新大材料力学实验指导

PAGEPAGE61材料力学实验指导书新疆大学机械工程学院力学系2010．06第1章绪论1.1材料力学实验的目的材料力学实验是材料力学课程教学中的重要环节，是培养学生理论联系实际、独立思考以及创新能力的主要手段。通过材料力学实验环节，使学生掌握测定材料力学性能的基本方法、测量应变的电测法和实验应力分析的基本原理，并掌握相应仪器设备的使用方法。1.2

材料力学实验的内容一、材料的力学性能测定：材料的各项强度指标，如屈服极限、强度极限、持久极限以及材料的弹性性能，如比例极限、弹性模量等，都是设计中的基本参数和依据，而这些参数一般要通过实验来测定。随着材料科学的进展，各种新型合金材料、复合材料不断出现，研究合成每一种新型材料首要的任务也是力学性能的测定。二、验证已建立的理论：材料力学的一些理论是以假设为基础导出的，例如梁的弯曲理论就是以平面假设为基础的。用实验验证这些理论的正确性和适用范围，可加深对理论的认识和理解。对力学中新建立的理论和公式，必须要用实验来验证。三、应力分析的电测法：（全方位开放实验）电阻应变测量是工程中广泛使用的方法之一，可以测量材料常数，可以验证理论，特别对形状不规则、受力复杂没有理论解的物件，可用此方法来测定其应变，应力值。用电测法可开发许多设计性实验、综合性实验，为学生创造性学习提供广阔空间。四、近代力学实验方法简介、演示：主要有光弹性法、全息干涉法、云纹法、散班干涉法。以上内容可根据学时及专业的不同有所选择。1.3

实验方法和要求测定材料在拉伸、压缩、剪切和扭转时力学性能的原理，电测法原理，实验应力分析原理，位移测量原理，功的互等定理等。按照实验指导书和任课教师介绍的方法完成课内各项实验内容，客观认真地将实验数据填入实验报告，对不合理的实验结果需重测或补测。每次实验结束离开实验室前，实验报告须交实验指导教师审核、签名。实验数据应及时整理，并交任课教师批改，以便进行考核和评分。第2章材料力学试验设备介绍常用试验机材料试验机是力学性能测试最基本最重要的实验设备。试验机最基本的功能是对试件施加载荷并测定材料在试验载荷下的力学性能。根据施加载荷的类型,试验机可分为拉力、压力、扭转、冲击和疲劳等试验机,根据所加载荷的性质,又可分为静态试验机和动态试验机。一、微机控制电子万能试验机1．电子万能试验机工作原理电子万能试验机是采用电子装置对载荷和试件的变形及横梁的位移进行精确的控制、测量、自动显示和自动记录,如配备了计算机,则可以进行程序控制并对试验结果进行处理;它采用伺服电机和机械传动系统对试件加载,有准确的加载速度和宽的速度范围(0.05~500mm/min),如将负荷测量、变形测量、速度控制、函数发生器及机械传动系统构成闭环系统,则能实现恒载荷、恒应变等各种控制方式。其工作原理图如图2-1所示：图2-1电子万能试验机工作原理图微机控制电子万能试验机图2-2微机控制电子万能试验机图2-3金属拉伸试验图2-4微机控制液压万能试验机试验机主机外观图CMT5000电子万能试验机的拉伸、压缩和弯曲是在同一个加载空间。1．CMT5000微机控制电子万能试验机，最大负荷100KN，由深圳新三思材料检测有限公司生产。2．CHT4000微机控制电液伺服万能试验机，最大负荷试验机主机外观图CMT5000电子万能试验机的拉伸、压缩和弯曲是在同一个加载空间。电机电源横梁上升下降控制拉伸夹头钳口，分圆试样钳口和板试样钳口两种试件夹持旋紧手柄电机电源横梁上升下降控制拉伸夹头钳口，分圆试样钳口和板试样钳口两种试件夹持旋紧手柄图2-5试验机主机外观图CMT5000CMT5000控制软件流程图主功能界面存储文件试验参数设置试验操作曲线观察打印数据分析GO主功能界面存储文件试验参数设置试验操作曲线观察打印数据分析GO打开文件图2-62．微机控制电子试验机使用说明试验机由主机、控制台和微机三个部分组成。控制台是试验机的控制中心和试验信号处理中心。不使用计算机，试验机仍然可以控制和操作。使用方法：①.选择负荷衰减档，1档为100KN；按[清零]键使载荷显示清零和电标定。②.从0.5~500mm/min的横梁移动速度可以按键选择。[¸10]键灯亮表示设定速度值衰减10倍。使用计算机控制软件时，自动设定使[¸10]键灯亮，速度衰减10倍。③.[上升][下降][停止]为控制功能键，控制横梁按设定速度移动活动横梁上升、下降或停止。④.横梁位移显示可随时清零。⑤.如有必要，可安装X－Y记录仪记录试验曲线。3．控制软件介绍①.点击本软件，打开测量显示窗口如图1所示；图2-7测量显示窗口图2-8试验方案图2-9用户参数向导图2-10报告输出②.选择试验方案图2，用户对各个试验进行个性化设置；③.选择用户参数向导图3，用户通过此向导添加自己需要的参数；④.程序还具有Excel数据处理、试验结果调整、联机设置、线性修正、曲线放大等功能；⑤.最后进行报告输出图4。二、微机控制扭转试验机微机控制扭转试验机性能：1、满足GB10128-1988《金属室温扭转试验方法》的要求。2、采用进口交流伺服电机提供动力，通过进口全数字交流伺服器控制，使速度控制精度更高，并且传动效率高、噪音低，运动平稳。3、通过对原“SANS”电气控制系统的改进，使电气控制系统不但保持了原有设计的优点，同时更加适应扭转机的要求，使用和操作更加方便。4、在国内首家采用扭矩测量120000码，全程不分档技术，使测量全程的分辨率不变。5、扭转角测量通过光电编码器实现。不但消除了温漂、零漂的影响，同时，通过四倍频技术，使测量精度更高。扭转角测量的最小精度为0.006°。6、速度无级可调，并可根据试验要求设置多段试验速度。7、可以正反施加扭矩。8、主动夹头具有自动对中装置，避免了试验前，两夹头对中的麻烦。9、具有试样保护功能，彻底消除了试样在夹持时的初夹力，使试验更加准确。10、被动夹头轴向移动灵活阻力小。同时通过特有的间隙调整机构，使被动夹头在受力时其倾翻间隙为0。11、特有的扭转试验软件，各种单位可以设置并转换，使用更加方便。12、善的小键盘操作功能。在计算机上设定好试验方案后，除试验数据处理外，其余工作都可以通过小键盘操作，避免了操作人员在计算机和机器之间的来回奔波，减轻了工作强度。