工力C实验讲义

1、金属材料的拉伸与压缩实验（电子式）一、实验的工程背景拉伸试验和压缩试验是研究材料力学性能的最基本试验，方法简单，数据可靠。工矿企业、研究所一般都用此类方法对材料进行出厂检验或进厂复检，用测得的b s、（T b、3、2等指标来评疋材质和进行强度、刚度计算。因此，对材料进行轴向拉伸 和压缩试验具有工程实际意义。不冋材料在拉伸和压缩过程中表现出不冋的力学性质和现象。低碳钢和铸铁分 别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在拉伸试验中弹性、 屈服、强化和颈缩四个阶段尤为明显和清楚。低碳钢材料在压缩试验中的弹性阶段、 屈服阶段与拉伸试验基本相冋，低碳钢试样最后只能被压扁而不能被压断，无法

2、测 定其压缩强度极限 T b值。因此，一般只对低碳钢材料进行拉伸试验而不进行压缩试 验。铸铁材料的抗压强度 Tb远远大于抗拉强度。通过铸铁压缩试验观祭脆性材料的 变形过程和破坏方式，并与拉伸结果进行比较，可以分析不冋应力状态对材料强度、 塑性的影响。二、实验目的1 测定低碳钢材料在常温、静载条件下的屈服极限T s,强度极限T b,延伸率3和断面收缩率2。2.测定铸铁材料在常温静载下的强度极限T bo3观察低碳钢、铸铁在拉伸过程中出现的各种现象，分析P- L图的特征。4比较低碳钢与铸铁力学性能的特点和试件断口情况分析其破坏原因。5了解微机控制电子万能材料试验机的构造原理，学习其使用方法。三、实验

3、原理本实验以低碳钢和铸铁分别作为塑性材料和脆性材料的代表，利用电子万能材 料试验机进行金属材料的拉伸与压缩实验来测试和比较两类材料各项力学性能指 标。以下按低碳钢的拉伸、铸铁的拉伸、铸铁压缩分别介绍。（1）低碳钢的拉伸：分为四个阶段a弹性阶段（曲线的OAB段）：又分为线弹性阶段 OA段和非线弹性阶段 AB 段，共冋特点是卸载后变形能恢复，且线弹性阶段还特别具有荷载与变形成正比的 特点；冋题1、为何不做低 碳钢材料的压缩实 验？如何确定其抗 压强度？2、为何不测铸铁材 料的变形指标？ 问题3、如何确定屈 服荷载的大小？ 对照低碳钢拉伸图 讲清楚拉伸的四个 阶段特点及力和变 形的规律，在实验 中怎

4、样准确的获取 要测的实验数据 低碳钢力学特性归 纳为：四个阶段、 三个现象、两类指 标 此处强调写实验报 告原理部分的要求 讲解清楚为什么要 采用比例试样 问题4、两个拉伸试 件，如何分辩低碳 钢和铸铁两种材 料？问题5、如何确定 低碳钢试件dO的大 小?强调尺寸测量的 要求注意对照试验机 实物讲解电子万能 试验机的构造效果 理想些利用多媒体教学 软件讲解试验机的 机械传动原理，电 器工作原理，位移 传感和力传感的工 作原理及数据采集 过程。b屈服阶段（曲线的BC段）：出现滑移线，材料屈服，需能判断屈服现象的出现及特点，并读取屈服载荷Ps的大小。C强化阶段（曲线的CD段）:抵抗变形能力增强，曲

5、线继续上升d颈缩阶段（曲线的DE段）：主、从动指针再次分开，标志进入颈缩阶段,点为拉伸图的最高点，载荷达到强度极限值Pb，出现颈缩现象。需能判断颈缩现象的出现及特点，并读取极限载荷Pb的大小。铸铁的拉伸铸铁在拉伸时没有屈服阶段，也没有明显的直线部分，材料近似服从胡克定律。铸铁的压缩铸铁在压缩过程中，与其拉伸时具有相似的P- L压缩曲线，所不同的是铸铁压缩到极限载荷Pb之前要产生较大的变形，试件由圆柱形被压缩成微鼓形直至破裂。且铸铁的抗压强度远高于抗拉强度。四、试件与实验机介绍1、试件介绍在测试某注意强调：1）设置 好限位挡圈的位 置，2）急停开关的 作用，3 ）实验前后 开关机顺序，4 ）在

