河北工程大学材料力学实验

1、 材料力学实验亚军 王二成 俊生 许健 编某工程大学教务处2011年3月前言材料力学实验是材料力学课程教学的一个重要环节，材料力学中的结论、定理和材料的机械性质，都需要通过试验来验证或测定。实际工程中，一个课程的理论分析和计算不论如何严密和精确。如果不通过实验加以验证，那么课题的成果是不完整的，使用单位是难以认同的。当前，冶金、机制、建筑、交通、航空等各个领域对于结构的尺寸和重量的要求日趋严格；对于新型耐用材料的需求日趋迫切。与之相应的科研成果能否迅速投入使用，往往需要通过必要的力学实验来取得第一手资料。可以说力学实验往往是有关科研成果转化为生产里的重要环节。目前我国对外开放政策，先进技术和大

2、型设备不断引进。为维护国家利益和民族尊严，对外来设备应当一丝不苟的进行验收。对不符和技术要求和出现事故的技术设备进行索赔。验收和索赔必须以强有力的实验资料为说理的依据。因此有关的力学实验比如结构的应力测定、材料机械性质的测定等等往往是比不可少的。根据结构的情况和实际的设备条件来组织和进行有关的力学实验，是科研工作者和工程师必备的一种能力。所以材料力学实验是各类工程专业学生所必须掌握的技能之一。材料力学实验包括以下三方面容：一、材料力学的机械（力学）性质试验材料力学公式只能算出在外载荷作用下构件应力的大小。为了建立强度条件必须了解材料的强度、刚度、韧度等特性，这就需要通过拉伸、压缩、扭转、冲击、

3、疲劳等试验来测定材料的强度极限。弹性摸量、疲劳极限等力学参数。从而为设计计算和理论分析提供不可缺少的依据。通过这类实验，可以进一步巩固有关材料机械性质的概念，增加感性认识，掌握测定材料特性数值的实验方法。二、验证理论的实验材料力学中的一些公式都是在简化和假设的基础上（平面假设，材料均匀性、弹性和各项同向性假设）推导。事实上材料的性质往往跟完全均匀和完全套性是有差异的，因此，必须通过实验对根据推导公式加以验证，才能确定公式的使用围。此外对一些近似解答，其精确度也必须通过实验校核后才能在工程设计中使用。梁的弯曲实验、工字梁实验等均属于这类实验。其目的巩固和深刻理解课堂中所学的概念，并学会一般验证理

4、论的实验方法。三、应力分析实验工程上很多实验工件的受力情况，无法用材料力学公式进行计算，近年来虽然可以用有限元法计算，但也要经过适当简化才有可能，对用有限元法计算结果的精确性，也要通过实验应力分析加以验证。此外零件设计中的应力集中系数的确定，机器和建筑结构使用时的应力实测等，均靠实验应力分析的方法，本书中的电测法、光弹性法均属这类实验。通过这些实验，初步掌握应力测量的基本方法，同时也将培养运用理论确定实验方法，分析实验现象的能力，从而扩大和提高解决实验问题的手段和能力。为真正提高学生综合运用知识能力、动手能力、创新能力，材料力学实验引入CDIO工程教育理念。CDIO代表构思（Conceive）

5、、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）四个过程，再将实验容加上工程背景，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。将各种知识综合运用、设计实验过程、分析实验结果，通过这些具有工程背景的综合性、设计性实验，全面提高学生综合素质。为了作好材料力学实验，在进行实验时，需要注意下列事项：一、作好课前预习及准备工作课前预习，首先应明确实验的目的、原理和步骤，然后根据实验目的及设备条件初步确定进行实验的具体方法，例如实验时能加多大载荷，如何测量变形等。此外还需设计记录表格以备实验时记录数据之用。在进行实验时，要同时测量力与变形，因此，要小组集体完成实验，所

6、以实验时小组成员应分工明确，操作要相互协调，才能得到较好的实验结果。二、进行实验在正式开始实验前，要检查试验机测力度盘指针是否对准零点，变形仪是否安装稳妥，试件装置是否正确等。最后还应请指导教师检查，教师检查无误后方可开动机器。第一次加载，可不记录（不允许重复加载的除外），观察各部变化是否正常，如果正常再正式加载并开始记录。此时，记录者及操作者均许严肃认真，一丝不苟的进行实验。实验完毕，要查数据是否齐全，并注意清理设备，把借用的一起归还原处。三、对实验报告的要求材料力学实验报告应当包括以下基本容：1、实验名称、实验日期、当时的温度、实验者及组员。2、实验目的。3、实验设备：应注明所用之设备、仪

7、器、仪表的名称、型号、精度（或放大倍数）、量程等等。其它用具也要写清。4、实验数据处理：实验数据应列表表示，表格应填写清楚，注明测量单位。此外，还要注意仪器本身的精度和有效数字。5、计算：在材料力学实验中，用小型计算机或计算器及可。但需注意有效数字的运算法则。免得计算或记录过多的位数，浪费时间。在一般材料力学实验中，可选三位有效数字。在计算中，过用到的公式，均须注明列出，并注明公式中各种符号所代表的意义。6、结果的表示：在实验中对测得的数据进行整理并计算实验结果，需符合实验数据处理方法的要求，一般还要采用图表或曲线来表示实验的结果。曲线均应绘在方格纸上。图中应注明坐标系所代表的物理量和比例尺。

