万能试验机测量材料的

1、万能试验机测量材料的拉伸力学性能实验一、实验目的1、了解试验设备万能材料试验机的构造和工作原理，掌握其操作规程及使用注意事项。2、测定低碳钢的屈服极限、强度极限、伸长率d 和断面收缩率y； 3、测定铸铁的强度极限； 4、观察拉伸过程中的各种现象（弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段、断裂特征等），并绘制拉伸图（曲线）； 5、比较塑性材料和脆性材料力学性质特点。 二、实验设备1、RGM4100 100万能试验机2、游标卡尺3、直尺三、试件试件一般制成圆形或矩形截面，圆形截面形状如图 3-2 所示，试件中段用于测量拉伸变形， 此段的长度称为“标距”。两端较粗部分是头部，为装入试验机夹头内部分

2、，试件头部形状视试验机夹头要求而定，可制成圆柱形（a）、阶梯形（b）、螺纹形（c）。 试件的尺寸和形状对杆件的强度和变形影响很大，也就影响按其均值表示的材料强度和塑性指标。为了能正确地比较材料的机械性质，国家对试件尺寸作了标准化规定。据此，对圆截面试样 标距为： 和 对矩形截面试样 标距为： 和 四、实验原理将划好刻度线的标准试件，安装在万能试验机的上下夹头内。开启试验机，由于机械作用便带动活动平台上升。因下夹头和蜗杆相连，一般固定不动。上夹头在活动平台里，当活动平台上升时，试件便受到拉力作用，产生拉伸变形。力和变形的大小以及P-DL 曲线可以通过试验机的配套电脑软件直接显示出来。 低碳钢是典

3、型的塑性材料，试样依次经过弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段，其中前三个阶 段是均匀变形的。 用试验机的自动绘图器绘出低碳钢和铸铁的拉伸图（下图 ）。对于低碳钢试件，在比例极限内，力与变形成线性关系，拉伸图上是一段斜直线（实际上试件开始受力时，头部在夹头内有一点点滑动，故拉伸图最初一段是曲线）此阶段称为弹性阶段。拉伸图上呈锯齿形，表示载荷基本不变，变形增加很快，材料失去抵抗变形能力，这一现象称为屈服，此阶段则称为屈服阶段。试件经过屈服阶段后，若要使其继续伸长，由于材料在塑性变形过程不断发生强化，因而试样中的抗力不断增长（拉伸图上曲线）。此阶段称为强化阶段。试样伸长到一定程度后，荷载读数反而逐渐降低

4、（拉伸图上曲线），此时可以看到试样某一段内的横截面面积显著地收缩，这一现象称为“缩颈”现象。在试样继续伸长的过程中，由于“缩颈”部分的横截面面积急剧缩小，因此，荷载读数反而降低，一直到试样被拉断。此阶段称为局部变形阶段。铸铁试件在变形极小时，就达到最大载荷而突然发生断裂，这时没有屈服和颈缩现象，是典型的脆性材料。低碳钢拉伸图 铸铁拉伸图五、低碳钢拉伸实验步骤1、试件准备 沿着低碳钢试件做好标距长度记号，并在标距的范围内用游标卡尺在标距记号线附近及中间各取一截面，每个截面沿互相垂直的两个方向各测量一次直径平均值，取这三个截面的最小值作为计算横截面的依据。2、安装试件 先将试件安装在下夹头上，调节

5、上夹头使之移动到合适位置，再把试件上端夹在上夹头中夹紧。缓慢加载，观察力的变化情况，以检查试件是否已夹紧，如有打滑则需重新安装。3、开始实验 开启试验机及配套软件，启动加载按钮使试件缓慢匀速加载，随时观察软件界面显示拉伸过程中的各个阶段的变形特征。直至试件断裂。（各个阶段所要得到的数据，电脑会自动保存，实验后可以调用）。4、实验结束 实验完毕，仪器设备恢复原状，清理现场，检查实验记录是否齐全，并请指导教师检查实验记录。六、铸铁拉伸实验步骤实验步骤与低碳钢基本相同，但拉伸图没有明显的四个阶段，只有破坏荷载，而且数值较小，变形也不大。因此加载时速度一定要慢，试件断裂前没有任何预兆，断裂是突然发生的