6、夹紧上夹头前传感 器置零。压缩实验强调注意 避免手动给试件加 载，教给学生如何 避免的方法：自己 观察距离、控制横 梁移动速度、软件 控制加载 对照拉断后的断口 解释导致两种材料 破坏的原因，比较 实验结果。根据铸铁压缩断 口，解释破坏的原 因便于各种材料力学性能生能参数时，为了避免试件的尺寸和形状对实验结果的影响, 彳的测试结果的互相比较，采用国家标准规定的比例试件。家标准规定比例试件应符合以下关系：L°=K, A。对于圆形截面试件,K值通常取5.65或11.3。即直径为do的圆形截面试件标距长度分别为5do和1Odo。本试验采用Lo=1Odo的比例试件。试件材料的判断：一听声音，

7、二看颜色和标距点。拉伸试件的标距点和标距的定义。夹橢谡标距点Lt几何尺寸测量内容与方法：【截面直径d0的测量】低碳钢拉伸：在标距范围内取中间和两端处三个对称截面，每个截面在两垂直的方向上各测量一次，取均值作为该截面的平均直径，取三个平均直径值中的最小者作为d0计算试件横截面面积 A0 ;铸铁拉伸：只需测量中截面两个互相垂直方向的直径各一次，并取均值作为试件的d0值；铸铁压缩：只需测量中截面两个互相垂直方向的直径各一次，并取均值作为试件的d0值；【低碳钢原始标距 L0的测量】测量两标距点之间的距离一次作为L0值。【铸铁压缩h0的测量】测量铸铁两端面之间的距离一次作为h0值。【截面直径di的测量】

8、将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直 线，在试件颈缩处选择一最小截面，在此截面的两个互相垂直的方向各测量一次直 径，取其平均值作为拉断以后截面直径di的值；【标距L1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线， 量取两标距点之间的距离。2、试验机介绍：电子式万能材料试验机主要由主机部分和微机控制部分组成，其由于测试的精度高及计算机控制的应用而将成为科研和教学的主流机型。1、主机部分电子万能材料试验机的主机部分由上横梁、移动横梁、立柱和机箱等组成，上横梁、 立柱和机箱组成一个门式框架，活动横梁由滚珠丝杆驱动，可在门式框架内上下移 动；活动横梁的上方和上横梁的下部装有拉伸夹

9、具，活动横梁下方和机箱的上方装 有压缩夹具。门式框架右边的立柱上装有一个控制开关盒，用以调整活动横梁的位 置，便于试件的装夹；机箱内封装了伺服器、伺服电机、减速机等，伺服电机在接 到速度控制单元的指令后，驱动传动系统带动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆推动横梁向 上和向下位移，从而实现对试件的加载，而横梁的向上和向下位移通过光电编码器 记录，横梁的位移的上下极限位置由立柱旁限位杆上的挡圈控制。试件所受的载荷 和变形以及横梁的位移可以通过相应的传感器（力传感器、引伸计）和光栅编码器 转化成电信号，经放大器放大，再经A/D转换成数字信号后输入，到微机控制部分进行处理和显示。如果微机控制部分还外接有其它显示设

10、备，数字信号也可通过所 接外围设备进行显示。2、微机控制部分电子万能材料试验机的微机控制部分主要由计算机机、打印机等组成如图6所 示，根据具体需要，还可以加入其它外接设备，这部分的主要功能是进行试验的前 处理和后处理，图5以及试验过程的控制和显示，它通过安装于计算机内的配套专用软件实现试验测试 方案的选择、试验配件及其参数的设置，实现对接受到的试验信号进行加工处理， 并给出最终的实验结果及相应的实验报告。五、实验步骤(1)低碳钢的拉伸1、试件准备；2、尺寸测量3、试验准备a. 依次打开试验机主机，计算机，打印机；b. 设置限位保护。将限位杆上的挡圈调整到合适位置。c. 打开计算机内试验软件，进

11、入试验软件主窗口界面；d. 装夹试件。e点击试验软件主窗口界面上方工具栏内的“实验方案”按扭，设置好实验方 案和实验参数。4、进行实验a. 点击试验软件主界面上方工具栏内的“试验”按钮，在弹出的对话框内选择 正确的试验方案名，按“确认”键进入试验操作界面。b. 在弹出的实验操作界面上，点击“运行”键，开始实验。c. 试件破坏后，关闭试验窗口，进行数据处理，编写打印实验报告。d. 结束实验，退出试验软件，依次关闭试验机、打印机、计算机、。清理实验现场。e.测量拉断后试件的标距 Li和最小截面直径di。(2) 铸铁的拉伸铸铁的拉伸实验可参照低碳钢拉伸实验进行。铸铁的尺寸测量还可进一步简化，只需测量