8、实验的坐标点应当用记号标出，例如，“”“”“”等等。当连接曲线时不要用直线逐点连接成折线，应当根据多数点的所在位置，描绘出光滑的曲线。7、讨论：在报告最后部分应当对实验结果举行分析，说明实验的优缺点，主要结果是否正确，并对误差加以分析，还要回答教师指定的思考题。目 录前 言（一）万能试验机（1）（二）拉伸实验（4）（三）压缩实验（9）（四）球铰式引申仪（11）（五）拉伸时金属材料弹性模量的测定（14）（六）扭转试验机（17）（七）扭转试验（22）（八）电阻应变仪操作练习（26）（九）纯弯梁正应力测定（28）（十）空心圆轴主应力测定（30）（十一）光弹性的演示实验（32）（十二）冲击试验（34）

9、（十三）疲劳实验（37）（十四）冷弯试验（41）38 / 41（一）万能试验机一、微机控制电子式万能试验机试验机采用调速精度高、性能稳定的交流伺服系统和交流伺服电机作为驱动系统。试验力测量围0-100kN，调速围0.005-500mm/min，测力分辨率为满量程围的0.001%。具有量程自动转换、实验过程力值实时显示、峰值保留等功能。该试验机实现了恒试验力、应力速率及恒变形、应变速率的闭环控制，具有实验过程控制模式智能设置专家系统。实现了试验力、位移、变形和试验曲线的屏幕显示，同时具备试验条件、试验结果的计算机存储和文件操作功能。试验机由三部分组成：加力部分、测力部分和记录、处理部分。如图1-

10、1所示。图1-1 微机控制电子式万能试验机试验机使用规程：1、点击winwdw图标进入应用程序界面，合上变压器，并点击遥控盒上的启动按钮。2、在软件的控制参数中选择是否用引申计，在数据处理参数设置中选择试验方法。3、建立试样信息。4、上夹紧试样，调节好下夹紧的位置（调节位置时用50mm/min的速度）。5、选择负荷档位（一般是100kN）负荷清零，峰值清零，然后再下夹紧。6、如用引伸计装上引伸计(变形选择12.5mm这个档位)，变形清零。7、选择试验速度（一般是2mm/min）点击开始，选择曲线种类。8、试样断裂后保存数据，点击试验分析，选择要计算的数据，打印报告。试验机注意事项：1、如果出现

11、紧急状况及时按下红色急停按钮。2、不管什么时候一定要先开软件再开主机，先关主机再关软件。二、液压式万能试验机（一）构造原理液压式万能试验机是最常用的一种试验机。类型很多，但一般只是外型不同，基本原理是一样的。其构造原理如图1-2所示。图1-2液压式万能试验机1加载部分在机器底座上，装有两个固定立柱，它支承着固定横头和工作油缸4。开动油泵电动机带动油泵工作，将油液从油箱经油管（）和送油阀进入工作油缸，从而推动工作油缸活塞、上横头7、活动立柱和活动台上升。若将试件两端装夹在上下夹头10和11中，因下夹头固定不动，当活动台上升时试件就承受拉力。若把试件放在活动台上、下垫板12之间，当活动台上升到试件

12、与上垫板接触时试件就承受压力。输油管路中的送油阀门用来控制进入工作油缸中的油量，以调节对试件加载的速度。加载时回油阀置于关闭位置。回油阀打开时，则可将工作油缸中的油液泄回油箱，活动台由于自重而下降，回到原始位置。如果拉伸试件的长度不同，可用下夹头电动机（或人力）转动底座中的蜗轮，使螺柱上下移动，调节下夹头位置。注意：当试件已经夹紧或受力时，不能再开动下夹头电动机，否则就要造成用下夹头对试件加载，以致损伤机件。活动台的行程对拉伸和压缩区间都有规定，使用者必须遵守。2 测力部分加载时，工作油缸中的油压推动活塞的力与试件所受的力成正比。如果用油管（2）将工作油缸和测力油缸14联通，此油压便推动测力活

13、塞15向下移动，使拉杆拉动摆锤16，使之绕支点转动而抬起，同时摆上的推杆便推动齿杆17，使齿轮和指针18旋转。指针的旋转角度与油压成正比，亦与试件上所加载荷成正比，因此，在测力度盘19上，便可读出试件受力的大小。如果增加或减少摆锤的重量，指针虽然旋转同一角度，但所需的油压不同。这说明指针虽在同一位置，但所示出的载荷大小与摆锤的重量有关。一般试验机可以更换三种摆锤它相应地有三种刻度的测力度盘，分别表示三种测力围。例如WE-600型（图1）万能试验机有三种度盘，分别为0120KN、0300KN、0600KN。实验时，为了保证测量载荷的精度，要根据试件事先估算的载荷大小来选择合宜的测力度盘，并在摆杆

14、上放置相应重量的锤重。通常摆锤由大到小编为A、B、C三种。加载前，应调整测力指针对准度盘上的零点。方法是开动油泵电动机送油，将活动台升起10mm左右，然后移动摆杆上的平衡铊20，使摆杆达到铅垂位置。再旋转度盘（或转动齿杆）使指针对准零点。这样做是为了消除上横头，活动立柱和活动台等部件的重量，因为这部分重量不应计入到试件所受的载荷上去。（二）操作步骤及注意事项1操作步骤（1）检查油路上各阀门是否处于关闭位置；换上与试件相匹配的夹头；保险开关应当有效。（2）根据所需最大载荷，选择测力度盘，装上相应的重锤。调整缓冲器。缓冲器的作用是保证在卸载时或者试件断裂时使摆锤缓慢回落，避免撞坏机身。（3）装好自

