3、装夹试件：
（1）先将一种定位环夹套在试件一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另一种定位环夹套在试件另一端，装上另一卡盘；依照不同试件标距规定，将试件搁放在相应V形块上，使两卡盘与V形块两端贴紧，保证卡盘与试件垂直，以保证标距精确。将卡盘上螺钉拧紧。
（2）先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显偏差，请按下“正转”或“反转”按键进行微调。将已安装卡盘试件一端放入从动夹头钳口间，扳动夹头手柄将试件夹紧。按“扭矩清零”按键或实验操作界面上扭矩“清零”按钮。推动移动支座移动，使试件头部进入积极夹头钳口间。先按下“试件保护”按键，然后慢速扳动夹头手柄，直至将试件夹紧。
（3）将扭角测量装置转动臂距离调好，转动转动臂，使测量辊压在卡盘上。
4、开始实验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上扭转角显示值为零。按“运营”键，开始实验。
5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观测分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算成果。
6、实验结束：实验结束后，清理好机器，以及夹头中铁屑，关断电源。

六、实验报告内容及规定
1、实验数据记录及成果解决:
材料
最小直径d/mm
抗扭截面模量Wp/mm3
屈服扭矩Ts/Nm
破坏扭矩Tb/Nm
剪切屈服极限MPa
剪切强度极限MPa
断口形状
破坏力学因素
低碳钢
10.0
196.35
20.2
56.95
102.9
290.4
平
剪断
铸 铁
10.0
196.35

43.83

232.2
不平
拉断

2、绘制材料扭转曲线（曲线）。

铸铁扭转曲线

3、绘制材料断口草图，阐明其特性并分析破坏因素。
低碳钢断口是平，破坏因素是被剪断；铸铁断口是不平，断痕与轴线大概成45°，破坏因素是被拉断。

应变测量实验
一、 实验目
1、 学习应变片粘贴、使用基本办法
2、 学习电桥联线办法及电桥测量原理和特点
3、 学习使用WS-3811应变仪测量应变基本办法
二、 实验原理
运用惠斯登电桥原理进行测量
三、 实验仪器
微型计算机、WS-3811数字式应变仪、桥盒、应变片及其附件
四、 实验内容
1、 选片：在拟定采用那种类型应变计后，用肉眼或放大镜检查丝栅与否平行，有否霉点、锈点、用数字式万用表测量各应变片电阻值。所选应变片电阻阻值要与其桥盒匹配，如桥盒内置电阻为120Ω，那么，使用应变片也要是120Ω。
2、 测点表面清洁解决：为使应变计能与被测试件贴牢，对测点表面要进行清洁解决。一方面把测点表面用砂纸打磨；使测点表面平整、光洁。然后用棉花球蘸丙酮擦洗表面油污，到棉花球不黑为止。打磨好表面，如暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。
3、 贴片：在测点位置和应变片底基面上，涂上薄薄一层胶水，一手捏住应变片引出线，在应变片上面盖一层聚乙烯塑料膜作为隔层，用手指在应变片长度方向滚压，挤出片下气泡和多余胶水，直到应变片与被测物紧密粘合为止。手指保持不动按压抑段时间后再放开，注意按压时不要使应变片移动，轻轻掀开薄膜检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则需重贴。注意粘结剂不要用得过多或过少，过多则胶层太厚影响应变片性能，过少则粘结不牢不能精确传递应变。
4、 干燥解决：应变计粘贴好后应有足够粘结强度以保证与试件共同变形。此外，应变计和试件间应有一定绝缘度，以保证应变读数稳定。为此，在贴好片后就需要进行干燥解决，气温在20℃以上，相对湿度在55％左右时用502胶水粘贴，采用自然干燥即可。
5、 接线：由于应变片两条连线很细，因此要应使用“转接片”连接导线（如图所示），避免测量时拉短应变片连线。
6、 防潮解决：为避免胶层吸取空气中水分而减少绝缘电阻值，应在应变片接好线并且绝缘电阻达到规定后，及时相应变计进行防潮解决。防潮解决应依照实验规定和环境采用不同防潮材料。普通选用703、704硅胶即可。
7、 应变桥盒接线办法：
（1） 应变仪面板7针信号输入插头接线方