6、，是典型的脆性材料。最后观察断口形状，其断口形状与低碳钢有何不同，请教师检查试验记录。 七、实验结果处理 1、根据测得的屈服荷载和最大荷载，计算屈服极限和强度极限。对于低碳钢 铸铁脆性材料，没有屈服阶段只有最大荷载，因此，对于没有屈服阶段的塑性材料，通常将对应于塑性应变时的应力定为规定非比例伸长应力或屈服强度，并以表示。数值的确定方法可以参照教材第30页的图220及相关文字。强度极限2、根据拉伸前后试件的标距长度和横截面面积，计算出试件的伸长率和截面收缩率。即： 3、根据实验原始数据绘制拉伸应力-应变曲线（曲线）。压缩试验机测量材料的压缩力学性能实验一、实验目的1、了解试验设备压力试验机的构造

7、和工作原理，掌握其操作规程及使用注意事项。2、测定压缩时低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限。3、观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏情况，并进行比较和分析原因。二、实验设备1、YAW3000全自动压力试验机2、游标卡尺三、试件dh低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成圆柱形（图A），目前常用的压缩试验方法是两端平压法，这种压缩试验方法当试件承受压缩时，上下两端面与试验机承台之间产生很大的摩擦力，这些摩擦力阻碍试件上、下部的横向变形，导致测得的抗压强度较实际偏高；当试样的高度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响就变得小了，因此抗压强度与比值有关。由此可见压缩实验与实验条件有关。为了减少摩擦力的影响以

8、避免试件发生弯曲，在相同的试验条件下，对不同材料的压缩性能进行比较，金属材料的压缩试件一般规定为。图 A四、实验原理和方法对低碳钢材料，在承受压缩荷载时，起初变形较小，力的大小沿直线上升，当超过比例荷载后，变形开始增快，此时显示荷载减慢或基本不变或有所回落的现象，这表明材料已达到屈服，此时的荷载即为屈服荷载。屈服阶段结束后，塑性变形迅速增加，试件截面面积也随之增大，而使试件承受的荷载也随之增加，FDL曲线继续上升（图C），这时试件被压成鼓形，最后压成饼形而不破坏，其强度极限无法测定。对铸铁材料，当铸铁试件达到最大荷载时，突然发生破坏，此时力的大小迅速减小。铸铁试件破坏后表面出现与试件横截面大约

9、成4555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（图D）。材料压缩时的力学性能可以由压缩时的力与变形关系曲线表示。一般地低碳钢材料其弹性阶段、屈服阶段与拉伸大致相同，弹性模量和屈服极限与拉伸时大致相等。而铸铁受压时却与拉伸时有明显的差别，压缩时曲线上虽然没有屈服阶段，但曲线明显变弯，断裂时有明显的塑性变形，且压缩强度极限远远大于拉伸时的强度极限。 图 C 低碳钢压缩 图D 铸铁压缩五、实验步骤 1、用游标卡尺在试件中点处两个相互垂直的方向测量直径，取其平均值，并测量试件高度 2、检查设备线路连接是否接好，并打开设备电源以及配套软件操作界面。 3、将试件放在试验机活动

10、平台的中心上面。 4、设置软件界面上的各个试验参数，保证试件与上支承台接触后能以设定的加载速度进行加载，设置完毕后开始试验，进行加载。对低碳钢试件要及时正确地读出屈服荷载，过了屈服阶段后继续加载，直到试件变形比较明显后停止加载。对铸铁试件，加载至试件破坏为止，读出破坏极限荷载。 5、实验完毕，使仪器设备恢复原状，清理现场，并请指导老师检查实验数据。六、实验结果处理 1、根据实验记录，利用公式计算出低碳钢压缩实验的屈服强度利用公式计算出铸铁压缩实验的强度极限。 2、根据实验原始数据绘制压缩应力-应变曲线（曲线）。 3、画出试件的破坏形状图，并分析其破坏原因。电测法的基本原理电测法的基本原理是用电