15、动绘图器的传动装置、笔和纸等。（4）开动油泵电动机，检查运转是否正常。然后打开送油阀门，向工作油缸中缓慢输油。待活动台上升10mm左右，将送油阀关到最小，旋转齿杆使测力指针和随动指针对准零点。加载时，测力指针带动随动指针一起转动；当卸载或试件断裂时测力指针迅速退回，而随动指针则停留不动，示出卸载时或断裂时的最大载荷值。（5）安装试件。压缩试件必须放置在下垫板的中心位置上拉伸试件则须调整下夹头位置，使上、下夹头之间距离与试件长度相适应，再将试件夹紧。试件夹紧之后，就不能再调整下夹头了。（6）实验完毕，关闭送油阀，并立即停车。然后取下试件（有时要在泄油之后，再取下试件，例如非断裂实验）。缓慢打开回

16、油阀，将油液泄回油箱，使活动台回到原始位置，并使一切机构复原。2注意事项（） 开车前或停车后送油阀一定要置于关闭位置。加载、卸载和回油均须缓慢进行。（） 拉伸试件夹住后，不得再调整下夹头的位置。（） 机器开动时，操作者不得擅自离开。实验过程中不得触动摆锤。（） 使用时，听见异声或发生任何故障应立即停车。（二）拉伸实验一、实验目的1、测定低碳钢拉伸时的屈服极限，强度极限，延伸率和截面收缩率，测定铸铁拉伸时的强度极限。2、观察拉伸过程中的各种现象，并绘制拉伸图。比较低碳(塑性材料)与铸铁(脆性材料)机械性质的特点。二、实验设备液压式万能试验机，划线机和游标卡尺。三、实验原理试件可制成圆形截面。图形

17、截面试件如图2-1所示。试件中段用于测量拉伸变形，此段的长度称为“标距”。两端较粗的部分是头部，为了装入试验机夹头中传递拉力之用。试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果均有所影响，为了避免这种影响，便于各种材料机械性质的数值能互相比较，所以对试件的尺寸和形状，国家给定出统一规定。根据国家标准金属拉伸试验试样GB6397-86，拉伸试样分为比例试样(图2-1)和定标距两种。比例试件是指标距长度与横截面积间具有下列关系的试件。式中系数K通常为5.65和11.3，前者为短试件，后者称为长试件。因此，直径为的短、长圆形试件中的标距长度分别等于5和10。拉伸试验方法采用国家标准金属拉伸试验方法GB228-

18、87。图2-1圆形截面试件试验时，利用试验机的自动绘制图器可绘出低碳钢的拉伸图(图2-2)和铸铁的拉伸图(图2-4)。应当指出，绘图器绘出的拉伸变形是整个试件(不只是标距部分)的伸长，还包括机器本身的弹性变形和试件在夹头的滑动等。试件开始受力时，头部在夹头的滑动较大，故绘出的拉伸图(图2-2)最初是一段曲线。对于低碳钢，弹性阶段(O-A)呈直线段，载荷和变形成正比关系，虎克定律在此阶段使用。屈服阶段(B-C)常呈锯齿形。上屈服点B受变形速度和试件的形状等因素的影响较大，而下屈服点B则比较稳定，故工程上常以下屈服点对应的载荷作为材料屈服时的载荷Ps。确定屈服载荷Ps时，必查读数表盘上测力指针的转

19、动情况。材料在屈服阶段，载荷在某一围（B-C） 上下波动，但变形较大。一般规定测力指针回转后所指示的最小载荷为屈服载荷Ps。强化阶段(C-D) ，此阶段载荷和变形都逐渐增加。试件拉伸达到最大载荷Ps以前，在标距围变形是均匀的。当达到最大载荷Pb 时，测力指针开始后退，而随动指针则停留在载荷最大值的刻度上，归除的读数即为最大载荷Pb。颈缩阶段(D-E) ，以最撒载荷D 点开始，试件在某一个位置开始颈缩。细颈出现后，截面迅速减少，继续拉伸所需的载荷也随之变小，直至E 点断裂为止。时间断裂的两面各成凹凸状(图2-3) 。图2-2低碳钢拉伸图铸铁是脆性材料，试件在承受拉力变形极小时（图2-4），就达到

20、最大荷载Pb而突然发生断裂。它没有屈服和颈缩现象。其强度极限远小于低碳钢的强度极限。图2-3 低碳钢试件断后的断口图 图2-4铸铁拉伸图四、试验步骤1、试件准备为了便于观察标距围沿轴向的变形情况，用划线机在标距围每隔10mm（对长试件）或每隔5mm（对短试件）刻划一根线，将标距分成十格或（五格）。用游标卡尺测量低碳钢标距两端 及两种试件中间着三个横截面处的直径，在每一个横截面沿互相垂直的两个直径方向各测量一次取其平均值。用所测得的三个平均值得。用所测得三个平均值总最小的值计算试件的横截面积。计算时取三位有效数字。2、试验机准备根据低碳钢的强度极限和横截面积估计试件的最大载荷。根据最大载荷的大小

21、，选择合适的测力度盘。调整测力指针，对准零点，并使随动指针与之靠拢。同时调整好自动绘图器。3、安装试件先将试件只能状在试验机的夹头，在移动下夹头是其达到适当的位置，并把试件下端夹紧。4、检查及试车请教师检查以上步骤的完成情况，然后开动试验机，预加少量载荷（对应的应力不能超过材料的比例极限）后卸载回 “零” 点，以检查试验机工作是否正常。5、进行试验开动试验机使之缓慢匀速岁低碳钢试件加载。注意观察测力指针的转动 、自动绘制情况和相应试验现象。当测力指针不动或倒退时，说明材料开始屈服，记录屈服载荷Ps。试件端裂后停车，由随动指针读出最大载荷Pb，并记录下来。取下试件。将断裂试件的两段对齐并尽量靠拢

