拉伸压缩实验.doc

第一部分 材料力学实验常用仪器设备第一章 材料力学性能试验仪器1.1液压式万能材料试验机测定材料的力学性能的主要设备是材料试验机。常用的材料试验机有拉力试验机、压力试验机、扭转试验机、冲击试验机、疲劳试验机等。能兼作拉伸、压缩、弯曲等多种实验的试验机称为万能材料试验机，或简称为万能机。供静力实验用的万能材料试验机有液压式、机械式、电子机械式等类型。下面将介绍几种类型的万能机。为介绍液压式万能材料试验机，现以国产WE系列为例。图1.1.1为这一系列中最常见的WE100A、300、600试验机，其结构简图如图1.1.2所示。现分别介绍其加载系统和测力系统。图1.1.1 液压式万能试验机1.1.1加载系统液压式万能试验机的基本结构如图1.1.2所示。主机在底座上由两根固定立柱和固定横梁组成承载框架。工作油缸固定于框架上。在工作油缸的活塞上，支承着由上横梁、活动立柱和活动平台组成的活动框架。当油泵开动时，液压油通过送油阀，经送油管进入工作油缸，把活塞连同活动平台一同顶起。这样，如把试样安装于上夹头和下夹头之间，由于下夹头固定，上夹头随活动平台上升，试样将受到拉伸。若把试样置放于两个承压垫板之间，或将受弯试样置放于两个弯曲支座上，则因固定横梁不动而活动平台上升，试样将分别受到压缩或弯曲。此外，实验开始前如欲调整上、下夹头之间的距离，则可开动电机，驱动螺杆，便可使下夹头上升或下降。但电机不能用来给试样施加拉力。图1.1.2 液压式万能试验机结构简图1.1.2测力系统加载时，开动油泵电机，打开送油阀，油泵把油液送入工作油缸顶起工作活塞给试样加载；同时，油液经回油管及测力油管（这时回油阀是关闭的，油液不能流回油箱），进入测力油缸，压迫测力活塞，使它带动拉杆向下移动，从而迫使摆杆和摆锤联同推杆绕支点偏转。推杆偏转时，推动齿杆作水平移动，于是驱动示力盘的指针齿轮，使示力指针绕示力度盘的中心旋转。示力指针旋转的角度与测力油缸活塞上的总压力（即拉杆所受拉力）成正比。因为测力油缸和工作油缸中油压压强相同，两个油缸活塞上的总压力成正比（活塞面积之比）。这样，示力指针的转角便与工作油缸活塞上的总压力，亦即试样所受载荷成正比。经过标定便可使指针在示力度盘上直接指示载荷的大小。试验机一般配有重量不同的摆锤，可供选择。对重量不同的摆锤，使示力指针转同样的转角，所需油压并不相同，即载荷并不相同。所以，示力度盘上由刻度表示的测力范围应与摆锤的重量相匹配。以WE-300试验机为例，它配有A、B、C三种摆锤。摆锤A对应的测力范围为060kN，A+B对应0150kN，A+B+C对应0300kN。开动油泵电机，送油阀开启的大小可以调节油液进入工作油缸的快慢，因而可用以控制增加载荷的速度。开启回油阀，可使工作油缸中的油液经回油管泄回油箱，从而卸减试样所受载荷。实验开始前，为消除活动框架等的自重影响，应开动油泵送油，将活动平台略微升高。然后调节测力部分的平衡铊，使摆杆保持垂直位置，并使示力指针指在零点。试验机上一般还有自动绘图装置。它的工作原理是，活动平台上升时，由绕过滑轮（1）和（2）的拉绳带动滚筒绕轴线转动，在滚筒圆柱面上构成沿周线表示位移的坐标；同时，齿杆的移动构成沿滚筒轴线表示载荷的坐标。这样，实验时绘图笔在滚筒中就可自动绘出载荷位移曲线。当然，这只是一条定性曲线，不是很准确的。我校具有WE-10与WE-30和WE-100液压式万能材料试验机。1.1.3操作规程及注意事项1、操作规程加载前，测力指针应指在度盘的“零”点，否则必须加以调整。