图2-11微机控制扭转试验机三、电阻应变测量仪器YJ-31型静态电阻应变仪图2-12；YJ-25型数字静态应变仪图2-13YD-15型动态应变仪图2-14图2-12YJ-31型静态电阻应变仪图2-13YJ-25型数字静态应变仪图2-14YD-15型动态应变仪图2-15矩形截面梁实验装置四、其他仪器1．常用引伸计：引伸计是感受试件变形的传感器。应变计式的引伸计由于原理简单、安装方便，目前是广泛使用的一种类型。引伸计按测量对象，可分为轴向引伸计、横向引伸计、夹式引伸计。图2-16轴向引伸计图2-17夹式引伸计2．引伸计的主要组成和原理应变片、变形传递杆、弹性元件、限位标距杆、刀刃和夹紧弹簧等。测量变形时,将引伸计装卡于试件上,刀刃与试件接触而感受两刀刃间距内的伸长,通过变形杆使弹性元件产生应变,应变片将其转换为电阻变化量,再用适当的测量放大电路转换为电压信号.图2-18引伸仪工作框图图2-19游标卡尺传感器标定装置图2-20引伸计标定装置－位移标定器图2-21载荷传感器标定装置－测力计常用电阻片如图2-22所示试件如图2-23所示，长试件L=10d短试件L-5d。图2-23拉伸及扭转试验试件图2-22电阻片第3章材料的力学性能试验工程材料具有各种不同的使用性能，如化学性能、物理性能、力学性能。对于用于各种工程结构和机器零件的结构材料来说最重要的是力学性能。力学性能是指材料在外加载荷与环境因素联合作用下所表现的行为，也就是材料抵抗外加载荷引起变形和断裂的能力。材料的力学性能试验是工程中广泛应用的一种试验，它为机械制造、土木工程、冶金及其它各种工业部门提供可靠的材料的力学性能参数，便于合理地使用材料，保证机器（结构）及其零件（构件）的安全工作。研究材料力学性能的基本方法是按照国家标准、在规定的条件下进行试验。3.1拉伸试验拉伸实验是最基本的实验。通过拉伸试验可以观察材料在外加轴向载荷作用下的变形过程、断裂过程及断裂形式，研究载荷与变形的关系，测定材料常用力学性能指标。一、实验目的1.验证胡克定律，测定低碳钢的弹性常数：弹性模量。2.测定低碳钢拉伸时的强度性能指标：屈服应力和抗拉强度。3.测定低碳钢拉伸时的塑性性能指标：伸长率和断面收缩率。4.测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标：抗拉强度。5.绘制低碳钢和灰铸铁的拉伸图，比较低碳钢与灰铸铁在拉伸时的力学性能和破坏形式。二、实验设备和仪器1.微机控制电子万能试验机。2.引伸仪。3.游标卡尺。三、实验试样按照国家标准GB6397—86《金属拉伸试验试样》，金属拉伸试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样、矩形截面试样、异形截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。其中最常用的是圆形截面试样和矩形截面试样。如图3-1所示，圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹持三部分组成。平行部分的试验段长度称为试样的标距，按试样的标距与横截面面积之间的关系，分为比例试样和定标距试样。圆形截面比例试样通常取或，矩形截面比例试样通常取或，其中，前者称为长比例试样（简称长试样），后者称为短比例试样（简称短试样）。定标距试样的与之间无上述比例关系。过渡部分以圆弧与平行部分光滑地连接，以保证试样断裂时的断口在平行部分。夹持部分稍大，其形状和尺寸根据试样大小、材料特性、试验目的以及万能试验机的夹具结构进行设计。对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准GB6397—86。（a）（b）图3-1拉伸试样（a）圆形截面试样；（b）矩形截面试样四、实验原理与方法1.测定低碳钢的弹性常数实验时，先把试样安装在万能试验机上，再在试样的中部装上引伸仪，并将指针调整到0，用于测量试样中部长度（引伸仪两刀刃间的距离）内的微小变形。开动万能试验机，预加一定的初载荷（可取），同时读取引伸仪的初读数。为了验证载荷与变形之间成正比的关系，在弹性范围内（根据求出的最大弹性载荷不超过）采用等量逐级加载方法，每次递加同样大小的载荷增量（可选），在引伸仪上读取相应的变形量。若每次的变形增量大致相等，则说明载荷与变形成正比关系，即验证了胡克定律。弹性模量可按下式算出式中：为载荷增量；为试样的横截面面积；为引伸仪的标距（即引伸仪两刀刃间的距离）；为在载荷坛量下由引伸仪测出的试样变形增量平均值。2.测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标弹性模量测定完后，将载荷卸去，取下引伸仪，调整好万能试验机的自动绘图装置，再次缓慢加载直至试样拉断，以测出低碳钢在拉伸时的力学性能。（1）强度性能指标屈服应力（屈服点）——试样在拉伸过程中载荷不增加而试样仍能继续产生变形时的载荷（即屈服载荷）除以原始横截面面积所得的应力值，即抗拉强度——试样在拉断前所承受的最大载荷除以原始横截面面积所得的应力值，即低碳钢是具有明显屈服现象的塑性材料，在均匀缓慢的加载过程中，当万能试验机测力盘上的主动指针发生回转时所指示的最小载荷（下屈服载荷）即为屈服载荷。试样超过屈服载荷后，再继续缓慢加载直至试样被拉断，万能试验机的从动指针所指示的最大载荷即为极限载荷。当载荷达到最大载荷后，主动指针将缓慢退回，此时可以看到，在试样的某一部位局部变形加快，出现颈缩现象，随后试样很快被拉断。（2）塑性性能指标伸长率——拉断后的试样标距部分所增加的长度与原始标距长度的百分比，即式中：为试样的原始标距；为将拉断的试样对接起来后两标点之间的距离。试样的塑性变形集中产生在颈缩处，并向两边逐渐减小。因此，断口的位置不同，标距部分的塑性伸长也不同。若断口在试样的中部，发生严重塑性变形的颈缩段全部在标距长度内，标距长度就有较大的塑性伸长量；若断口距标距端很近，则发生严重塑性变形的颈缩段只有一部分在标距长度内，另一部分在标距长度外，在这种情况下，标距长度的塑性伸长量就小。因此，断口的位置对所测得的伸长率有影响。为了避免这种影响，国家标准GB228—87对的测定作了如下规定。