11、阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变应力关系确定构件表面应力的一种实验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片粘贴到被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可以得到所测定的应变或应力。一、电阻应变片的工作原理 电阻应变片主要是根据金属丝电阻应变效应的物理原理工作的。当金属丝沿其轴线方向受力而产生变形时，其电阻值也随之发生变化，这一现象称为电阻应变效应。由物理学可知，金属导线的电阻为 （式 1 ）式中：为导线材料电阻率，为导线长度，为导

12、线截面积。对式等号两边取对数再微分得到 （式 2 ）式中，为金属导线长度的相对变化，它可用线应变表示，即 （式 3 ）而为导线截面积的相对变化，若导线直径为D，则 （式 4 ）式中为导线材料泊松比 ，将（式 3 ）和（式 4 ）代入（式 2 ）可得： （式 5 ）上式表明，粘贴在构件上的电阻片受力变形时，其电阻相对变化率与导线的应变成一次函数关系。由于电阻片的敏感栅并不是一根直丝，所以比例系数一般在标准应变梁上由抽样标定测得，标定梁为纯弯曲梁或等强度梁。对于电阻片来说，式 5 可写成 式中为电阻应变片的灵敏系数。值在电阻应变片出厂时由厂方标明，值一般为2.0左右。二、测量电路及其工作原理1.

13、测量电路测量电路的作用是将电阻片感受的电阻变化率变换成电压变化输出，再经放大电路放大。测量电路有多种，最常使用的就是惠斯登电桥电路，它有四个桥臂R1，R2，R3，R4顺序地接在A，B，C，D之间（如下图）。电桥的对角点AC接电源E，另一对角BD为电桥的输出端，其输出电压为UDB ，可证明输出电压： （式 6）BR2R1CAdUDBR3R4DE （图 1）若电桥的四个桥臂与四枚粘贴在构件上的电阻片连接，当构件变形时，其电阻的变化分别为：；，此时电桥的输出电压为： （式 7） 由式6和式7可以解出电桥电压的变化量，当，可简化为 （式 8 ） 式中，。当时，式8可进一步简化为 （式 9 ） 该式成立

14、的必要条件是：（1）小应变，；（2）等臂桥，即。当四枚电阻片的灵敏系数K相等时，式9 可以写成：R2BR1式中，分别代表电阻片R1，R2，R3，R4感受的应变值。且式中的是代数值，其符号由变形方向决定。通常拉应变为正，压应变为负。显然不同符号的应变按照不同的顺序组桥,会产生不同的测量效果。因此，正确地布片和组桥，可提高测量地灵敏度并减少误差，下面是几种常见的组桥方式：1. 单臂测量。 R3R4CdUDBDA电桥中只有一个桥臂是参与机械变形的电阻片(R1)，其它三个桥臂不参加机械变形(如图2)，这时电桥输出电压为： E ( 图2 ) B2. 半桥测量R1R2CdUDBA电桥中相邻两个桥臂参与机械

15、变形的电阻片(R1.R2)，其它两个桥臂不参加机械变形(如图3)，这时电桥输出电压为：R3R4 ( 图3 )3. 对臂测量BR1R2ED电桥中相对两个桥臂参与机械变形的电阻片(R1.R3)，其它两个桥臂不参加机械变形(如图4)，这时电桥输出电压为：4. 全桥测量CdUDBA电桥四个桥臂都参与机械变形的电阻片(如图1)，这时电桥输出电压R3R4为：D ( 图4)三、E电阻仪读数的修正公式 电阻仪是测量应变的专用仪器，电阻仪的输出电压是用应变值直接显示的。与电阻片的灵敏系数K相对应，电阻仪也有一个灵敏系数，当K时，即电阻仪的读数值不必修正，否则，需要按下式进行修正。 电测法测定材料弹性模量和泊松比