22、，用游标卡尺测量断裂标距段的长度 ;测量两端断口（颈缩）处的直径d1，应在互相垂直方向各测量 d1一次，取平均直径计算断口处横截面面积A1。铸铁试验，开动试验机，并使绘图器工作，直至试件断裂为止。停车，记录最大载荷Pb。6、结束工作取下试件和绘好的拉伸图。将试验机的一切机构复原。清理试验现场，将借用的仪器归还原处。五、试验结果的处理1、根据屈服载荷，及最大载荷计算屈服极限，强度极限。， 2、根据试验前后的标距长度及横截面面积计算延伸率及截面收缩率 。短 长比例试件的断后伸长率分别以符号、表示。若断口不在标距长度中三分之一区段，根据国家标准金属拉伸试验方法GB 228-87，需采用断口移中的方法

23、（即借计算机法将断口移至中间），以计算试件拉断后的标距长度。采用断口移中法时，试验前要将试件标距等份为十个格。试验后将拉断的试件断口对紧，见图2-5。以断口O为起点，在长段上取基本等于短段的格数的 B点，当长段所余格数为偶数时（图2-5），然后量取长段所余格数的一半得出C 点，将BC 段长度移到试左端，则移位后的为：图2-5断口移中在长段上取基本等于短段格数的B 点后，若长段所余格数为奇数是（图2-5b）可在长段上量取所余格数减1后加1的一半，的C 点和C1点，移位后的分别为：和为什么要将断口移中呢？这是因为断口靠近试两端时，在断裂试件的较短一段上，必将受到试头部较粗部分的影响，而降低颈缩部分

24、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。六、思考题1、低碳钢拉伸图大致可分为几个阶段？每个阶段中力和变形有什么关系？2、试比较低碳钢和铸铁的拉伸机械性质？3、试从不同的断口特征说明金属的两种基本破坏形式。4、什么叫比例试件，它应满足什么要求?（三）压缩实验一、实验目的1、测定压缩时低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限。2、观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象，并进行比较，绘制压缩图。二、实验设备冲压式万能试验机，游标卡尺。三、实验原理低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成图圆柱形（图3-1）。图3-1压缩试件 图3-2压缩时试件端面的摩擦力当试件承受

25、压缩时，其上下两端面与试验机上、下垫板之间产生很大的摩擦力（图3-2），这些摩擦力阻碍试件上部和下部的横向变形。若在试件两端涂以润滑剂，就可以减少摩擦力，试件的抗压能力将会有所降低。当试件的高度相对增加时，摩擦力对试件中部的影响将有所减少，因此抗压能力与试件的高度ho和直径do的比值ho/do有关。例如这一比值愈大，铸铁的强度极限就愈小。由此可见，压缩条件是有条件的。在相同的实验条件下，才能对不同的材料压缩性能进行比较。金属材料压缩破坏试验所用的试件，根据国家标准金属压缩试验方法GB731487的规定：ho=（12）do为了尽量使试件承受轴向压力，试件两端面必须完全平行，并且与试件轴线保持垂直

26、。其端面还应制作得光滑，以减少摩擦力的影响。试验时，利用自动绘图器，绘出低碳钢压缩图（图3-3）和铸铁压缩图（图3-4）。在低碳钢压缩图中，在开始出现变形增长较快的非线性小段时，表示到了屈服载荷Ps。但是这时并不像拉伸那样有明显的屈服阶段。此后，压缩图沿曲线继续上升，这是因为塑性变形迅速增长，试件横截面面积也随之增大，而增大的面积能承受更大的载荷。因此，在压缩试验中测定Ps时要特别小心观察。在缓慢均匀加载下，测力指针等速转动，当材料发生屈服时，测力指针转动将减慢，这时对应的载荷即为屈服载荷Ps由于指针转动速度的减慢不十分明显，故常要借助绘图器上绘出的压缩图来判断Ps到达的时刻。低碳钢试件最后可

27、压成状而不破裂，所以无法求出最大载荷及其强度极限。图3-3低碳钢压缩图 图3-4铸铁压缩图图3-5铸铁试件破坏图铸铁试件作压缩实验时，在达到最大载荷Pb前要出现较大的塑性变形后才发生断裂，此时测力指针迅速倒退，由随动指针可读出最大载荷Pb值。铸铁试件最后被压成鼓形（图3-5），表面发现与试件轴线大约成45左右的倾斜裂纹，破坏主要是由剪应力引起的。四、实验步骤1、试件准备用游标卡尺测量试件的高度和试件两端及中部三处横截面的直径，取三径中最小一处的平均直径来计算横截面面积。根据材料的极限估算载荷的大小。2、试验机准备选择测力度盘。调整指针，对准零点，并调整自动绘图器。3、安装试件将试件两端面涂以润

28、滑剂，然后准确的放在试验机下垫板的中心处。4、检查及试车试车时，空升试验机活动台，使试件随之上升，当上垫板接近试件时（注意勿使上垫板与试件接触受力），减慢活动台上升的速度，以避免急剧加载。同时使自动绘图器工作。在试件与上垫板接触受力后，用慢速预先加少量载荷，然后卸载接近零点，以检查试验机工作是否正常。5、进行试验缓慢均匀地加载，注意观察测力指针的转动情况和绘图纸上的压缩衅，以便及时而正确地测定低碳钢的屈服载荷PS和铸铁的强度载荷Pb，并记录下来。低碳钢超过屈服阶段后，继续加载。最后将试件压成鼓形即可停止，所加载荷不得超过测力度盘围。铸铁试件测出强度载荷后，随动指针倒回大约10kN（或听到破坏声

