材料力学实验指导书(拉伸、扭转、冲击、应变)

材料的拉伸压缩实验 一、实验目的 1.观察试件受力和变形之间的相互关系； 2.观察低碳钢在拉伸过程中表现出的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物 理现象；观察铸铁在压缩时的破坏现象。 3.测定拉伸时低碳钢的强度指标（σs、σb）和塑性指标（δ、ψ）；测定压缩 时铸铁的强度极限σb。 4.学习、掌握电子万能试验机的使用方法及工作原理。 二、实验设备 1.微机控制电子万能试验机； 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： 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转换和处理，并输入计算机，得到F-?l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，说明F正比于?l，此阶段称为弹性阶段。屈服阶段（B-C）常呈锯齿形，表示载荷基本不变，变形增加很快，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，所以工程上均以下屈服点对应的载荷作为屈服载荷。测定屈服载荷Fs 时，必须缓慢而均匀地加载，并应用σs =F s / A 0(A 0为试件变形前的横截面积)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，就必须增加载荷，材料进入强化阶段。当载荷达到强度载荷F b 后，在试件的某一局部发生显著变形，载荷逐渐减小，直至试件断裂。应用σb =F b /A 0计算强度极限(A 0为试件变形前的横截面积)。 根据拉伸前后试件的标距长度和横截面面积，计算出低碳钢的延伸率δ和端面收缩率ψ，即 %1000 1?-= l l l δ,%1000 1 0?-= A A A ψ 式中,l 0、l 1为试件拉伸前后的标距长度,A 1为颈缩处的横截面积。 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 转换和处理，并输入计算机，得到F-?l 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F b时，突然发生破裂。铸铁试件破坏后表明出与试件横截面大约成45?~55?的倾斜断裂面，这是由于脆性材料的抗剪强度低于抗压强度，使试件被剪断。 材料压缩时的力学性质可以由压缩时的力与变形关系曲线表示。铸铁受压时曲线上没有屈服阶段，但曲线明显变弯，断裂时有明显的塑性变形。由于试件承受压缩时，上下两端面与压头之间有很大的摩擦力，使试件两端的横向变形受到阻碍，故压缩后试件呈鼓形。 铸铁压缩实验的强度极限:σb=F b/A0(A0为试件变形前的横截面积)。 五、实验步骤及注意事项 1、拉伸实验步骤 (1)试件准备：在试件上划出长度为l0的标距线，在标距的两端及中部三 个位置上，沿两个相互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的直径d0。 (2)试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热 十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运行配套软件。 (3)安装夹具：根据试件情况准备好夹具，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：若在上空间试验，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的另一端；若在下空间试验，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的另一端。 (5)开始实验：点击主机小键盘上的试样保护键，消除夹持力；位移清零; 按运行命令按钮，按照软件设定的进行实验。 (6)记录数据：试件拉断后，取下试件，将断裂试件的两端对齐、靠紧, 用游标卡尺测出试件断裂后的标距长度l1及断口处的最小直径d1(一般从相互垂直方向测量两次后取平均值)。 2、压缩实验步骤 (1)试件准备：用游标卡尺在试件中点处两个相互垂直的方向测量直径d0, 取其算术平均值，并测量试件高度h0。 (2)试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热 十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运行配套软件。 (3)安装夹具：根据试件情况准备好夹具，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：试验力清零；把试件放在压盘中间，通过小键盘调节横梁 位置，通过肉眼观察，到上压盘离试件上平面还有一定缝隙时停止。(注意：尽量将试件放在压盘的中心，如放偏的话对试验结果甚至是试验机都有影 响。) (5)开始实验：位移清零；按运行命令按钮，按照软件设定的方案进行实 验。 (6)记录数据：试件压断后，取下试件；记录强度载荷F b。 六、内容及要求 1、绘制拉伸曲线(F-?l曲线)。 2、拉伸实验数据及计算结果处理。 3、计算铸铁压缩实验的强度极限σb。 材料冲击实验 一、实验目的 1、观察分析低碳钢材料在常温冲击下的破坏情况和断口形貌。 2、测定低碳钢材料的冲击韧度αk 值。 3、了解冲击试验方法。 二、实验设备 1、液晶全自动金属摆锤冲击试验机。 2、游标卡尺。 三、实验材料 本实验采用GB/T 229?1994标准规定的10mm ?10mm ?55mm U 形缺口或V 形缺口试件。 四、实验步骤及注意事项 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：正式试验开始前在支座上不放试件的情况下“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：必须在摆锤 处于垂直静止状态时方可执行此动作。 第一次“空打”后显示屏上显示的空打冲击吸收功N 1即为回零误差，此值经校正后应不大于此摆锤标称能量值的0.1%。 继续“空打”五次，记下第六次空打冲击吸收功N 6，则摆锤在摆动中由于空气和摩擦阻力造成的能量损失为: ()1610 1N N e -= 温馨推荐 您可前往百度文库小程序 享受更优阅读体验 不去了 立即体验 此值应不大于此摆锤标称能量值的0.5%。 3、正式试验：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的冲击吸收功和相应的冲击韧度。 4、摆锤抬起后，严禁在摆锤摆动范围内站立、行走和放置障碍物。 