试验前，将试样的标距分成十等分。若断口到邻近标距端的距离大于，则可直接测量标距两端点之间的距离作为。若断口到邻近标距端的距离小于或等于，则应采用移位法（亦称为补偿法或断口移中法）测定：在长段上从断口点起，取长度基本上等于短段格数的一段，得到点，再由点起，取等于长段剩余格数（偶数）的一半得到点（见图3-2（a））；或取剩余格数（奇数）减1与加1的一半分别得到点与点（见图3-2（b））。移位后的分别为：或。测量时，两段在断口处应紧密对接，尽量使两段的轴线在一条直线上。若在断口处形成缝隙，则此缝隙应计入内。如果断口在标距以外，或者虽在标距之内，但距标距端点的距离小于，则试验无效。（a）（b）图3-2测的移位法断面收缩率——拉断后的试样在断裂处的最小横截面面积的缩减量与原始横截面面积的百分比，即式中：为试样的原始横截面面积；为拉断后的试样在断口处的最小横截面面积。3.测定灰铸铁拉伸时强度性能指标灰铸铁在拉伸过程中，当变形很小时就会断裂，万能试验机的指针所指示的最大载荷除以原始横截面面积所得的应力值即为抗拉强度，即五、实验步骤1.测定低碳钢的弹性常数（1）测量试样的尺寸。（2）先将低碳钢的拉伸试样安装在万能试验机上，再把引伸仪安装在试样的中部，并将指针调零。（3）按等量逐级加载法均匀缓慢加载，读取引伸仪的读数。2.测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标（1）将试样打上标距点，并刻画上间隔为或的分格线。（2）在试样标距范围内的中间以及两标距点的内侧附近，分别用游标卡尺在相互垂直方向上测取试样直径的平均值为试样在该处的直径，取三者中的最小值作为计算直径。（3）把试样安装在万能试验机的上、下夹头之间，估算试样的最大载荷，选择相应的测力盘，配置好相应的摆锤，调整测力指针，使之对准“0”点，将从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。（4）开动万能试验机，匀速缓慢加载，观察试样的屈服现象和颈缩现象，直至试样被拉断为止，并分别记录下主动指针回转时的最小载荷和从动指针所停留位置的最大载荷。（5）取下拉断后的试样，将断口吻合压紧，用游标卡尺量取断口处的最小直径和两标点之间的距离。3.测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标（1）测量试样的尺寸。（2）把试样安装在万能试验机的上、下夹头之间，估算试样的最大载荷，选择相应的测力盘，配置好相应的摆锤。调整测力指针，使之对准“0”点，将从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。（3）开动万能试验机，匀速缓慢加载直至试样被拉断为止，记录下从动指针所停留位置的最大载荷。六、实验数据的记录与计算1.测定低碳钢的弹性常数表3-1测定低碳钢的弹性模量试验的数据记录与计算试样尺寸：直径引伸仪参数：标距放大倍数变形/格载荷/第一次第二次读数增量引伸仪读数n增量引伸仪读数n增量增量均值增量均值格增量均值格试样在引伸仪标距内伸长的平均值弹性模量2.测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标表3-2测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标试验的数据记录与计算试样尺寸实验数据实验前：标距直径实验后：标距最小直径屈服载荷最大载荷屈服应力抗拉强度伸长率断面收缩率拉断后的试样草图试样的拉伸图3.测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标表3-3测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标试验的数据记录与计算试样尺寸实验数据实验前：直径最大载荷抗拉强度拉断后的试样草图试样的拉伸图4.拉伸试验结果的计算精确度（1）强度性能指标（屈服应力和抗拉强度）的计算精度要求为，即：凡＜的数值舍去，≥而＜的数值化为，≥的数值者则进为。（2）塑性性能指标（伸长率和断面收缩率）的计算精度要求为，即：凡＜的数值舍去，≥而＜的数值化为，≥的数值则进为。七、注意事项1.实验时必须严格遵守实验设备和仪器的各项操作规程，严禁开“快速”档加载。开动万能试验机后，操作者不得离开工作岗位，实验中如发生故障应立即停机。2.引伸仪系精密仪器，使用时须谨慎小心，不要用手触动指针和杠杆。安装时不能卡得太松，以防实验中脱落摔坏；也不能卡得太紧，以防刀刃损伤造成测量误差。3.加载时速度要均匀缓慢，防止冲击。八、思考题1.低碳钢和灰铸铁在常温静载拉伸时的力学性能和破坏形式有何异同？2.测定材料的力学性能有何实用价值？3.你认为产生试验结果误差的因素有哪些？应如何避免或减小其影响？3．2压缩试验一、实验目的1.测定低碳钢压缩时的强度性能指标：屈服应力。2.测定灰铸铁压缩时的强度性能指标：抗压强度。3.绘制低碳钢和灰铸铁的压缩图，比较低碳钢与灰铸铁在压缩时的变形特点和破坏形式。二、实验设备和仪器1.微机控制电子万能材料试验机。2.游标卡尺。三、实验试样按照国家标准GB7314—87《金属压缩试验方法》，金属压缩试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆柱体试样、正方形柱体试样和板状试样三种。其中最常用的是圆柱体试样和正方形柱体试样，如图3-3所示。根据试验的目的，对试样的标距作如下规定：的试样仅适用于测定；（或）的试样适用于测定、和；（或）的试样适用于测定和。其中（或）。（a）（b）图3-3压缩试样（a）圆柱体试样；（b）正方形柱体试样对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准GB6397—86。四、实验原理与方法1.测定低碳钢压缩时的强度性能指标低碳钢在压缩过程中，当应力小于屈服应力时，其变形情况与拉伸时基本相同。当达到屈服应力后，试样产生塑性变形，随着压力的继续增加，试样的横截面面积不断变大直至被压扁。故只能测其屈服载荷，屈服应力为式中：为试样的原始横载面面积。