应变桥（桥压：±1V ）接线办法：

④ 桥压-1V ③ 桥压-1V

⑤ 桥压+1V ② 信号+

⑥ 桥压+1V ① 信号-

⑦ 屏蔽地

阐明：7针插头接线办法：
针1：信号-
针2：信号+
针3：桥压-1V
针4：桥压-1V
针5：桥压+1V
针6：桥压+1V
针7：屏蔽地

应变仪面板（7针插头）电压信号（对于输出为电压传感器）输入接线办法：

② 信号+

① 信号-

⑦ 信号地

接线阐明： 应变仪(７针插头) 测量端（电压信号）
① 信号＋　　　　　　　　　　　　　　　　 信号＋
② 信号－　　　　　　　　　　　　　　　　 信号－
⑦ 信号地
（2） 应变桥盒用法
桥盒内部电路见后附电路图。

一种应变片桥盒（1/4桥）用法

2线制(1/4桥)
1个测量应变片

单应变片桥路逻辑图
应变片贴法
1/4桥桥盒接线图示
按“1/4桥盒接法图示”把一种应变片接到两条线另一端，注意桥盒上要有3个短接插片。
二个应变片桥盒（半桥）用法

1个测量应变片
1个补偿应变片(静止)

2个测量应变片R1和R2 (半桥)同面垂直粘贴逻辑图
应变片贴法
半桥桥盒接线图示
按“半桥盒接法图示”把两个应变片辨别接到“红-黑”线和“蓝-黑”线另一端，其中黑线为两个应变片共用线，注意桥盒上要去掉1个短接插片，保存2个短接插片。
8、 测试量程和滤波设立
打开Vib’ SYS信号采集、解决和分析软件，从菜单“信号采集”选取“动、静应变采集”进入应变测量界面，如下图所示。

对于应变或其他传感器信号测量，应选取比较适合测量量程，选取测量量程时应尽量选取比较小量程，仪器量程越小精度越高；（该仪器已将测试值标称为微应变（με ），标定系数为1，即测试值1代表1个με）。
（1）应变量程设立
当测量应变时，对于应变片敏捷度系数K=2和桥压为±1伏状况下，每个微应变（με ）相应于1个微伏（μV），这时应变测量有两挡选取，应变量程设立：
量程1：±4000με 
量程2：±40000με
设立办法：进入量程及滤波设定界面，选取量程和要设立通道，点击“设立…”。相应通道量程即被设定，也可直接点击界面中“〇”，单独设立各通道量程，相应通道变为“●”；
（2）滤波频率设立
仪器中设计了低通滤波器，当测量应变时，由于存在各种干扰，因此在进行测试时，先要设立滤波频率，滤波频率范畴（2Hz~50KHz）；（普通设立为20Hz即可）。
设立办法：进入量程及滤波设定界面，点击“滤波设立…”，输入相应通道滤波频率，点击“拟定”，退出滤波设立；
量程和滤波频率设立就绪后，点击“设立到仪器”，将所需量程和滤波频率设立到仪器。
9、 仪器校准

初次测试或通过长时间不用时，需对仪器进行校准，该仪器具备自动校准功能；校准目是使测试值更加精准。
校准办法：断开各通道，即拔下桥合接头；设立各校准通道量程和滤波频率；一切就绪后，进“仪器校准”栏点击“自动校准”，仪器开始进行校准，该过程需要持续若干秒时间，固然也可半途退出校准；校准完毕，校准成果（普通都在1.000左右）显示于相应通道栏中；校准成果可保存，点击“存校准值”，输入文献名，校准成果保存于文献中，下次测试时可直接读入，点击“读校准值”，选取校准文献，读入校准值；点击“不校准”，不对仪器进行校准。
10、 动态应变数据采集