调整时，先开动油泵电动机，将活动平台升起35mm左右，然后稍旋动摆杆上的平衡铊20，使摆杆保持铅直位置，再转动水平齿条使指针对准“零”点。其所以先升起活动平台才调整零点的原因，是由于上横梁、活动立柱8和活动平台等有相当大的质量，要有一定的油压才能将它升起。但是这部分油压并未用来给试样加载，不应反映到试样载荷的读数中去。选择量程，装上相应的锤重。再一次按方法，校准“零”点。调好回油缓冲器的旋钮，使之与所选的量程相同。安装试样。压缩试样必须放置垫板。拉伸试样则须调整下夹头位置，使拉伸区间与试样长短适应。注意：试样夹紧后，绝对不允许再调整下夹头，否则会造成烧毁下夹头电动机的严重事故。调整好自动绘图仪的传动装置和笔、纸等。检查送油、回油阀，一定要注意它们均应在关闭位置。开动油泵电动机，缓缓打开送油阀，用慢速均匀加载。实验完毕，立即停车取下试样。这时关闭送油阀，缓慢打开回油阀，使油液泄回油箱，于是活动平台到原始位置。最后将一切机构复原，并清理机器。2、注意事项开车前和停车后，送油阀、回油阀一定要在关闭位置。加载、卸载和回油均应缓慢进行。加载时要求测力指针匀速平稳地走动，应严防送油阀开得过大，测力指针走动太快，致使试样受到冲击作用。拉伸试样夹住后，不得再调整下夹头的位置，以使带动下夹头升降的电动机烧坏。机器运转时，操纵者必须集中注意力，中途不得离开，以免发生安全事故。试验时，不得触动摆锤，以免影响试验读数。在使用机器的过程中，如果听到异声或发生任何故障应立即停车（切断电源），进行检查和修复。1.2电液伺服万能试验机1.2.1概述微机控制电液伺服万能试验机是当今国内外具有较高水平的测试设备，它替代了以往老式的液压万能试验机。较广泛地适用于钢铁及其它金属材料之拉伸、压缩、弯曲等强度试验。也用于木材、水泥及混凝土等非金属材料的压缩及弯曲强度试验。微机控制电液伺服万能试验机本机采用微机程序运算，电液比例闭环控制，使用高精度压力传感器，高精度的电子测量放大器件和液压式夹头，可实现对应力、应变的自动控制，安全，可靠地进行各种试验，及时地实现数据处理和储存。1.2.2电液伺服万能试验机的结构本试验机由主机，液压系统，计算机控制单元和微机组成（见图1.2.1）。图1.2.1 微机控制电液伺服万能试验机主机是由机座、油缸、传递负荷框架（包含上、下夹头）、丝杠、移动横梁等组成。它是直接对各种材料做强度试验及构件性能试验的主体。液压系统由油箱、油泵电机组、手动送油阀、手动回油阀、电液比例阀组、压力传感器、液压夹头阀组及其它液压件组成。液压系统向主机油缸、液压夹头输送一定流量的高压油，使油缸产生所要求的负荷和位移，并控制液压夹头夹紧和松开试样。计算机控制单元是由测量放大器，比例放大器及控制电路和强电拖动部分组成。计算机和打印机直接参与对试验机的控制，实时数据获得、处理、储存、打印等。1.2.3工作原理采用压力传感器、应变规、位移传感器、电液比例阀，使控制系统构成一个闭环回路，实现了自动控制。同时，本机油源还配有手动送油阀和手动回油阀，可进行手动控制。根据试验目的，选择给定信号与元件（压力传感器，应变规或位移传感器），将实测信号与给定信号进行比较，将差值作为反馈电信号，经比例放大器放大后送到电液比例阀，从而控制来自油源的高压油至油缸（柱塞式油缸机构），使油缸按给定方式输出力或位移，通过试台框架（传递负荷框架），对试样施以拉伸（上、下夹头）或压缩负荷。如借助相应夹具可做瓦弯曲、剪切等试验。框架下面试台与移动横梁间形成压负荷空间，框架上面横梁与移动横梁间形成拉伸负荷空间（它们皆有液压夹头）。