2.测定灰铸铁压缩时的强度性能指标灰铸铁在压缩过程中，当试样的变形很小时即发生破坏，故只能测其破坏时的最大载荷，抗压强度为五、实验步骤1.检查试样两端面的光洁度和平行度，并涂上润滑油。用游标卡尺在试样的中间截面相互垂直的方向上各测量一次直径，取其平均值作为计算直径。2.估算试样的最大载荷，选择相应的测力盘，配置好相应的摆锤。调整测力指针，使之对准“0”，将从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。3.检查球形承垫与承垫是否符合要求。4.将试样放进万能试验机的上、下承垫之间，并检查对中情况。5.开动万能试验机，均匀缓慢加载，注意读取低碳钢的屈服载荷和灰铸铁的最大载荷，并注意观察试样的变形现象。六、实验数据的记录与计算表3-4测定低碳钢和灰铸铁压缩时的强度性能指标试验的数据记录与计算材料试样直径实验数据实验后的试样草图试样的压缩图低碳钢屈服载荷屈服应力灰铸铁最大载荷抗压强度七、思考题1.比较低碳钢和灰铸铁在拉伸与压缩时所测得的和的数值有何差别？2.仔细观察灰铸铁的破坏形式并分析破坏原因。3．3剪切试验一、实验目的1.测定低碳钢剪切时的强度性能指标：抗切强度。2.测定灰铸铁剪切时的强度性能指标：抗切强度。3.比较低碳钢和灰铸铁的剪切破坏形式。二、实验设备和仪器1.万能材料试验机。2.剪切器。3.游标卡尺。三、实验试样常用的剪切试样为圆形截面试样。四、实验原理与方法把试样安装在剪切器内，用万能试验机对剪切器的剪切刀刃施加载荷，则试样上有两个横截面受剪，如图3-4所示。随着载荷的增加，剪切面上的材料经过弹性、屈服等阶段，最后沿剪切面被剪断。图3-4剪切器的原理用万能试验机可以测得试样被剪坏时的最大载荷，抗切强度为式中：为试样的原始横截面面积。从被剪坏的低碳钢试样可以看到，剪断面已不再是圆，说明试样尚受到挤压应力的作用。同时，还可以看出中间一段略有弯曲，表明试样承受的不是单纯的剪切变形式，这与工程中使用的螺栓、铆钉、销钉、键等联接件的受力情况相同，故所测得的有实用价值。五、实验步骤1.测量试样的直径（与拉伸试验的测量方法相同）。2.估算试样的最大载荷，选择相应的测力盘，配置好相应的摆锤。调整测力指针，使之对准“0”，将从动指针与之靠拢。3.将试样装入剪切器中。4.把剪切器放到万能试验机的压缩区间内。5.均匀缓慢加载直至试样被剪断，读取最大载荷，取下试样，观察破坏现象。六、实验数据的记录与计算表3-5测定低碳钢和灰铸铁剪切时的强度性能指标试验的数据记录与计算材料试样直径d/最大载荷/抗切强度/低碳钢灰铸铁七、思考题1.比较低碳钢和灰铸铁被剪断后的试样，分析破坏原因。3．4扭转试验一、实验目的1.验证剪切胡克定律，测定低碳钢的弹性常数：切变模量。2.测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力和抗扭强度。3.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度。4.绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。二、实验设备和仪器1.扭转试验机。2.扭角仪。3.游标卡尺。三、实验试样按照国家标准GB10128—88《金属室温扭转试验方法》，金属扭转试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样和管形截面试样两种。其中最常用的是圆形截面试样，如图3-1a所示。通常，圆形截面试样的直径，标距或，平行部分的长度为。若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB10128—88。四、实验原理与方法1.测定低碳钢的弹性常数为了验证剪切胡克定律，在弹性范围内，采用等量逐级加载法。试验装置如图3-5所示，将试样安装在扭角仪上，每次增加同样的扭矩，若扭转角也基本相等，即验证了剪切胡克定律。图3-5扭角仪根据扭矩增量的平均值，测得的扭转角增量的平均值，由此可得到切变模量式中：为试样的标距；为试样在标距内横截面的极惯性矩；为试样的直径。若载荷增量的平均值为，则扭矩增量的平均值为，若测量点的位移增量平均值为，则扭转角增量的平均值为，将这些关系式代入上式，即得式中：为载荷力臂；为测量力臂。2.测定低碳钢扭转时的强度性能指标试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩，低碳钢的扭转屈服应力为式中：为试样在标距内的抗扭截面系数。在测出屈服扭矩后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩，低碳钢的抗扭强度为对上述两公式的来源说明如下：低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的图如图3-6所示。当达到图中点时，与成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力，如能测得此时相应的外力偶矩，如图3-7a所示，则扭转屈服应力为经过点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图3-7b所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图3-7c所示的情况，对应的扭矩为图3-6低碳钢的扭转图（a）（b）（c）图3-7低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布（a）；（b）；（c）由于，因此，由上式可以得到无论从测矩盘上指针前进的情况，还是从自动绘图装置所绘出的曲线来看，点的位置不易精确判定，而点的位置则较为明显。因此，一般均根据由点测定的来求扭转切应力。当然这种计算方法也有缺陷，只有当实际的应力分布与图3-7c完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料差异是比较大的。从图3-6可以看出，当外力偶矩超过后，扭转角增加很快，而外力偶矩增加很小，近似于一条直线。