12、试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直 径do的值；铸铁无需测量标距 Lo、Li和拉断后的直径di。(3) 铸铁的压缩铸铁的压缩步骤类似于拉伸，注意避免手动给试件加载。六、实验注意事项1、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；2、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；3、试验过程中，不能远离试验机；4、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；5、试验结束后，一定要关闭所有电源；6、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。7、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或 读盘。七、试件断口分析低碳钢试件破坏断口呈复杂的倒杯锥

13、型，其破坏机理也较复杂，其中，断口往外凸出的450剪切唇边可认为是剪应力作用所致，而中间凹入部分则是三向拉应力作用的结果。铸铁试件变形也不明显，在变形极小时，就达到最大载荷巳而沿横截面突然发生破坏，实验过程中也无颈缩现象出现。断口近似为一个规则的平面，主要为垂直 横截面的正应力所致。铸铁压缩破坏时，由于剪应力和表面横向摩擦力的作用，破坏面出现在与试件轴线约成45o-50 o的斜面上。作业：完成实验报告问题1、弯曲 正应力公式 很成熟，为何 要验证其正 确性？简单介绍应 变电测方法 的原理纯弯曲梁正应力实验工程背景：本实验是采用电阻应变计贴在纯弯曲梁上，来测量弯曲梁上 的应力分布。用电阻应变计来

14、测应力是实验应力分析最基本和最常用的 方法。它除了用来验证一些材料力学理论和假设外，还驳倒了许多不可靠的 假设和不成熟的理论。从实验应力分析获得的数据可以大大简化计算的公式。一、实验目的1、学习电测法的基本原理和测试方法；2、测定矩形截面梁在纯弯曲时的正应力分布规律，并验证弯曲正应力公 式的正确性；3、学习多点静态应变测量方法。二、仪器设备1、纯弯曲梁实验装置；2、数字式电阻应变仪；3、游标卡尺。三、实验原理1、电阻应变计电阻应变计能把一个非电量的物理量转化成一个电量，电阻应变计一般主 要由基底、电阻丝、引出线、覆盖层用胶水粘贴而成。基底和覆盖层主要起 隔离、保护电阻丝的作用，引出线则起连接电

15、阻丝与测量导线之作用。常温 应变片主要有丝绕式、箔式、半导体式等应变片金属箔式电阻应变计：这种应变片的敏感栅是用厚度为0.0030.01mm的康铜或镍铬金属箔片，涂上底胶，利用光刻技术腐蚀成栅状，两端焊上引 出线后，涂胶、盖上覆盖层。箔式应变片尺寸准确，敏感栅可以制成各种形 状，散热面积大，疲劳寿命长，横向效应小，测量精度高。这种应变片适宜 于长期测量，并可作为传感器的敏感元件，工程上应用广泛。金属丝受到拉伸（或压缩）时，电阻值会发生变化。金属丝的电阻R与其长度L成正比，与其横截面积S成反比，并与材料的电阻率有关，它们的关 系式为R = - LA为了求得电阻的变化，上式取对数后再微分等变换，得

16、送二K ；R式中，K称为电阻应变计的灵敏系数，K值的大小与敏感栅的材料及形状等 因素有关，一般由生产厂家抽样标定并在产品包装上标明。2、静态电阻应变仪在使用电阻应变计进行应变测量时，必须有一个恰当的办法来检测其阻值的微小变化。通常的办法是把电阻应变计接入某种电桥，而这种电桥能把说明不同型 号应变仪工 作原理基本 一致电阻应变计阻值的微小变化转换成输出电压的变化， 之后再对这个电信号进 行相应的处理就可以得到我们所需的应变了。 目前应变仪大都采用惠斯顿电 桥电路来测量应变片的阻值变化。半桥全桥如上图所示，若桥臂AB、BC、CD、DA均由因实验所需粘贴的电阻应 变计Ri、R2、R3、R4联接而成，