1.2.4操作规程及注意事项1在使用本试验机之前，必须阅读本试验机的结构、工作原理和操作方法以及其控制软件使用说明。2开机顺序：电源计算机比例控制单元进入计算机测控系统关闭手动送油阀、手动送油阀开启油泵。3关机顺序：关闭油泵退出计算机测控系统关闭比例控制单元关闭计算机关闭电源。4如果在试验过程中，由于某种意外原因，油泵突然停止工作，此时应将所加之负荷卸掉。待检查出原因后，再重新启动油泵进行试验。不得带负荷启动，以免造成油泵损坏。5实验前应手工打开进油阀，使活塞升起10mm，以消除自重。6该机活塞行程为150mm，无论做拉伸还是压缩试验，移动衡梁下平面与试台上平面的距离都不得少于150mm（除非试验要求活塞位移小于150mm）。在此前提下，考虑移动衡梁位置，在按扭盒上按其相应按扭（升或降）来调整压缩空间和拉伸空间。在调整移动衡梁位置时，绝对不得将移动衡梁脱出丝杠的螺纹。7做拉伸试验时，根据试样形状与尺寸选择相应的夹头块，将夹头块装人上下钳口坐内。然后将试样一端先夹于上钳口中，再调整移动衡梁（下钳口）到适当位置夹持试样另一端。试样装夹完毕，不得再动移动衡梁（下钳口），如若要动，必须打开下钳口。夹持是通过按扭盒，由液压夹头自动实现的。不得使用移动衡梁（下钳口）给试样加载。8做压缩、弯曲等试验时，把试验装置放置在压缩空间的试台上，根据试样大小，调整移动衡梁位置。9实验时，请密切注视试验的进程，必要时进行人工干预。在试验控制过程中，绝对不要进行任何无关的操作，以免给控制造成影响。10试验结束后，破坏性实验先取下试样，再缓缓打开回油阀将油液放回油箱。非破坏性实验，自然应先按控制板的复位按扭卸载，才能取下试样。11试验完毕后，应将试验机擦试干净，并恢复原来正常状态。12在使用计算机时，不得将位移传感器、变形传感器、光电编码器、控制器等插头从计算机主机上拔出。否则，将烧坏其芯片。13注意人身安全。1.3电子式万能试验机电了万能材料试验机是电子技术与机械传动结合的新型试验机。它对载荷、变形、位移的测量和控制有较高的精度和灵敏度。与计算机联机还可实现控制、检测和数据处理的自动化。有的电子万能机可以进行等速加载、等速变形、等速位移的自动控制实验，并有低周载荷循环、变形循环、位移循环的功能。电子式拉力试验机是由测量系统、驱动系统、控制系统、及电脑等结构组成。 1.3.1电子式万能试验机的结构1测量系统（1）力值的测量通过测力传感器、放大器和数据处理系统来实现测量，最常用的测力传感器是应变片式传感器。所谓应变片式传感器，就是由应变片、弹性元件和某些附件（补偿元件、防护罩、接线插座、加载件组成），能将某种机械量变成电量输出的器件。应变片式的拉、压力传感器国内外种类繁多，主要有筒状力传感器、轮辐式力传感器、S双连孔型传感器、十字梁式传感器等类型。图1.3.1 电子式万能试验机从材料力学上得知，在小变形条件下，一个弹性元件某一点的应变与弹性元件所受的力成正比，也与弹性的变形成正比。以S型传感器为例，当传感器受到拉力P的作用时，由于弹性元件表面粘贴有应变片，因为弹性元件的应变与外力P的大小成正比例，故此将应变片接入测量电路中，即可通过测出其输出电压，从而测出力的大小。简单来说，外力P引起传感器内应变片的变形，导致电桥的不平衡，从而引起传感器输出电压的变化，我们通过测量输出电压的变化就可以知道力的大小了。一般来说，传感器的输出信号都是非常微弱的，通常只有几个mV，如果我们直接对此信号进行测量，是非常困难的，并且不能满足高精度测量要求。