因此，可认为横截面上的切应力分布如图3-7c所示，只是切应力值比大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩，可求得抗扭强度为3.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩（方法同2），抗扭强度为由上述扭转破坏的试样可以看出：低碳钢试样的断口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成角，表明破坏是由拉应力引起的。五、实验步骤1.测定低碳钢的弹性常数（1）调整好扭角仪上的百分表，使指针对准“0”。（2）采用等量逐级加载法，每加一块砝码，记录一次百分表的读数。（3）卸载，整理仪器。2.测定低碳钢扭转时的强度性能指标（1）测量试样的直径（方法与拉伸试验相同）。（2）将试样安装到扭转试验机上，选择合适的测矩盘和相应的摆锤，调整好测矩盘的指针，使之对准“0”，并将从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。（3）用手摇柄均匀缓慢加载，注意观察测矩盘上的指针，若指针停止转动，则表明整个材料发生屈服，记录下此时的外力偶矩。（4）改用电动快速加载，直至试样被扭断为止，关闭扭转试验机，由从动指针读取最大外力偶矩。3.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标（1）测量试样的直径（方法与拉伸试验相同）。（2）将试样安装到扭转试验机上，选择合适的测矩盘和相应的摆锤，调整好测矩盘的指针，使之对准“0”，并将从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。（3）用手摇柄均匀缓慢加载，直至试样被扭断为止，关闭扭转试验机，由从动指针读取最大外力偶矩。六、实验数据记录与计算1.测定低碳钢的弹性常数表3-6测定低碳钢的切变模量试验的数据记录与计算试样尺寸：标距直径扭角仪参数：载荷力臂测量臂长位移/载荷/第一次第二次读数增量百分表读数增量百分表读数增量增量均值增量均值增量均值切变模量2.测定低碳钢和灰铸铁扭转时的强度性能指标表3-7测定低碳钢和灰铸铁扭转时的强度性能指标试验的数据记录与计算材料低碳钢灰铸铁试样尺寸直径直径实验后的试样草图实验数据屈服扭矩最大扭矩扭转屈服应力抗扭强度最大扭矩抗扭强度试样的扭转图六、思考题1.比较低碳钢与灰铸铁试样的扭转破坏断口，并分析它们的破坏原因。2.根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果，比较低碳钢与灰铸铁的力学性能及破坏形式，并分析原因。3．5冲击试验一、实验目的1.测定低碳钢的冲击性能指标：冲击韧度。2.测定灰铸铁的冲击性能指标：冲击韧度。3.比较低碳钢与灰铸铁的冲击性能指标和破坏情况。二、实验设备和仪器1.冲击试验机。2.游标卡尺。三、实验试样按照国家标准GB/T229—1994《金属夏比缺口冲击试验方法》，金属冲击试验所采用的标准冲击试样为并开有或深的形缺口的冲击试样（图3-8）以及张角深的形缺口冲击试样（图3-9）。如不能制成标准试样，则可采用宽度为或等小尺寸试样，其它尺寸与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。冲击试样的底部应光滑，试样的公差、表面粗糙度等加工技术要求参见国家标准GB/T229—1994。（a）（b）图3-8夏比形冲击试样（a）深度为；（b）深度为图3-9夏比形冲击试样四、实验原理与方法使摆锤从一定的高度自由转动落下，撞断试样，读取试样在被撞断过程中所吸收的能量，冲击韧度为式中：为试样在断口处的横截面面积。五、实验步骤1.了解冲击试验机的操作规程和注意事项。2.测量试样的尺寸。3.将试样安装好。注意在安装试样时，不得将摆锤抬起。4.将摆锤抬起，使操纵手柄置于“预备”位置，销住摆锤，注意在摆动范围内不得有人和任何障碍物。5.将手柄迅速推至“冲击”位置，使摆锤摆动一次后将手柄推至“制动位置”。6.记录冲断试样所需要的能量，取出被冲断的试样。六、实验数据的记录与计算表3-8测定低碳钢和灰铸铁的冲击性能指标试验的数据记录与计算材料试样缺口处的横截面面积/试样所吸收的能量/冲击韧度/低碳钢灰铸铁七、思考题1.为什么冲击试样要有切槽？2.比较低碳钢与灰铸铁的冲击破坏特点。第4章电测法应力分析实验电测法是实验应力分析中应用最广泛和最有效的方法之一，广泛应用于机械、土木、水利、材料、航空航天等工程技术领域，是验证理论、检验工程质量和科学研究的有力手段。4．1矩形截面梁的纯弯曲实验一、实验目的1.熟悉电测法的基本原理和静态电阻应变仪的使用方法。2.测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律。3.比较正应力的实验测量值与理论计算值的差别。二、实验设备和仪器1.多用电测实验台。2.YJ28A-P10R型静态电阻应变仪。3.SDX-I型载荷显示仪。4.游标卡尺。三、实验原理及方法实验装置如图4-1所示，矩形截面梁采用低碳钢制成。在梁承发生纯弯曲变形梁段的侧面上，沿与轴线平行的不同高度的线段、、、、（线位于中性层上，线位于梁的上表面，线位于梁的下表面，和、和各距线等距，其距离分别用和表示）上粘贴有五个应变片作为工作片，另外在梁的右支点以外粘贴有一个应变片作为温度补偿片。将五个工作片和温度补偿片的引线以半桥形式分别接入电阻应变仪后面板上的五个通道中，组成五个电桥（其中工作片的引线接在每个电桥的和端，温度补偿片接在电桥的和端）。当梁在载荷作用下发生弯曲变形时，工作片的电阻值将随着梁的变形而发生变化，通过电阻应变仪可以分别测量出各对应位置的应变值。根据胡克定律，可计算出相应的应力值式中，为梁材料的弹性模量。梁在纯弯曲变形时，横截面上的正应力理论计算公式为式中：为横截面上的弯矩；为梁的横截面对中性轴的惯性矩；为中性轴到欲求应力点的距离。图4-1矩形截面梁的纯弯曲四、实验步骤1.测量矩形截面梁的各个尺寸，预热电阻应变仪和载荷显示仪。2.