对于随时间变化比较快应变信号，要用动态应变数据采集。当进行动态应变数据采集时，动态采集应变数据直接记录到计算机硬盘中，采集数据量由计算机硬盘容量定，采集结束后来，把采集得到应变数据调出进行分析解决。
（1）非定期动态应变采集
该数字式应变仪采集总采样频率为100KHz，在进行动态应变采集时可依照实际测试状况选取，但通道采样频率总和不能超过100 KHz，（普通应变测试采样频率不适当设得过高，普通每通道1000Hz即可）。点击“设立采集参数”在采样频率栏中输入采样频率；在采集时间栏中输入所需时间值单位（秒），选取采集开始通道和结束通道，选取显示通道，一切就绪后；点击“开始示波”，此时可以观测各通道采集数据波形，采集数据不保存，当你以为采集数据需要保存时，点击“开始记录”，选取保存数据文献“*.YB”开始记录，采集数据开始记录于硬盘中，直到采集时间结束，也可半途退出采集；采集结束数据文献自动转换为“*.TIM”格式，便于后续解决绘图等；如果半途发生断电等意外状况，数据也能自动保存，但只有“*.YB”文献，后续解决时，需将该文献转换为“*.TIM”格式文献，详细操作是：点击“打开应变数据文献”，选取需要转换“*.YB”文献，再点击“转换为Vib’SYS格式”，选取要转换为“*.TIM”文献即可转换完毕。
（2）定期动态应变采集
定期动态采集是指：每间隔一段时间采集一段时间数据，一旦点击开始采集，该过程将始终持续下去，直到点击停止采集；数据文献名自动加上每次开始采集时刻分别保存；详细操作是：选中“定期采集”，输入定期采集时间间隔，注意不能不大于每次采集时间，别的参数设立同非定期动态应变采集，一切就绪后，点击“开始记录”，开始定期采集，直到点击“停止记录”，结束定期采集。
（3）采集清零
对于应变测量，桥路普通有一定不平衡，那么在没有加载之前，仪器测量电压不是零，有一定偏移量，因此在采集之前要进行清零操作，然后开始采集和对被测试件进行加载，点击“修改零值”可以指定各通道零值。
11、 静态数据采集

当被测信号随时间变化比较缓慢时，可用静态数据采集。当进行静态数据采集时，采集数据直接记录到计算机硬盘中。
（1）静态采集
进入定期静态采集界面：输入采集采样频率（普通为1000Hz）和采集时间间隔，选取开始通道和结束通道，一切就绪后，点击“开始采集”，提示与否保存数据，如保存需选取保存文献“*.TXT”（该文献以文本格式保存，便于直接查看）后开始采集，数据实时显示于界面中，同步各通道曲线显示于波形显示界面中，直到点击“停止采集”结束本次操作。
（2）采集清零
对于应变测量，桥路普通有一定不平衡，那么在没有加载之前，仪器测量电压不是零，有一定偏移量，因此在采集之前要进行清零操作，然后开始采集和对被测试件进行加载，点击“修改零值”可以指定各通道零值。
12、 记录实验数据
五、 思考题
1、 应变桥接法中半桥盒接法和1/4桥盒接法在应用上有什么差别？
答：半桥盒接法是用来测量同面垂直粘贴2个测量应变片R1和R2；而1/4桥盒接法是用来测量单个应变片。
2、 使用应变仪进行应变采集之前为什么要进行清零操作？清零操作和之前仪器校准操作作用有何不同？
答；对于应变测量，桥路普通有一定不平衡，那么在没有加在之前，仪器测量电压不是零，有一定偏移量，因此在采集之前要进行清零操作。而校准作用是使测试值更加精确。

三、实验数据及解决
梁试件弹性模量Pa
梁试件横截面尺寸＝ 41 ㎜，＝ 21 ㎜
支座到集中力作用点距离＝ 97 ㎜
各测点到中性层位置：＝ 20.5㎜ ＝ 10.25 ㎜ ＝ 0 ㎜ ＝10.25㎜ ＝20.5 ㎜ ＝20.5 ㎜

载 荷(N)
静态电子应变仪读数
1点
2点
3点
4点
5点
6点

读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
0
604
0
-23
0
-10
0
0
0
13
0
-11
0
4
604
-23
-10
0
13
-11
4
640
-23
-11
1
13
-6
9
1244
-46
-21
1
26
-18
13
744
-28
-14
1
14
-8
13
1988
-74
-35
2
40
-26
26

662.67
-24.67
-11.67
0.67
13.33
-8.33
8.67
应变片位置
1点
2点
3点
4点
5点
6点
实验应力值/MPa
0.00518
0.00243
0
0.00280
0.00174
0.00182
理论应力值/MPa
0.00546
0.0218
0
0.0218
0.00546
0.00546
相对误差/%
5.1
88.8
0
88
65
65
泊松比值

注：表中读数、、、、、为两次实验所得读数平均值。
为荷载增量平均值。、、、、、为各点应变增量平均值

四、应力分布图(理论和实验应力分布图画在同一图上)

五、思考题
1.为什么要把温度补偿片贴在与构件相似材料上?

2.影响实验成果重要因素是什么?