16、弹性模量和泊松比是各种材料的基本力学参数，测试工作十分重要，测试方法也很多，如杠杆引伸仪法、电测法、自动检测法，本次实验用的是电测法。一、实验目的在比例极限内，验证虎克定律，用应变电测法测定材料的弹性模量和泊松比。二、实验仪器设备和试样1. 多功能组合实验台2. 静态电阻应变仪3. 游标卡尺4. 矩形长方体扁试件三、实验原理和方法材料在比例极限范围内，应力和应变呈线性关系，即： 比例系数称为材料的弹性模量，可由下式计算，即： （21）设试件的初始横截面面积为，在轴向拉力作用下，横截面上的正应力为： 把上式代入式（21）中可得： （38）只要测得试件所受的荷载和与之对应的应变，就可由式（38）算

17、出弹性模量。受拉试件轴向伸长，必然引起横向收缩。设轴向应变为，横向应变为。试验表明，在弹性范围内，两者之比为一常数。该常数称为横向变形系数或泊松比，用表示，即：轴向应变和横向应变的测试方法如下图所示。在板试件中央前后的两面沿着试件轴线方向粘贴应变片和，沿着试件横向粘贴应变片和。为了消除试件初曲率和加载可能存在偏心引起的弯曲影响，采用全桥接线法。分别是测量轴向应变和横向应变的测量电桥。根据应变电测法原理基础，试件的轴向应变和横向应变是每台应变仪应变值读数的一半，即： 实验时，为了验证胡克定律，采用等量逐级加载法，分别测量在相同荷载增量作用下的轴向应变增量和横向应变增量。若各级应变增量相同，就验证

18、胡克定律。四、实验步骤1、测量试件。在试件工作段的上、中、下三个部位测量横截面面积，取它们的平均值作为试样的初始横截面面积2、拟定实验方案。 确定试件允许达到的最大应变值（取材料屈服点的70%80%）及所需的最大载荷值。根据初荷载和最大荷载值以及其间至少应有5级加载的原则，确定每级荷载的大小。3、准备工作。把试件安装在试验台上的夹头内，调整试验台，按图的接线接到两台应变仪上。4、试运行。扭动手轮，加载至接近最大荷载值，然后卸载至初荷载以下。观察试验台和应变仪是否处于正常工作状态。5、正式实验。加载至初荷载，记下荷载值以及两个应变仪读数、。以后每增加一级荷载就记录一次荷载值及相应的应变仪读数、，

19、直至最终荷载值。以上实验重复3遍。五、实验结果处理 （1）用方格做出弹性阶段的和曲线，将每个实验点都点在图上，然后拟合成直线，并注意原点位置的修正。 （2）采用平均法和最小二乘法的数值分析方法，确定和的数值。 平均法 最小二乘法 （3）按规定格式写出实验报告。报告中应有各类表格、曲线、装置简图和原始数据。扭转试验机测量材料的扭转力学性能实验一、实验目的1、了解试验设备扭转试验机的构造和工作原理，掌握其操作规程及使用注意事项。2、测定低碳钢的剪切屈服极限及低碳钢和铸铁的剪切强度极限3、观察低碳钢和铸铁两种材料在扭转过程中的变形规律和破坏特征。二、实验设备1、扭转试验机2、游标卡尺3、直尺三、试件

20、扭转试验所用试件与拉伸试件的标准相同，一般使用圆形试件，标距 或 ，为了防止打滑，扭转试样的夹持段宜为类矩形（如图A） 图 A四、实验原理扭转试验是材料力学试验最基本、最典型的试验之一。进行扭转试验时，把试件两夹持端分别安装于扭转试验机的固定夹头和活动夹头中，开启直流电动机，经过齿轮减速器带动活动夹头转动，试件便受到了扭转荷载，试件本身也随之产生扭转变形。扭转试验机配套软件上可以直接读出扭矩和扭转角，同时试验机配套软件也自动绘出了曲线图，一般是试验机两夹头之间的相对扭转角。因材料本身的差异，低碳钢扭转曲线有两种类型（图B）。扭转曲线表现为弹性、屈服和强化三个阶段，与低碳钢的拉伸曲线不尽相同，它