将各种仪器连接好，各应变片按半桥接法接到电阻应变仪的所选通道上。3.逐一调节各通道的电桥平衡。4.摇动多用电测实验台的加载机构，采用等量逐级加载（可取），每增加一级载荷，分别读出各电阻应变片的应变值。5.记录实验数据。6.整理仪器，结束实验。五、实验数据的记录与计算实验数据的记录与计算见表4-1。六、注意事项1.加载时要缓慢，防止冲击。2.读取应变值时，应保持载荷稳定。3.各引线的接线柱必须拧紧，测量过程中不要触动引线，以免引起测量误差。表4-1矩形截面梁纯弯曲实验的数据记录与计算材料常数：梁的尺寸：，，应变/载荷/点点点点点读数增量读数增量读数增量读数增量读数增量读数增量//误差=/%4．2薄壁圆筒的弯扭组合实验*一、实验目的1.了解实验应力分析的基本理论和方法。2.测量在弯扭组合变形下薄壁圆筒表面指定点的主应力大小和方向。3.测量在弯扭组合变形下薄壁圆筒表面指定点与弯矩、扭矩和剪力分别对应的应力。二、实验设备和仪器1.弯扭组合变形实验装置。2.YJ28A-P10R型静态电阻应变仪。3.游标卡尺。三、实验原理及方法实验装置如图4-2所示，圆筒的外径，内径，材料为铝合金。通过转动加载手轮进行加载，采用等量逐级加载，载荷大小由数字显示仪显示，根据载荷大小可计算出指定横截面上的弯矩、剪力和扭矩。图4-2薄壁圆筒弯扭组合变形实验装置图4-3b点的应力状态1.测量主应力选择横截面上的、两点进行测量，点的应力状态如图4-3所示，根据理论分析可知，正应力为式中：；；；为薄壁圆筒的外径；为薄壁圆筒内径。扭转切应力为式中：。在电阻应变仪中选择六个通道，按半桥接法将、两点的两个应变花的每个应变片～、～分别接入电阻应变仪上所选的六个通道的、端；将一个共用的温度补偿片接入电阻应变仪的任一、端，形成如图4-4所示的六个测量电桥电路。图4-4主应力测量接线图图4-5与弯矩对应的正应变测量采用等量逐级加载，在每一载荷作用下，分别测得、两点的、、和。将测量结果记录在实验报告中，可用下列公式计算出、两点的主应力大小和方向：2.测量与弯矩对应的正应变选择横截面上的、两点进行测量。将、两点应变花的两个方向应变片和按图4-5所示的半桥接法接入电阻应变仪的任一通道，可测得、两点与弯矩所对应的正应变式中：为电阻应变仪的读数。3.测量与扭矩对应的切应变选择横截面上的、两点进行测量。拆去电阻应变仪面板上的、和三个接线柱上的连接片，任选一个通道，用、两点的和方向的四个应变片、、和接入电阻应变仪，组成如图4-6所示的全桥电路,可测得、两点与扭矩所对应的切应变原理分析：由理论分析可知,由于、两点位于中性轴上，所以无沿轴线方向的线应变，、两点均为纯剪切应力状态，与扭矩和剪力分别对应的切应力和为式中：为薄壁圆筒的平均半径；为薄壁圆筒的厚度。设在沿四个应变片、、和方向上与扭矩所对应的线应变分别为、、和，于是有设在沿四个应变片、、和方向上与剪力所对应的线应变分别为、、和，则有根据电桥的性质可知，电阻应变仪的读数为即每个应变片与扭矩所对应的线应变为。说明全桥接法，电阻应变仪的读数为每个应变片实际应变值的四倍。上述测得的是线应变值，根据纯剪切应力状态下的应变分析可知，在、两点处与扭矩所对应的切应变为与扭矩对应的切应变测量图4-7与剪力对应的切应变测量4.测量与剪力对应的切应变选择横截面上的、两点进行测量。任选一个通道，将、两点的、方向的四个应变片、、和接入电阻应变仪，组成如图4-7所示的全桥电路。其测量原理同3，但必须注意应变片在电桥中的接法不同。在此情况下，电阻应变仪的读数为即每个应变片与剪力所对应的线应变为。由此可得，在、两点处与剪力所对应的切应变为5.测量切变模量按照3的方法，测量出切应变后，可计算出切变模量式中：为理论计算的切应力。五、实验数据的记录与计算1.测量主应力表4-2a薄壁圆筒弯扭组合实验的数据记录与计算（测量应变）应变/载荷/方向方向方向读数增量读数增量读数增量读数增量b点d点表4-2b薄壁圆筒弯扭组合实验的数据记录与计算（计算主应力及其方向）材料常数：弹性模量，泊松比装置尺寸：圆筒外径，圆筒内径，测点位置，加载臂长主应力测点理论值实验值误差理论值实验值误差理论值实验值误差bd2.测量与弯矩、扭矩和剪力分别对应的应变和应力表4-3薄壁圆筒弯扭组合实验的数据记录与计算（与内力对应的应变和应力）应变/载荷/N与弯矩M对应与扭矩T对应与剪力对应读数F增量读数增量读数增量读数增量应力实验值/应力理论值//%六、注意事项1.加载时，最大载荷不得超过。2.应变片接入电阻应变仪的位置应正确，接线应可靠。3.注意半桥和全桥接法的不同。4.选择通道接好电桥后，加载前应将电桥逐一调节平衡，使电阻应变仪显示表显示为零。附录A电测法基础电阻应变测量方法是将应变转换成电信号进行测量的方法，简称电测法。电测法的基本原理是：将电阻应变片（简称应变片）粘贴在被测构件的表面，当构件发生变形时，应变片随着构件一起变形，应变片的电阻值将发生相应的变化，通过电阻应变测量仪器（简称电阻应变仪），可测量出应变片中电阻值的变化，并换算成应变值，或输出与应变成正比的模拟电信号（电压或电流），用记录仪记录下来，也可用计算机按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应变或应力值。其工作过程如下所示：应变——电阻变化——电压（或电流）变化——放大——记录——数据处理电测法具有灵敏度高的特点，应变片重量轻、体积小且可在高（低）温、高压等特殊环境下使用，测量过程中的输出量为电信号，便于实现自动化和数字化，并能进行远距离测量及无线遥测。A.1电阻应变片一、电阻应变片的构造和类型电阻应变片的构造很简单，把一根很细的具有高电阻率的金属丝在制片机上按图A-1所示的那样排绕后，用胶水粘结在两片薄纸之间，再焊上较粗的引出线，成为早期常用的丝绕式应变片。应变片一般由敏感栅（即金属丝）、粘结剂、基底、引出线和覆盖层五部分组成。若将应变片粘贴在被测构件的表面，当金属丝随构件一起变形时，其电阻值也随之变化。常用的应变片有：丝绕式应变片（图A-1）、短接线式应变片和箔式应变片（图A-2）等。它们均属于单轴式应变片，即一个基底上只有一个敏感栅，用于测量沿栅轴方向的应变。