因此必须通过放大器将此微弱信号放大，放大后的信号电压可达10V，此时的信号为模拟信号，这个模拟信号经过多路开关和A/D转换芯片转变为数字信号，然后进行数据处理，至此，力的测量告一段落。（2）变形的测量通过变形测量装置来测量，它是用来测量试样在试验过程中产生的形变。该装置上有两个夹头，经过一系列传动机构与装在测量装置顶部的光电编码器连在一起，当两夹头间的距离发生变化时，带动光电编码器的轴旋转，光电编码器就会有脉冲信号输出。再由单片机对此信号进行处理，就可以得出试样的变形量。 （3）横梁位移的测量其原理同变形测量大致相同，都是通过测量光电编码器的输出脉冲数来获得横梁的位移量。2驱动系统主要是用于试验机的横梁移动，其工作原理是由伺服系统控制电机，电机经过减速箱等一系列传动机构带动丝杆转动，从而达到控制横梁移动的目的。通过改变电机的转速，可以改变横梁的移动速度。3控制系统顾名思义，就是控制试验机运作的系统，人们通过操作台可以控制试验机的运作，通过显示屏可以获知试验机的状态及各项试验参数，若该机带有电脑的话，也可以由电脑实现各项功能并进行数据处理分析、试验结果打印。试验机同电脑之间的通信一般都是使用RS232串行通信方式，它通过计算机背后的串口（COM号）进行通信，此技术比较成熟、可靠，使用方便。4电脑用来采集和分析数据，进入试验界面后，电脑会不断采集各样试验数据，实时画出试验曲线，自动求出各试验参数及输出报表。1.4 扭转试验机扭转试验机用于测定金属或非金属试样受扭时的力学性能。下面介绍两种扭转试验机现以NJ-100B型扭转试验机为例，说明扭转试验机的结构及工作原理。图1.4.1 扭转试验机NJ-100B型试验机能在正、反两个方向施加扭矩；采用电子平衡测力系统，精度较高；用可控硅无级调速控制加载，可使加载平稳，试验速度宽广。最大扭矩为1000Nm，分四级度盘，它们是0100Nm，0200 Nm，0500 Nm，01000 Nm。1.4.1加载系统安装于溜板3上的加载机构（图1.4.1a）用滚珠轴承支承于导轨2上，可自由滑动。直流电机4通过减速箱5的两级减速带动夹头6转动，从而对安装于夹头6和8间的试样7施加扭矩。操作面板9放大为图1.4.1b，面板上按钮12控制试验机的正、反加载和停车。加载速度分036（）/min和0360（）/min两档，由转速选择开关13选择，多圈电位器14调节。图1.4.2 扭转试验机测力装置示意图1.4.2测力系统测力机构为杠杆电子自动平衡系统，示意图如图1.4.2所示。由夹头8传递来的扭矩T转动杠杆20（或反向杠杆21），带动变支点杠杆22，使拉杆23以载荷P作用于平衡杠杆24上，平衡杠杆绕支点转动，右端上翘推动差动变压器25，变压器铁芯因位移发出的信号经放大器26使伺服电机27转动，拖动钢丝29拉着游铊30移动。直到游铊的重力G对支点的力矩GS=Pr时，平衡杠杆恢复为水平平衡位置，差动变压器铁芯回到初始位置，无信号输出，伺服电机停止转动。可见扭矩T的大小与通过杠杆传递的拉力载荷P成正比，而P又与游铊的位移s成正比。游铊的移动经钢丝29带动绳轮32 和指针33旋转，旋转的角度自然正比于游铊的位移s。经过标定，指针便可在示力度盘34上指示出T的数值。当需要变换示力度盘时，转动量程选择旋钮35，经链条36和锥齿轮37带动凸轮轴38，使凸轮轴上的不同凸轮与杠杆22上的不同支点接触。这样便可改变杠杆22上力臂的比值，以改变测力范围。1.4.3记录装置绳轮32旋转时，通过钢丝43带动记录笔42沿记录筒44的轴线方向移动，按比例地记录扭矩T的数值。随着主动夹头6的转动，装于减速箱5上的自整角发送机45不断发出信号，经放大器46驱动伺服电机47带动自整角变压器48转动，通过齿轮50使记录筒旋转。