29、音）立即停车，以便观察铸铁破坏裂纹大约与轴线成45的破坏现象。6、结束工作取下试件和绘好的压缩图。将试验机的一切机构复原。清理试验现场，将借用的一起归还原处。五、实验结果的处理根据实验记录，计算出低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限， 式中，为试验前试件的横截面面积。六、思考题1、为什么铸铁试件在压缩时沿着与轴线大致成45的斜截面破坏？2、比较低碳钢拉伸与压缩的屈服极限。3、试分别比较低碳钢和铸铁在轴向拉伸和压缩下的力学性质。4、比较铸铁拉伸与压缩的强度极限。（四）球铰式引伸仪在材料力学实验中，无论是测定材料的力学性质和验证理论，或是进行实验应力分析，大都需要对试件加载并测量其一些表面点的变形，以

30、便确定他们的应力或其它的有关的量，例如弹性模量，试件的弹性变形极其微小，通常需要精密的量具才能进行测量，在力学实验中，称这种测量微小变形的仪器为引伸仪，它是材料力学实验中不可缺少的仪表。我们学习材料实验，必须了解引申仪的基本原理和使用方法。引伸仪由三个基本部分组成：（1）感受部分它是直接与试件表面接触，以感受试件变形的机构；（2）传递和放大部分他是把所感受到的变形加以放大的额机构；（3）指示部分它是指示或记录放大千分表后变形大小的机构。一、千分表千分表的用途很广，在材料力学实验中，常用它来测量位移。千分表的构造如（图4-1）所示，使用时将外壳上的杆顶套安装在变形传递架上，借助弹簧的作用，使能接

31、触紧密。当试件沿顶杆方向移动时，推动顶杆使杆上的平齿轮带动小齿轮，小齿轮与它同轴的大齿轮一起转动，最后使指针齿轮和指针旋转，经过这一系列的转动和放大，便在表盘上示出位移的大小。图4-1千分表一般千分表触头移动1mm时，大指针旋转一圈，每圈有100个分格，每格便代表1/100mm称作百分表，一般量程为510mm，还有更精密的，千分表触头移动1mm时，大指针旋转五圈，每圈有200个分格，每格便代表1/1000mm，称作千分表。测量时，顶杆与物体接触好后，可以用手旋转表盖使大指针对准“零”点。使用千分表时的注意事项如下：（1）使用时，应拿取外壳。不得随意推动顶杆，避免磨损精密机件，影响仪表精度。注意

32、保护触头，触头上不得有伤痕。（2）安装时，要使顶杆与被测物体移动的方向一致。并注意被测位移的正反方向和大小，以便调节杆顶，而使千分表有适宜的测量围。二、引伸仪将千分表安装在引伸仪的变形传递架上，便组成所示的球铰式引伸仪（图4-2），可以测量试件的线变形。图4-2球铰式引申仪外形图球铰式引伸仪的四个紧固螺钉是感受变形的螺钉，使用时把试件放在中心块的中心位置上，然后把四个紧固螺钉旋紧，把试件安装在实验机的上下夹头中。试件受力变形时，上标距叉试件上不动，下标距叉以球铰为中心，以接触螺钉为半径向下移动。在千分表上便可以读出变形的大小。仪器本身放大倍数是二倍，千分表放大倍数是1000倍，所以共放大200

33、0倍。引伸仪放大倍数和量程，一般都和仪器上的千分表一致。仪器可以更换不同长度的标距杆，以适应不同测量的要求。表式引伸仪的种类很多，但基本上都是利用千分表，附加一套变形传递架而构成。球铰式引伸仪使用时，注意事项如下： （1）取放仪器时，千分表盘千分表朝上，防止千分表脱落和摔伤。用后妥善的放入仪器盒。（2）不得任意旋转紧固螺钉，以免磨损螺钉的顶尖。不得任意推动顶杆。（3）妥善保护千分表，紧固千分表的螺钉千分表松紧程度应适当。过松时，千分表容易脱落；过紧时会影响顶杆的运动，造成误差。（4）安装后要检查固定试件的螺钉是否与试件接触的很好，卡紧力要适当。所拟测量的变形其大小不得超过仪器的量程。（五）拉伸

34、时金属材料弹性模量的测定一、实验目的在比例极限，验证虎克定律，并测定金属材料的弹性模量E。二、实验步骤液压式万能试验机或微机控制式电子万能试验机、球铰式引伸仪、游标卡尺。三、实验原理测定低碳钢的弹性模量时，应采用拉伸试验（试件为低碳钢拉伸试件）。低碳钢在比例极限服从虎克定理，其关系试为由此可得 （a）在试件上安装测量轴向伸长的球铰式引伸仪（图4-2），加载荷P即可从引伸仪侧得在引伸仪标距围的轴向伸长量，通过试（a）即可计算出低碳钢的弹性模量E。图5-1等量加载为了验证虎克定律和消除测量中可能产生的误差，一般采取增量法。所谓增量法，就是把欲加的最终载荷分成若干等份，逐级加载来测量试件的变形。设试

35、件横面面积为，引伸仪标距为，各级载荷增加量相同并等于，各级伸长增加量为（图5-1），则式（a）可改写为： （b）式中足标i为加载级数（i=1，2，n）。如果引伸仪读数直接表示，由于 （c）式中为每级引伸仪读数的增加量，K为引伸仪放大倍数，这样式（b）可改写为（d）这就是用增量法测弹性模量E的计算式。由实验可以发现：在各级载荷增量相等时，相应的由引伸仪测出的伸长增加量也基本相等，这就验证了虎克定律的正确性。由于实验开始时引伸仪机构间存在间隙，其紧固螺钉往往在试件表面上有微小的滑动，从而影响读数的正确性；同时为夹牢试件和消除试验机机构之间的空隙，必须加一定量的初载荷。按规定初载荷不小于2KN。在试