五、实验数据记录及结果处理 材料的扭转实验 一、实验目的 1、观察低碳钢和铸铁的变形现象及破坏形式。 2、测定低碳钢的剪切屈服极限和强度极限。 3、测定铸铁的剪切强度极限。 二、实验设备 1、微机控制电子扭转试验机。 2、游标卡尺。 三、实验试件 实验所用试件与拉伸试件标准相同，如下图1所示。为防止打滑，试件的夹持段宜为类矩形: 图1 四、实验原理 圆柱形试件在扭转时，横截面边缘上任一点处于纯剪切应力状态(图2)。由于纯剪切应力状态是属于二向应力状态，两个主应力的绝对值相等，大小等于横 截面上该点处的剪应力τ, σ与轴线成45°角。圆杆扭转时横截面上有最大剪 1 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的破坏原因。由于低碳钢的抗剪强度低于抗拉强度，试件横截面上的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°的斜截面上的 σ引起拉断破坏。 1 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 转换和处理，并输入计算机，得到?-T 曲线,?-T 曲线也叫扭转图，如图3所示。图中起始直线段OA 表示试件在这个阶段中的?与T 成比例，截面上的剪应力是线性分布，如图4(a)所示。此时截面周边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限s τ。由于这时截面内部的剪应力小于s τ，故试件仍具有承载能力,?-T 曲线呈继续上升的趋势。扭矩超过p T 后，截面上的剪应力分布不再是线性的，如图4(b)所示。在截面上出现了一个环状塑性区，并随着T 的增长，塑性区逐步向中心扩展,?-T 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，这时的扭矩即为屈服扭矩s T ，如图4(c)所示。 图3 剪切屈服极限为: Wt Ts s ?= 43τ (1) 式中,16 3 d W t ∏=是实心试件的抗扭截面模量(或称抗扭截面系数)。 P T T ≤时的剪应力分布 s P T T T <<；时的剪应力分布 s T T ≥时的剪应力分布 (a ) (b ) (c ) 图4 T s s 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 s T 后,? 增加很快，而T 增加很小,BC 近似一根不通过坐标原点的直线。在C 点时，试件被剪断，此时的扭矩为最大扭矩b T 。 剪切强度极限为: Wt T b b ?= 43τ (2) 但是，为了试验结果相互之间的可比性，根据国标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: Wt T s s = τ Wt T b b = τ (3) 铸铁材料的?-T 曲线如图5所示，从开始受扭直到破坏，近似为一直线，故近似地按弹性应力公式计算: Wt T b b = τ (4) 图5 五、实验步骤及注意事项 1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测 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的直径d 。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。 2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十 分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。 3、装夹试件: (1)先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另 一个定位环夹套在试件的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试件标距要求，将试件搁放在相应的V 形块上，使两卡盘与V 形块的两端贴紧，保证卡盘与试件垂直，以确保标距准确。将卡盘上的螺钉拧紧。 (2)先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显的偏差，请按 下“正转”或“反转”按键进行微调。将已安装卡盘的试件的一端放入 T 从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试件夹紧。按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。推动移动支座移动，使试件的头部进入主动夹头的钳口间。先按下“试件保护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试件夹紧。 (3)将扭角测量装置的转动臂的距离调好，转动转动臂，使测量辊压在卡 盘上。 4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为 零。按“运行”键，开始试验。 5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力, 填写实验数据和计算结果。 6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的铁屑，关断电源。 六、实验报告内容及要求 2、绘制材料的扭转曲线(?-T 曲线)。 3、绘制材料的断口草图，说明其特征并分析破坏原因。 应变测量实验 一、实验目的 1、学习应变片粘贴、使用的基本方法 2、学习电桥的联线方法及电桥的测量原理和特点 3、学习使用WS-3811应变仪测量应变的基本方法 二、实验原理 利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：在确定采用那种类型的应变计后，用肉眼或放大镜检查丝栅是否平行，有否 霉点、锈点、用数字式万用表测量各应变片电阻值。所选应变片的电阻阻值要与其 桥盒匹配，如桥盒内置电阻为120Ω，那么，使用的应变片也要是120Ω。 2、测点表面的清洁处理：为使应变计能与被测试件贴牢，对测点表面要进行清洁处理。 首先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 面的油污，到棉花球不黑为止。打磨好的表面，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的底基面上，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，用手指在应变片的长度方向滚压，挤出片下气泡和多余的胶水，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准确传递应变。 