21、的屈服过程是由表面逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区。当横截面的应力全部屈服后，试件才会全面进入塑性。在屈服阶段，扭矩基本不动或呈下降趋势的轻微波动，而扭转变形继续增加。当首次扭转角增加而扭矩不增加（或保持恒定）时的扭矩为屈服扭矩，记为。对试件连续施加扭矩直至扭断，从试验机配套软件界面上读得最大值。根据国标GB/T101281988规定，低碳钢受扭转时的屈服强度和强度极限采用式 计算。 （式中：是实心试件的扭转截面系数）铸铁试件扭转时，其扭转曲线（图C）伸曲线，它有比较明显的非线性偏离，但由于变形很小就突然断裂，一般仍按弹性公式计算铸铁的抗扭强度极限，即：。 图 B 低碳钢扭转曲线 图 C 铸铁曲

22、线圆形试件受扭时，横截面上的应力应变分布如下图。在试件表面任一点，横截面上有最大切应力t，在与轴线成 45 的截面上存在主应力，。低碳钢的抗剪能力弱于抗拉能力，试件沿横截面被剪断。铸铁的抗拉能力弱于抗剪能力，试件沿与正交的方向被拉断。由此可见，不同材料，其变形曲线、破坏方式、破坏原因都有很大差异。 a b c 图D 扭转试件的应力应变分布五、实验步骤 1、试件准备 取三个截面测量直径，测量每个截面相互垂直的两个方向后取平均值。同时在低碳钢试件表面上画一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。 2、实验前准备 检查试验机各个部件是否连接完好，然后安装试件。 3、开始实验 通过软件界面观察试件在扭

23、转荷载作用下各个阶段的变形，并记录好实验所需数据。 4、实验完毕 使仪器设备恢复原状，清理现场，检查实验记录是否齐全，并请指导老师检查。六、实验结果处理 1、计算低碳钢材料的屈服极限和强度极限 2、计算铸铁材料的强度极限： 3、画出两种材料的扭转曲线及断口草图，说明其特征并分析破坏原因。圆管扭转应力实验一、实验目的1、用应变电测法测定材料的切变弹性模量。2、验证剪应力公式二、实验设备与仪器1、材料力学综合实验台2、静态电阻应变仪。3、直尺和游标卡尺三、实验原理和方法在剪切比例极限内，切应力与切应变成正比，这就是材料的剪切胡克定律，其表达式为： （式1）式中，比例常数G即为材料的切变模量。由上式

24、得 （式2）式中的和均可由实验测定，其方法如下：1、的测定：试件贴应变片处是空心圆管，横截面上的内力如图3-16(a)所示。试件贴片处的切应力为 ： （式3）式中，Wt为圆管的抗扭截面系数。2、的测定：在圆管表面与轴线成45方向处各贴一枚规格相同的应变片(见图3-16(a)，组成图3-16(b)所示的半桥接到电阻应变仪上，从应变仪上读出应变值。由电测原理可知读数应变应当是45方向线应变的2倍，即 （式4）另一方面，圆轴表面上任一点为纯剪切应力状态(见图3-16(c)。根据广义胡克定律有： 因此： （式5）把（式3）和（式4）代入（式2），可得： 图3-16实验采用等量逐级加载法：设各级扭矩增量

25、为，应变仪读数增量为，从每一级加载中，可求得切变模量为： 同样采用端直法，材料的切变模量是以上的算术平均值，即：四、实验步骤1、测量并记录有关尺寸。2、组桥接线。3、用手稍微转动加力螺杆，检查装置和应变仪是否正常工作。4、加载分四级进行，每级加载500N（500 N1000 N1500 N2000 N)，分别记录每级载荷下的应变值。五、实验结果处理从三组实验数据中，选择较好的一组，按实验记录数据求出切变模量，即：采用端直法，材料的切变模量为，即：纯弯梁弯曲的应力分析实验一、实验目的（1） 梁在纯弯曲时横截面上正应力大小和分布规律 （2） 验证纯弯曲梁的正应力计算公式（3） 测定泊松比（4） 掌