17、称之为全桥联接；若只有 AB、BC桥臂联接 的是构件上的工作片Ri、R2，而CD、DA桥臂联接的为仪器内部精密无感电 阻R,则称为半桥联接。由电工学原理我们知道：=11R1 -12 R4_Ri R3_R2 Kt_V/ 1)(Ri R2XR3 Rt)如需U =0 ,则R-i R3 = R2 R4式（2）为惠斯顿电桥的平衡条件。在电桥平衡后，假定构件受力，四个桥臂上的电阻应变计均不同程度产生微小的电阻增量？Rl、?R2、？R3、？R4，忽略高阶无穷小量之后，1）式可得:U _ V R1R2 , = R3R4 4R-iR2R3R4+,R1R2R3(3)R/ R将"代入（3）：,KV ,、U

18、 （；1 - ；2 一？3 - 4）4上式表明：相邻的桥臂应变值互相抵消，相对的桥臂应变值相加，其输出电压(4)与各桥臂上应变片的应变代数和成正比关系。这一特性称为电桥的加减特性3、温度补偿技术在电阻应变测量中，温度变化而引起电阻的变化概括起来包括两方面：（1）当温度发生变化时，由于敏感栅的线膨胀系数与构件不同，电阻丝因受到附加强调电桥平 衡与加减特 性两个概念 解释为何要 进行温度补 偿问题2、如何 进行温度补 偿？测点布置：沿 截面高度等 间隔布置问题3、实验装置中 的梁是如何 产生纯弯曲 的呢？问题4、如何 验证弯曲正 应力公式的 正确性？的拉伸（或压缩）而造成电阻值的变化；（2）敏感栅

19、材料受温度影响阻值发生不能真实反映构件因目前消除温度影响的桥路补偿法又可分为变化。以上情况都将使所测得的应变中包含温度的影响, 受载荷引起的应变。排除温度影响的措施叫做温度补偿。方法有两类：一是在常温测试中经常使用的桥路补偿法, 补偿片补偿法和工作片补偿法补偿片补偿法如下图所示，接在电桥的 AB桥臂上的Ri为粘贴在被测构件上的工作片。 当构件受力时，工作片反映出的应变包括： 构件受力引起的应变；1p，温度变化 引起的应变；仃。补偿片R2因为不受力，所以仅感受由温度引起的应变；2T 即:如果被贴构件与补偿块的材料相同， 所贴电阻应变计的K相同，粘贴工艺相同， 且被测构件与补偿块放置在同一温度场中

20、（此即桥路补偿法的理想条件），则；仃=；2T。另外两桥臂CD、DA为仪器内部电阻，；3二；4 =0。所以根据电桥 的加减特性，有由此可见，温度变化产生的虚假应变 ；T，由于桥路中接入补偿片而被消除。4、纯弯梁实验装置 、试件制备本实验采用金属材料矩形截面梁为实验对象。为了测量梁横截面上正应力 的大小和它沿梁高度的分布规律，在梁的纯弯段某一截面处，中性轴和以其为 对称轴的上下1/4点、梁顶、梁底等5个测点沿高度方向均匀粘贴了五片轴向 的应变计(如下图)，梁弯曲后，其纵向应变可通过应变仪测定。 、实验装置如下图所示，将矩形截面梁安装在纯弯曲梁实验装置上，逆时针转动实 验装置前端的加载手轮，梁即产生

21、弯曲变形。从梁的内力图可以发现：梁的CD段承受的剪力为0,弯矩为一常数，处于“纯弯曲”状态，且弯矩值MP?a,2弯曲正应力公式M yCT =a可变换为t =P y2fe 、实验荷载的施加实验时，通过转动手轮给梁施加载荷，各测点的应变值可由数字式电阻应 变仪测量。根据单向胡克定律即可求得t i =E £ i 实(i=1,2,3,6,7)为了验证弯曲正应力公式t二聖卫或t = P y的正确性，首先要 验证两Iz2lz个线性关系，即T*y和T*P是否成立：1、检查每级载荷下实测的应力分布曲线，如果正应力沿梁截面高度的分布 是呈直线的，则说明T*y成立；2、由于实验采用增量法加载，且载荷按等量逐级增加。因此，每增加一级 载荷，测量各测点相应的应变一次，并计算其应变增量，如果各测点的应变增 量也大致相等，则说明T * P成立。最后，将实测值与理论值相比较，进一步可验证公式的正确性。四、实验步骤1、应变仪的准备a. 测量电桥连接：如上图，为了简化测量电桥的连接，将梁上5个测点的应变计引出导线各取出其中一根并联成一