4、干燥处理：应变计粘贴好后应有足够的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的绝缘度，以保证应变读数的稳定。为此，在贴好片后就需 要进行干燥处理，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：由于应变片的两条连线很 细，所以要应使用“转接片”连 接导线(如图所示)，避免测量时 拉短应变片的连线。 6、防潮处理：为避免胶层吸收空气 中的水分而降低绝缘电阻值，应 在应变片接好线并且绝缘电阻达到要求后，立即对应变计进行防潮处理。防潮处理 应根据实验的要求和环境采用不同的防潮材料。一般选用703、704硅胶即可。 7、应变桥盒的接线方法: (1)应变仪面板7针信号输入插头接线方法 应变桥(桥压:±1V )接线方法: ④桥压桥压-1V ⑤桥压+1V ②信号+ ⑥桥压①信号- ⑦屏蔽地 说明:7针插头接线方法: 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(对于输出为电压的传感器)输入接线方法: ②信号+ 信号- ⑦信号地 接线说明：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)应变桥盒使用方法 桥盒内部电路见后附电路图。 一个应变片桥盒(1/4桥)使用方法 按“1/4桥盒接法图示”把一个应变片接到两条线的另一端，注意桥盒上要有3个短接插片。 二个应变片桥盒(半桥)使用方法 按“半桥盒接法图示”把两个应变片分辨接到“红-黑”线和“蓝-黑”线的另一端，其中黑线为两个应变片的共用线，注意桥盒上要去掉1个短接插片，保留2个短接插片。 8、测试量程和滤波设置 打开Vib’SYS信号采集、处理和分析软件，从菜单“信号采集”选择“动、静应变采集”进入应变测量界面，如下图所示。 对于应变或其它传感器信号的测量，应选择比较适合的测量量程，选择测量量程时应尽量选择比较小的量程，仪器的量程越小精度越高;(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)应变量程设置 当测量应变时，对于应变片灵敏度系数K=2和桥压为±1伏的情况下，每个微应变(με)对应于1个微伏(μV)，这时应变测量有两挡选择，应变量程设置: 量程1:±4000με 量程2:±40000με 设置方法：进入量程及滤波设定界面，选择量程和要设置的通道，点击“设置…”。相应通道量程即被设定，也可直接点击界面中的“〇”，单独设置各通道量程，对应通道变为“●”; (2)滤波频率设置 仪器中了低通滤波器，当测量应变时，由于存在各种干扰，所以在进行测试时，先要设置滤波频率，滤波频率范围(2Hz~50KHz);(通常设置为20Hz即可)。 设置方法：进入量程及滤波设定界面，点击“滤波设置…”，输入相应通道滤波频率，点击“确定”，退出滤波设置; 量程和滤波频率设置就绪后，点击“设置到仪器”，将所需量程和滤波频率设置到仪器。 9、仪器校准 首次测试或经过长时间不用时，需对仪器进行校准，该仪器具有自动校准功能；校准的目的是使测试值更加精确。 校准方法：断开各通道，即拔下桥合接头；设置各校准通道的量程和滤波频率；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，当然也可中途退出校准；校准完成，校准结果(一般都在1.000左右)显示于对应通道栏中；校准结果可保存，点击“存校准值”，输入文件名，校准结果保存于文件中，下次测试时可直接读入，点击“读校准值”，选择校准文件，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的应变信号，要用动态应变数据采集。当进行动态应变数据采集时，动态采集的应变数据直接记录到计算机硬盘中，采集的数据量由计算机硬盘容量定，采集结束以后，把采集得到应变数据调出进行分析处理。 （1）非定时动态应变采集 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根据实际测试情况选择，但通道采样频率总和不能超过100 KHz，（通常应变测试采样频率不宜设得过高，一般每通道1000Hz即可）。点击“设置采集参数”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），选择采集开始通道和结束通道，选择显示通道，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，当你认为采集数据需要保存时，点击“开始记录”，选择保存数据文件“*.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，也可中途退出采集；采集结束数据文件自动转换为“*.TIM”格式，便于后续处理绘图等；如果中途发生断电等意外情况，数据也能自动保存，但只有“*.YB”文件，后续处理时，需将该文件转换为“*.TIM”格式文件，具体操作是：点击“打开应变数据文件”，选择需要转换的“*.YB”文件，再点击“转换为Vib’SYS格式”，选择要转换为的“*.TIM”文件即可转换完成。 （2）定时动态应变采集 定时动态采集是指：每间隔一段时间采集一段时间数据，一旦点击开始采集，该过程将一直持续下去，直到点击停止采集；数据文件名自动加上每次开始采集时刻分别保存；具体操作是：选中“定时采集”，输入定时采集时间间隔，注意不能小于每次采集时间，其余参数设置同非定时动态应变采集，一切就绪后，点击“开始记录”，开始定时采集，直到点击“停止记录”，结束定时采集。 （3）采集清零 对于应变的测量，桥路一般有一定的不平衡，那么在没有加载之前，仪器测量的电压不是零，有一定的偏移量，所以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，采集的数据直接记录到计算机硬盘中。 （1）静态采集 进入定时静态采集界面：输入采集采样频率（一般为1000Hz）和采集时间间隔，选择开始通道和结束通道，一切就绪后，点击“开始采集”，提示是否保存数据，如保存需选择保存文件“*.TXT”（该文件以文本格式保存，便于直接查看）后开始采集，数据实时显示于界面中，同时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 对于应变的测量，桥路一般有一定的不平衡，那么在没有加载之前，仪器测量的电压不是零，有一定的偏移量，所以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、应变桥接法中的半桥盒接法和1/4桥盒接法在应用上有什么差别？ 2、使用应变仪进行应变采集之前为什么要进行清零操作？清零操作和之前的仪器校 准操作的作用有何不同？