如图A-3所示，在同一基底上按一定角度布置了几个敏感柵，可测量同一点沿几个敏感栅栅轴方向的应变，因而称为多轴应变片，俗称应变花。应变花主要用于测量平面应力状态下一点的主应变和主方向。图A-1应变片的构造图A-2箔式应变片（a）（b）（c）图A-3应变花（a）应变花；（b）应变花；（c）应变花二、电阻应变片的灵敏系数在用应变片进行应变测量时，需要对应变片中的金属丝加上一定的电压。为了防止电流过大，产生发热和熔断等现象，要求金属丝有一定的长度，以获得较大的初始电阻值。但在测量构件的应变时，又要求尽可能缩短应变片的长度，以测得“一点”的真实应变。因此，应变片中的金属丝一般做成如图A-1所示的栅状，称为敏感栅。粘贴在构件上的应变片，其金属丝的电阻值随着构件的变形而发生变化的现象，称为电阻应变现象。在一定的变形范围内，金属丝的电阻变化率与应变成线性关系。当将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，并使敏感栅的栅轴方向与应力方向一致时，应变片电阻值的变化率与敏感栅栅轴方向的应变成正比，即式中：为应变片的原始电阻值；为应变片电阻值的改变量；称为应变片的灵敏系数。应变片的灵敏系数一般由制造厂家通过实验测定，这一步骤称为应变片的标定。在实际应用时，可根据需要选用不同灵敏系数的应变片。三、电阻应变片的粘贴和防护常温应变片通常采用粘结剂粘贴在构件的表面。粘贴应变片是测量准备工作中最重要的一个环节。在测量中，构件表面的变形通过粘结层传递给应变片。显然，只有粘结层均匀、牢固、不产生蠕滑，才能保证应变片如实地再现构件表面的变形。应变片的粘贴由手工操作，一般按如下步骤进行：（1）检查、分选应变片。（2）处理构件的测点表面。（3）粘贴应变片。（4）加热烘干、固化。（5）检查应变片的电阻值，测量绝缘电阻。（6）引出导线。实际测量中，应变片可能处于多种环境中，有时需要对粘贴好的应变片采取相应的防护措施，以保证其安全可靠。一般在应变片粘贴完成后，根据需要可用石腊、纯凡士林、环氧树脂等对应变片的表面进行涂覆保护。A.2电阻应变片的测量电路在使用应变片测量应变时，必须用适当的办法测量其电阻值的微小变化。为此，一般是把应变片接入某种电路，让其电阻值的变化对电路进行某种控制，使电路输出一个能模拟该电阻值变化的信号，然后，只要对这个电信号进行相应的处理就行了。常规电测法使用的电阻应变仪的输入回路叫做应变电桥，它是以应变片作为其部分或全部桥臂的四臂电桥。它能把应变片电阻值的微小变化转化成输出电压的变化。在此，仅以直流电压电桥为例加以说明。一、电桥的输出电压电阻应变仪中的电桥线路如图A-4所示，它是以应变片或电阻元件作为电桥桥臂。可取为应变片、和为应变片或～均为应变片等几种形式。、和、分别为电桥的输入端和输出端。根据电工学原理，可导出当输入端加有电压时，电桥的输出电压为当时，电桥处于平衡状态。因此，电桥的平衡条件为。当处于平衡的电桥中各桥臂的电阻值分别有、、和的变化时，可近似地求得电桥的输出电压为由此可见，应变电桥有一个重要的性质：应变电桥的输出电压与相邻两桥臂的电阻变化率之差、相对两桥臂电阻变化率之和成正比。对于平衡电桥，如果相邻两桥臂的电阻变化率大小相等、符号相同，或相对两桥臂的电阻变化率大小相等、符号相反，则电桥将不会改变其平衡状态，即保持。如果电桥的四个桥臂均接入相同的应变片，则有式中，～分别为接入电桥四个桥臂的应变片的应变值。图A-4电桥原理图A-5半桥单臂温度补偿接法二、温度效应的补偿贴有应变片的构件总是处在某一温度场中。若敏感栅材料的线膨胀系数与构件材料的线膨胀系数不相等，则当温度发生变化时，由于敏感栅与构件的伸长（或缩短）量不相等，在敏感栅上就会受到附加的拉伸（或压缩），从而会引起敏感栅电阻值的变化，这种现象称为温度效应。敏感栅电阻值随温度的变化率可近似地看作与温度成正比。温度的变化对电桥的输出电压影响很大，严重时，每升温，电阻应变片中可产生几十微应变。显然，这是非被测（虚假）的应变，必须设法排除。排除温度效应的措施，称为温度补偿。根据电桥的性质，温度补偿并不困难。只要用一个应变片作为温度补偿片，将它粘贴在一块与被测构件材料相同但不受力的试件上。将此试件和被测构件放在一起，使它们处于同一温度场中。粘贴在被测构件上的应变片称为工作片。在连接电桥时，使工作片与温度补偿片处于相邻的桥臂，如图A-5所示。因为工作片和温度补偿片的温度始终相同，所以它们因温度变化所引起的电阻值的变化也相同，又因为它们处于电桥相邻的两臂，所以并不产生电桥的输出电压，从而使得温度效应的影响被消除。必须注意，工作片和温度补偿片的电阻值、灵敏系数以及电阻温度系数应相同，分别粘贴在构件上和不受力的试件上，以保证它们因温度变化所引起的应变片电阻值的变化相同。三、应变片的布置和在电桥中的接法应变片感受的是构件表面某点的拉应变或压应变。在有些情况下，该应变可能与多种内力（比如轴力和弯矩）有关。有时，只需测量出与某种内力所对应的应变，而要把与其它内力所对应的应变从总应变中排除掉。显然，应变片本身不会分辨各种应变成分，但是只要合理地选择粘贴应变片的位置和方向，并把应变片合理地接入电桥，就能利用电桥的性质，从比较复杂的组合应变中测量出指定的应变。应变片在电桥中的接法常有以下三种形式：（1）半桥单臂接法如图A-5所示，将一个工作片和一个温度补偿片分别接入两个相邻桥臂，另两个桥臂接固定电阻。如果工作片的应变为，则电桥的输出电压为（2）半桥双臂接法如图A-6所示，将两个工作片接入电桥的两个相邻桥臂，另两个桥臂接固定电阻，两个工作片同时互为温度补偿片。如果工作片的应变分别为和，则电桥的输出电压为若，则电桥的输出电压为即为半桥单臂接法的两倍。图A-6半桥双臂接法图A-7全桥接法（3）全桥接法如图A-7所示，电桥的四个桥臂全部接入工作片，如果工作片的应变分别为、、和，则电桥的输出电压为若，则电桥的输出电压为即为半桥单臂接法的四倍。必须注意，接入同一电桥各桥臂的应变片（工作片或温度补偿片）的电阻值、灵敏系数和电阻温度系数均应相同。应变片在构件上的布置可根据具体情况灵活采取各种不同的方法。应变片在构件上的布置和在电桥中的接法可参见有关资料。A.3静态电阻应变仪静态电阻应变仪是专供测量不随时间变化或变化极缓慢的电阻应变仪器，其功能是将应变电桥的输出电压放大，在显示部分以刻度或数字形式显示应变的数值，或者向记录仪输入模拟应变变化的电信号。