36、验前要拟订加载方案。拟订加载方案时根据上述要求，一般考虑以下几点：（1）由于在比例极限进行，故最大应力值不能超过比例极限，低碳钢一般取屈服极限的7080%。（2）最终载荷要与试验机的测力围相适应。（3）最终变形要与仪器量程相适应。（4）至少应有45级加载，每级加载应使引伸仪的读数有明显的变化。每次加载2KN，第一级可作为初读数。四、试验步骤 1试件准备 在试件的试验段围，测量试件三个横截面处的截面尺寸，取三个横截面面积的平均值作为试件的横截面面积。 2拟订加载方案 按上述方法拟订加载方案。3试验机准备根据最终载荷的大小，选用合适的测力度盘。调整测力指针，对准“零”点。4安装球铰式引伸仪小心正确

37、地把试件放在球铰式引伸仪中心快的中心位置上，把四个紧固螺钉旋紧，把试件装在试验机的上、下夹头中，然后把千分表安装在球铰式引伸仪上，把千分表调到待用状态。5检查及试车请教师检查以上步骤的完成情况开动试验机，预加载荷至接近最终载荷数值，然后卸载至初载荷以下（保持一小量载荷），以检验试验机及仪器是否处于正常状态。6进行试验加载至第一极载荷，记下此时引伸仪的读数。缓慢的逐级加载，每增加一级载荷，记录一次引伸仪读数。随时计算引伸仪先后两次读数的差值，借以判断工作是否正常。继续加载到最终载荷为止。请教师检查实验记录。五、试验结果的处理1计算每次伸长增加量以载荷P为纵坐标，伸长为横坐标，作 P-图。观察各点

38、是否近似在一条直线上，以验证虎克定律。作图时，应使用坐标纸，并选择合适的比例尺。2计算每次的弹性模量3计算弹性模量的平均值七、思考题1为什么要用等量加载法进行试验？2试件的尺寸和形状对测定弹性模量有无影响。3试验时为什么要加初载荷？（六）扭转试验机一、K-50型扭转试验机这种试验机采用机械传动加载，用摆锤式机构测扭矩。当摆锤重量不同时，有三个测力度盘，分别为0-98N.m，0-196N.m 0-490N.m，它适用于直径为10-25mm，长度为100-700mm的试件。图6-1 K-50型试验机图6-2 K-50型试验机传动系统试验机的外形见图6-1，其传动系统如图6-2所示。下面介绍它的有关

39、操作步骤。关于构造原理只结合着操作步骤作简单的操说明。1、操作步骤（1）检查试验机夹头1、2的形式与试件是否配合；测角度盘15和变速杆5应调到正确位置；检查制动绘图器17工作是否正常法。（2）根据试件所需的最大扭距，选择适宜的测力度盘12，并配置相应的摆锤13。（3）摆杆自由铅垂时，测力指针12应对准零点。否则，要松开度盘的螺母，转动度盘使指针对准零点，然后拧紧螺母。（4）安装试件，先将试件一端放在固定夹头之中，摇动调距手柄3，使活动夹头1沿水平导轴移动，待试件另一端插入活动夹头中时，再夹紧活动夹头。（5）加载手摇加载：将变速杆5放在“手摇”，的位置，摆动手摇柄6，带动变速箱中的轴等传动系统，

40、使传动主轴8、活动夹头1以及试件发生旋转。同时，试件另一端便带动与之相连的摆锤13，使它抬起，这样，试件便承受钮距作用产生扭转变形。摆锤力矩和试件随时均保持平衡状态。因此摆锤力矩就是试件所承受的扭距。摆锤在抬起时推动与测力度盘相连的齿杆，使齿杆带动指针转动，于是指针便在测力度盘12上指示出试件所受扭距的大小。电动加载:先将变速杆5放在”0.3r/min”或”1r/min”的标记处，这时轴上的两个齿轮之一，便通过滑键与轴联在一起。开动电动机10带动轴和等传动系统，对试件进行加载。（6）测扭转角。 转动主轴8除带动活动夹头外，在它的一端还装有一个测角度盘15。测角度盘上的测角指示杆16与试件的被动

41、端联动，因此指示杆在度盘上所指数值便是试件两端的相对扭转角。度盘最小刻度为1，因此只适用于测量大变形。测角度盘上还附有一个记数装置，可以指出试件扭转的总圈数，如欲记录试件直到扭断时的总圈数。则在发生断裂时应立即停车。（7）自动绘图。如果需要记录试验过程中扭距和扭转角的关系曲线，应在加载前调好自动绘图装器17的传动装置，图纸，笔夹由推动测力指针的齿轮带动，而图纸滚筒则与转动主轴8联动。这样随着试验的进行，笔尖便在图纸上画出M -曲线。曲线上各点的纵坐标为扭距，横坐标则为试件传动端的扭转角。但是试件一端的绝对扭转角。（8）试验完毕后停车，将一切机构复原，并清理机构。2、注意事项（1）机器运转时，操

42、作者不得擅自离开。听见异声或发生任何故障，应立即停车。（2）实验过程中，不得触动摆锤。（3）试件要夹紧，以免开车后打滑。装试件时，不要把夹头中的夹板座突出太多，以免脱落。（4）电动机加载时，要先取下手摇柄。如需要改变加载方法或速度，必须在停车后进行。二、NJ100B型扭转试验机此试验机采用直流电动机无极调速机械传动加载，可以正反两个方向施加扭距进行扭转试验，用电子自动平衡随动系统测取扭距。最大载荷扭距是1000N.m，有四个测力盘。分别是0100 N.m 0200 N.m 0500 N.m 01000 N.m。扭转速度为136/min和0360/min两个围。试件最长可达650mm。1、构造原