26、握电测法的基本原理二、实验设备（1） 多功能实验台（2） 静态数字电阻应变仪一台（3） 矩形截面梁（4） 游标卡尺三、实验原理1. 测定弯曲正应力本实验采用的是用低碳钢制成的矩形截面试件，实验装置简图如下所示。当力作用在辅助梁中央A点时，通过辅助梁将压力分解为两个集中力并分别作用于主梁（试件）的B、C两点。由梁的内力分析知道，BC段上剪力为零，而弯矩，因此梁的BC段发生纯弯曲。在BC段中任选一条横向线（一般取中线），在离中性层不同高度处取5点（1、2、3、4、5），沿着梁的轴线方向粘贴5个电阻应变片，如下图所示。根据单向受力假设，梁横截面上各点均处于单向应力状态，应用轴向拉伸时的胡克定律，即可

27、通过测定的各点应变，计算出相应的实验应力。采用增量法，各点的实测应力增量表达式为： 式中：为测量点，1、2、3、4、5 为各点的实测应变平均增量为各点的实测应力平均增量 CBaa 纯弯曲梁横截面上任一点应力理论表达式为： 增量表达式为： 通过同一点实测应力的增量与理论应力增量计算结果比较，算出相对误差，即验证纯弯曲梁的正应力计算公式。将计算的各个测点的实测应力平均增量标在截面高度为纵坐标，应力大小为横坐标的平面内，并连成曲线，即可与横截面上应力理论分布情况相比较。2. 测 定 泊 松 比 在梁的下边缘纵向应变片5附近，沿着梁的宽度粘贴一片电阻应变片6（电阻应变片6也可贴在梁的上边缘），测出沿宽

28、度方向的应变，利用公式： 确定泊松比的数值。 四、实验步骤 （1）测量梁的截面尺寸和，力作用点到支座的距离以及各个测点到中性层的距离。 （2）根据材料的许用应力 和截面尺寸及最大弯矩的位置，估算最大荷载，即： 然后确定量程，分级载荷和载荷重量。 （3）接通应变仪电源，分清各测点应变片引线，把各个测点的应变片和公共补偿片接到应变仪的相应通道，调整应变仪零点和灵敏度值。 （4）记录荷载为的初应变，以后每增加一级荷载就记录一次应变值，直至加到。 （5）按上面步骤再做一次。根据实验数据决定是否在做第三次。 五、实验结果处理 1、根据测得的各点应变值，计算出各点的平均应变的增量值，由计算1、2、3、4、

29、5各点的应力增量。 2、根据计算各点的理论应力增量并与相比较。 3、将不同点的与绘在截面高度为纵坐标、应力大小为横坐标的平面内，即可得到梁截面上的实验与理论的应力分布曲线，将两者进行比较即可验证应力分布和应力公式。4、利用纵向应变、横向应变，计算伯松比。组合梁弯曲的应力分析实验一、实验目的1. 用电测法测定两种不同形式的组合梁横截面上的应变、应力分布规律。2. 观察正应力与弯矩的线性关系。3. 通过实验和理论分析深化对弯曲变形理论的理解，建立力学计算模型的思维方法。二、实验设备1. 静态电阻应变仪 (型号：DH3818)2. 材料力学多功能实验台 (型号：BZ8001)3. 贴有电阻应变片的矩

30、形截面组合梁（钢-铝组合梁、钢-钢组合梁）（钢-铝组合梁的上半部为Q235钢，弹性模量，下半部为铝合金，弹性模量）（钢-钢组合梁的上半部为Q235钢，弹性模量，下半部为45号钢，弹性模量）4. 游标卡尺三、实验原理与方法实验装置及测试方法和纯弯梁的正应力实验基本相同。为了更好地进行分析和比较，我们采用两种组合梁（即钢铝组合梁，钢钢组合梁）并且这两种组合梁的几何尺寸和受力情况相同。组合梁的受力情况以及各电阻应变片的位置如下图。12345678h/2h/2h/2h/2h/4h/4h/4h/4baFaFABCD(a)组合梁受力简图 (b)横截面及贴片示意图实验装置示意图1. 钢铝组合梁：当两个同样大小的力分别作用在组合梁上B、C点时，由梁的内力分析知道