这样，记录笔沿记录筒圆周方向的移动，按比例地记录了试样的扭转角。于是得到表示T与的关系的曲线。1.4.4操作规程及注意事项1估计实验所需最大扭矩。转动量程选择旋钮选择合适的示力度盘。一般使示力度盘的量程比试验所需最大扭矩约大20%。2根据试样的头部形状，在夹头上安装合适的钳口或衬套。先把试样夹紧于夹头8中，再移动夹头6把试样夹紧。3把转速选择开关13（图1.4.1b）置于所需的速度档上。将调速电位器14左旋到底，接通电源，检查指针33（图1.4.2）是否指零。如偏离较多，打开机器背面箱门，移动调整板31使指针大致指零，再用微调轮39（图1.4.1a）使指针对零。如指针在调整中不灵敏或有振荡现象，应调整伺服电机27旁边的反馈电位器28使恢复正常。4需自动绘制T-图时，装好记录笔和记录纸，并借助齿轮50选择合适的记录速度，打开记录开关17。检查记录笔在记录纸上的位置是否适宜，如需调整可拉动钢丝43。如记录笔有振荡现象，可调节伺服电机47旁的电位器49使其停止振荡。5加载时按下开关12的正（或反）按钮，以顺时针向缓慢转动调速电位器14，使直流电机按要求的速度对试样加载。最大加载电流不应超过10安培。加载开始后不能再转动量程选择旋钮。6实验完毕立即按下停止开关。破坏性实验可立即切断电源取下试样；非破坏性实验经反向卸载后取下试样。7开机前应检查调速电位器是否指在零位（左旋到底），以防启动加载开关时产生冲击力矩。第二部分 材料的基本力学性能实验实验一 拉伸实验一、实验目的1观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等现象）。2测定低碳钢的屈服极限（流动极限），强度极限，延伸率和截面收缩率。3测定铸铁的强度极限。4绘制低碳钢与铸铁的拉伸曲线，比较两种材料在拉伸时的力学性能和破坏形式。二、实验设备万能材料试验机，游标卡尺。三、试件试验表明，试件的尺寸和形状对实验结果具有一定的影响。为了避免这种影响和便于各种材料机械性质的数据能互相比较，所以对试件的尺寸和形状，按国家标准GB228-2002规定，采用“标准试件”，它的截面形状通常为圆形比例试件如图1-1所示。本次实验所选试件的直径，标距，（）。lCRl0d0图1-1 拉伸试样示意图图中，试件的直径；试件的标距长度。四、实验步骤1低碳钢试件（1）试件准备。学习并观察计算长度范围内沿轴向的变形情况，用划线机将标距每隔10mm分刻成十格。用游标卡尺测量标距两端及中间处三个横截面处的直径，在每一横截面内沿互相垂直的两个直径方向测量一次取其平均值。用所测得的三个平均值中最小的值计算试件的横截面面积。（2）试验机准备。根据低碳钢的强度极限和横截面面积估计试件的最大截荷。根据最大截荷的大小，选择合适的测力度盘。开动机器，调整平衡铊，并使测力指针对准“零”点。（3）安装试件。先将试件安装在试验机的上夹头内，再调整下夹头使其达到适当位置，把试件下端夹紧，并调整好自动绘图装置。卸载线bSBACDO图1-2 低碳钢拉伸曲线（4）进行实验。开动试验机使之缓慢匀速加载。注意观察测力指针的转动应该是缓慢均匀的。由自动绘图器可观察到试件受力和变形的关系，如图1-2所示。称作曲线（拉伸图）。曲线上的以前的斜直线为弹性阶段，说明与二者成正比（试件开始受力时，头部在夹槽内的滑动很大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线）。