43、理外形如图6-3所示，测力原理如图6-4所示，两图中同一部件的代号相同。本实验机由加载机构，测力计，自动测图器组成。图6-3 NJ-100B型扭转试验机（1）加载机构1由六个滚动轴承支持在机座2的导轨上，它 左右自由滑动。加载时，操纵直流机2转动，经过减数箱4的减速，使夹头5转动对试件6施加钮距。转速由电表7指示出。（2）测力计。在测力计有杠杆测力系统，如图6-4所示。试件受扭后由夹头8传来扭距，使杠杆9逆时针旋转，通过A点将力传给变支点杠杆11(C支点和杠杆10是传递反向扭距用的)，使拉杆12有一压力P压在杠杆13左端的刀口D上。杠杆13则以B点为支点使右端跷起，推动差动变压器的铁心14移动

44、，发现一个电信号，经放大器15使伺服电机16转动，通过钢丝17拉动油陀18水平移动。当油陀移动到对支点B的力矩QS=Pr时，杠杆13达到平衡，恢复水平状态，差动变压器的铁心也恢复零位。此时差动变压器无信号输出，伺服电机16停止转动。由上述分析可知，扭距与油陀移动的距离成正比。 油陀的移动又通过钢丝带动滑轮19和指针20转动，这样在度盘21上便可指出试件所受的扭距的大小。（3）自动绘图器22由绘图笔23和滚筒24等组成。 绘图笔的移动量表示扭距的大小，它的移动是在滑轮19带动指针转动的同时，带动钢丝25使绘图笔水平移动。绘图滚筒的转动表示试件加力端夹头5的绝对转角，它的转动是有装在夹头5上的自整

45、角发送机26发出正比于转动的电信号，经放大器27放大后带动伺服电机28和整角变压器29。而使绘图滚筒转动。其转动量正比于试件的转角。2、操作步骤（1）检查实验机夹头的形式是否与试件相配合。将速度围开关30置于0360r/min处。调速电位器31置于零位。（2）根据所需要最大扭矩来转动量程选择钮32，选取相应的测力度盘。按下电源开关33，接通电源。转动调零选钮34，使指针对准领点。（3）装好自动绘图器的笔和纸，挂好传动齿轮35，打开绘图器开关36。（4）安装试件。先将试件的一端插入夹头8中，调整加载机构1做水平移动，使试件的另一端插入夹头5中后再给以夹紧。先夹紧8，再夹紧5。（5）加载。将加载开

46、关37”正”(或”反”)按下，逐渐增大调速电位器31的刻度值，操纵直流电动机3转动，对试件施加扭矩。（6）实验完毕，停车。取下试件，将机器复原并年个清理现场。图6-3 NJ-100B型扭转试验机原理示意图3、注意事项（1）施加扭矩后，禁止在转动量程选择旋钮32。（2）使用V型夹板夹斥试件时，必须尽量夹紧，以免实验过程中试件打滑。（3）机器运转时，操作者不得擅自离开。听见异声或发生任何故障应立即停车。三、TNS-DW型微机控制电子扭转试验机此试验机适用于金属、非金属及复合材料的扭转试验，可测扭矩、扭转角和切变模量。本机符合GB10128-88金属室温材料扭转试验方法的试验要求。全部实验操作可在试

47、验机上通过实验软件完成。实现实验数据的自动采集、存储、处理和显示，试验结果可由打印机输出。图6-4 TNS-DW型微机控制电子扭转试验机最大载荷扭距是500Nm，扭转速度为18720/min。双向实验方向，试验空间0650mm。1、结构特征及工作原理本机由机械、电气、计算机三大部分组成，见图6-4。（1）主机部分结构及工作原理 被动夹头装在扭矩传感器上，可随直线导轨移动。扭转试样装在两夹头间，伺服电机带动减速器转动使主动夹头旋转。有手动、自动两种加载试验方式。（2）电器及计算机部分电气部分由拖动系统和测量控制部分组成，计算机实现各种控制、显示、数据采集处理、曲线的绘制、试验结果储存、实时显示试

48、验曲线等。2、试验机的使用与操作（1）打开电源空气开关；（2）打开计算机，进入扭转试验界面；（3）打开手动控制盒上的伺服启动按钮，启动伺服控制系统。当在计算机上选择好试验速度时，按正、反转钮使主动夹头旋转（夹头逆时针旋转为正转，顺时针旋转为反转）。装夹好试样后即可进行试验。3、电子扭转计的安装针对试样直径更换电子扭转计相应的铜半套，调整两个顶尖使得电子扭转计两半圆的平面间隙接近于0.5mm以，安装扭转计时注意刀口带加长杆的一半装在被动夹头一端，用标距块定好试验标距并使电子扭转计刀口距离约为6mm左右，使得两刀口垂直向下时拧紧锁紧螺钉予以固定，装上引伸计。（七）扭转试验一、实验目的1、测定低碳钢

49、扭转时的剪切屈服极限，剪切强度极限和铸铁扭转时的剪切强度极限。2、观察低碳钢和铸铁扭转时的破坏现象，并绘制曲线。二实验设备K50型扭转试验机，NJ100B型扭转试验机，游标卡尺。三实验原理试件采用国家标准金属室温扭转试验方法GB10128-88的圆形试件。试件头部形状和尺寸应适合试验机夹头夹持。标距分别为50mm和100mm，直径为10mm。圆形试件承受扭距时，材料完全处于纯剪切应力状态，因此常用扭转试验来研究不同的材料在纯剪切作用下的机械性质。扭距在剪切比例以时，处于线弹性阶段（图7-1，OA）。当扭距达到一定数值时，试件横截面边缘出的剪应力开始达到剪切屈服极限，这时的扭距叫。在扭距超过后，