当测力指针不动或倒退时，说明材料发生流动（屈服）失去抵抗变形的能力，除去测力指针首次倒退的最小值后测力指针在整个摆动过程中的最小值，即为流动载荷（屈服点），（因首次下降时，摆锤的下落具有惯性作用（这种由于惯性作用产生的效应称惯性效应或初始瞬时效应），使力值下降较多，测出的屈服载荷值较低，故除去此值）。图形为流动阶段。流动阶段结束，试件又恢复了抵抗变形的能力，即试件要继续变形必须增加载荷，但此时力与变形不再成正比关系。当达到拉伸图D点是，载荷达到最大值，图形由C至D段，称为强化阶段。由从动指针读出数值，此时试件开始发生“颈缩”，截面迅速减小，测力指针倒退，直至E点断裂为止。DE段为颈缩阶段。（5）观察冷作硬化现象。在屈服阶段以后，在相应拉伸图上CD间的G点处卸载，如图1-2，这时可以看到卸载过程中力和变形将成直线关系，沿线变化回到点，并留下残余变形（塑性变形），将这个试件重新进行加载，其受力与变形将按曲线的规律变化，可以看到，此时材料的强度（以屈服点衡量）提高了，而其伸长率则减少。这种现象就是冷作硬化现象。（6）停止电动机的转动，取下试件。将断裂试件的两段对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量断裂后标距段的长度；测量左、右两段断口（颈缩）处的直径，应在每一断口处沿两个互相垂直方向各测量一次，计算其平均值，取其中最小者计算断口处横截面面积。（7）关于测量的说明：若断口不在标距长度中部三分之一区段内，需采用断口移中的办法，以计算试件拉断后的标距长度。试验后将拉断的试件断口对紧，如图1-3。以断口O为起点，在长段上取基本等于短段的格数得B点。当长段所余格数为偶数时（图1-3），量取长段所余格数的一半得出C点，将段长度移到试件左端，则移位后的为在长段上取基本等于短段格数得B点后，若长段所余格数为奇数时（图1-3（b）可在长段上量取所余格数减一之半得C点，再量取所余格数加一之半得点，则移位后的为为什么要将断口移中呢？这是因为断口靠近试件两端时，在断裂试件的较短一段上，必将受到试件头部较粗部分的影响，而降低颈缩部分的局部伸长量，从而使延伸率的数值偏小，用断口移中的办法可在一定程度上弥补上述偏差。图1-3 移位测量方法当断口非常靠近试件两端，而其与头部的距离等于或小于直径的两倍时，试验结果无效，当须重作。2铸铁试件（1）实验步骤与低碳钢相同，但不取试件标距长度。（2）加载直至试件断裂，记录最大载荷值。（3）停车，取下试件。五、实验记录及结果的整理1低碳钢（1）强度指标屈服极限 强度极限（2）塑性指标 延伸率 面积收缩率（3）参照自动绘图仪所绘的拉伸曲线，绘出拉伸图，并绘出试件试验前后草图。2铸铁（1）铸铁的抗拉强度极限（2）参照自动绘图四所绘的拉伸曲线，绘出拉伸图，并绘出试件试验前后草图。3记录与计算表格形式 试 件 尺 寸 表1-1材料实 验 前标 距（mm）直 径 d0(mm)最小横截面面积 A0(mm2)截面截面截面（1）（2）平均（1）（2）平均（1）（2）平均低碳钢铸铁材料实 验 后断口处最小横截面面积A0(mm2)标 距l1（mm）断口处直径d1（mm）左段右段（1）（2）平均（1）（2）平均低碳钢 实 验 数 据 与 结 果 表1-2材料实验数据实验结果低碳钢屈服时的最小载荷= 屈服极限= （）拉断时的最大载荷= 强度极限 （）-曲线（拉伸图）延伸率 %面积收缩率= %试件形状：拉伸前拉断后铸铁破坏载荷= 强度极限= （）-曲线（拉伸图）试件形状：拉伸前拉断后六，讨论题1 试比较低碳钢和铸铁的机械性质。所得数值有何实用价值？