50、横截面上的剪应力不再是线性的（图7-2的右方两图）。在试件横截面的外部处，材料发生屈服形成环行塑性区，同时图变成曲线（图7-1，AB）。图7-1 低碳钢的曲线此后，随着试件继续扭转变形，塑性区不断向圆心扩展，曲线稍微上升，直至B点趋于平坦，测力盘上的指针几乎不动或摆动，指针摆动的最小值即是试件全部屈服所对应的扭距，这时塑性区占据了几乎全部截面（图7-2右图）。根据塑性理论剪切屈服极限，按下式计算：式中：为剪切屈服扭距，是试件的抗扭截面摸量。图7-2 低碳钢圆轴在不同扭矩下剪应力分布图试件再继续变形，材料进一步强化，到达曲线上的C点，试件发生断裂。由测力度盘上的随动指针读出最大扭距与上式相似，可

51、得：图7-3 铸铁的曲线 图7-4 纯剪应力状态铸铁的曲线如图7-3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：试件受扭，材料处于纯剪切应力状态图7-4。在与试件轴线成45角的螺旋面上，分别受到主应力，的作用。低碳钢的抗拉能力，剪应力先达到极限值，故从横截面剪断。而铸铁的抗拉能力小于抗剪能力，拉应力先达到极限值，故铸铁沿着与成正交的方向拉断。四、试验步骤1、试件准备在试件标距段用游标卡尺测量中间和两端的两个相互垂直方向的直径，取三处中最小的平均直径计算抗扭截面摸量。2、试验机准备根据试件的剪切强度极限估算，选择合适的测扭度盘。调整好测扭度盘指针，对准零点，并检查自动绘

52、图器。3、安装试件检查试验机夹头的型式是否与试件头部的型式相同。先将试件头部放在固定夹头中，把活动夹头调到与试件头部相适应的位置，使活动夹头水平移动，将试件头部插入活动夹头中后，预以夹紧。4、进行试验低碳钢试件受扭时，用慢速（或手摇装置）逐渐加载，应使自动绘图器也同时工作。当图开始由直线转变成曲线时，即表示扭距已达到。注意观察试验机扭距度盘上的指针，若它停止转动，即说明材料发生屈服，记录此时的扭距。经过屈服阶段后，即可快速加载直至剪断为止，停车。由随动指针读出最大扭距，并记录之。把铸铁试件装入试验机，使自动绘图器开始工作，加载直至试件断裂，由扭距度盘上的随动指针读出。5、结束工作实验完成后，将

53、试验机，工具和现场清理复原。五、试验结果的处理1、计算低碳钢屈服极限，剪切强度极限，2、计算铸铁的3、最后绘出两种材料的断口图形，并结实其断裂的原因。根据自动绘图器绘出图，比较两种材料的机械性质的 特点。六、思考题1、铸铁在压缩和扭转时，试件的断口都与轴线成45角，破坏原因是否相同？2、根据低碳钢和铸铁的拉伸，压缩和扭转三种试验结果，分析总结两种材料的机构性质。3、低碳钢抗剪能力差，为什么单向拉伸时不沿45方向剪断？（八）电阻应变仪操作练习一、实验目的1了解电测应力的原理及学习电测法的单点测量。2进行电阻应变仪的操作练习，熟悉操作规程及注意事项。、二、实验设备1、静态电阻应变仪，数字测力仪及拉

54、压力传感器。、2、组合材料力学实验台，悬臂梁装置。3、游标卡尺及钢板尺。三、实验原理实验前阅读“电测法基本原理”的容，了解应变仪的原理，操作步骤和注意事项。图8-1实验装置（图8-1）是一矩形截面悬臂梁。在距离右端为a 的截口处的上下表面沿梁轴方向各贴两组应变片R1、R3和R2、R4。用砝码加载后，根据弯曲理论，可知R1、R3和R2、R4分别产生压缩和拉伸变形，并且为单向应力状态。其应力值可按单向虎克定律来计算式中，E为材料拉压弹性模量。按等量0.98N增加载荷的办法，用电阻应变仪测定其相应的应力增量。四、实验步骤1、参观各种型号的应变片，了解贴片方法。2、熟悉电阻应变仪的使用规程和接线方法。

55、3、进行以下几项测量方法：（1）半桥温度补偿测量方法，以R1为工作片，接在应变仪A、B接线柱上。在B、C接线柱上接温度补偿片，如图82所示，测量R1的应变。（2）半桥互补测量，在A、B 接线柱上接工作片R1，B、C 接线柱上也接工作片R2，组成互相补偿温度的连接，如图83所示，测量R1的应变。因为R1、R2 的应变绝对值相同，所以互相补连接的读数为（3）全桥互补测量（简称全桥测量），在A、B，B、C，C、D，D、A接上工作片，称为全桥测量，如图84所示，因R1，R2，R3，R4在同一个截面上，R1，R3和R2，R4的应变绝对值相同，所以互补连接的读数为、（4）将应变值计算成应力值，比较不同接线方法的实验结果。 图8-2 图8-3图8-4五、注意事项1、严格遵守电阻应变仪的操作规程，缓慢旋转旋钮。2、更换测点导线头时，必须将电源开关旋至“BD”位置。六、思考题1、应变片标距的长短对测量结果有无影响？2、为什么要把温度补偿片贴在与构件相同的材料上？(九)纯弯梁正应力实验一、实验目的1、测量矩形截面梁在纯弯曲的正应力，并与理论公式进行比较，以验证弯曲正应力公式。2、学习电测法的多点测法。二、实验设备1、电阻应变仪，预调平衡箱，数字测力仪及拉压力传感器。2、组合材料力学实验台，纯弯梁装置。3、钢板尺及游标卡尺。三、实验原理纯弯曲梁实验装置如图9-1所示，梁在C