一、YJ28A-P10R静态电阻应变仪的工作原理静态电阻应变仪的种类很多，在此以YJ28A-P10R型静态电阻应变仪为例，介绍其工作原理。YJ28A-P10R型静态电阻应变仪的工作原理框图如图A-8所示，可进行半桥或全桥测量。在测量应变时，把粘贴在构件上的应变片接入电桥，将电桥予调平衡，当构件受力发生变形时，应变片随之产生电阻值的变化，从而破坏了电桥的平衡，产生输出电压，由显示表显示出应变的数值。该静态电阻应变仪可同时测量十个点的应变，如果要测量更多点的应变，需另外配备平衡箱。它还可以通过接口与计算机连接，由计算机对测量数据进行处理。图A-8YJ28A-P10R型静态电阻应变仪原理图二、YJ28A-P10R型静态电阻应变仪的使用方法（1）将电阻应变仪后面板上的电源开关置于关闭状态，后面板上的标定开关拨向下，测量点选择开关置于“”档。（2）如图A-9所示，将电阻应变仪前面板上的、和三个接线柱用连接片连接，并旋紧各接线柱，把标准电阻的三根引线中同色的两根分别接到和接线柱，并旋紧，另一根接到接线柱，并旋紧。（3）通入接地良好的交流电源，打开电源开关，前面板上的数码管应有数字显示，预热分钟后，调节前面板上的“”电位器（顺时针旋转显示为“＋”，反之则为“－”），使显示表显示为“”。（4）将电阻应变仪后面板上的标定开关拨向上，进行电阻应变仪的灵敏系数标定。当所用电阻应变片的灵敏系数时，调节灵敏度电位器，使显示表显示为“”，当所用电阻应变片的灵敏系数时，必须按表A-1进行灵敏系数标定。灵敏系数标定好后即把标定开关拨向下位置。表A-1YJ28A-P10R型静态电阻应变仪灵敏系数标定表（所用桥臂电阻为）应变片值1.801.851.901.952.002.052.102.152.20应变仪标定值11111108111052610256100009756952493029091应变片值2.252.302.352.402.452.502.552.602.65应变仪标定值888986968511833381638000784376927547（5）多点测量时，在前面板用～通道开关选择通道，相应地接通后面板上所选通道的测量桥接线端、、和，调节所选择的每个通道的电位器，分别使显示表显示为“”。（6）应变片在电桥中的连接方法可根据需要采取半桥或全桥。注意在全桥接法时，电阻应变仪面板上的、和三个接线柱的连接片必须拆下，如图A-10所示。图A-9YJ28A-P10R型静态电阻应变仪面板（a）(b)(c)图A-10应变片接法(a)半桥单臂接法(b)半桥双臂接法(c)全桥接法（拆去连接片）三、电阻应变仪的读数修正有时电阻应变仪的灵敏系数无法调整到与电阻应变片的灵敏系数一致，这时，可对电阻应变仪的读数进行如下修正，得到实际应变式中：为电阻应变仪的灵敏系数；为电阻应变仪的读数；为电阻应变片的灵敏系数。附录B其他试验B.1测定弹性常数及未知重量实验在解决工程构件的强度问题时，需要用到构件所用材料的弹性常数——弹性模量E和泊松比，因此，测定材料的弹性常数是工程中经常遇到的问题。本实验以悬臂梁为对象，作一基本训练。此外，本实验还将训练利用功的互等定理把欲测的力学量——重量(即力)转化成另一力学量——位移测量的方法，拓宽测试方法，加深对能量原理的理解。一、实验目的1.进一步熟悉电测法的基本原理和静态电阻应变仪的使用方法，训练电阻应变测量技术中的组桥技巧。2.学习位移测量技术。3.用电测法测量材料的弹性模量E和泊松比以及待测重物的重量P。4.用位移法测量材料的弹性模量E和待测重物的重量P5.验证位移互等定理，并用功的互等定理测量待测重物的重量P。6.比较用上述三种测量方法测得的重量值。二、实验装置、仪器与提供的条件1.等强度悬臂梁实验装置(图5-1)。在梁的上下表面共粘贴有4个45º应变花，其中在梁的上表面沿轴线方向粘贴有应变片和、垂直于轴线方向粘贴有应变片和，在梁的下表面沿轴线方向粘贴有应变片和、垂直于轴线方向粘贴有应变片和。应变片的灵敏系数。2.静态电阻应变仪。3.百分表和磁性表座。4.游标卡尺和卷尺。5.砝码和待测重物。三、实验内容与要求1.根据实验目的，思考并拟定实验方案。2.独立完成实验，包括测量梁的几何尺寸(、、、和)、接线、加载、读取和记录实验原始数据、计算实验结果等。3.现场计算出悬臂梁所用材料的弹性模量E、泊松比和待测重物的重量P的测量结果，经教师审核认可后，结束实验，使实验装置和仪器复原。4.实验时自带计数器。图5-1等强度梁实验装置四、实验报告要求1.分别画出用电测法测量悬臂梁所用材料的弹性模量E、泊松比和待测重物的重量P的应变片组桥接线图，并写出用读数应变表示弹性模量E、泊松比和待测重量P的表达式。整理实验数据，求出弹性模量E、泊松比和待测重量P。2.写出用读数挠度表示弹性模量E和待测重量P的表达式。整理实验数据，求出弹性模量E和待测重量P。3.写出利用功的互等定理和读数挠度表示待测重量P的表达式。整理实验数据，求出待测重量P。五、思考题1.比较用电测法和位移法测量弹性模量的优缺点。2.比较本实验所用的三种测量待测重物重量方法的优缺点。六、提示对图5-2所示的等强度梁，有如下关系(1)图5-2等强度梁的挠度计算等强度梁段AB的横截面A对中性轴的惯性矩和等截面梁段BC的横截面对中性轴的惯性矩分别为，(2)由(1)式和(2)式可得(3)对AB段(0≤≤a)，梁在截面处的宽度、对中性轴的惯性矩和弯矩分别为(4)梁的挠曲线近似微分方程为(5)积分两次得到(6)利用边界条件，可以得到，故梁在AB段的挠曲线方程和转角方程分别为(7)对BC段(a≤≤l)，梁在截面处的弯矩为(8)梁的挠曲线近似微分方程为(9)积分两次得到(10)利用边界条件、以及(3)式，可以得到，(11)故梁在BC段的挠曲线方程为(12)BC段的挠曲线方程也可用叠加法求解。B截面的挠度和转角分别为(13)根据叠加法，有(14)将(13)式代入上式，得到梁在BC段的挠曲线方程为(15)B.2动应力实验工程中经常会遇到构件受动载荷作用的情况，如高速旋转的螺旋桨、紧急制动的转轴、受强迫振动的梁等。由于构件在动载荷作用下的应力要比在静载荷作用下的应力大得多，因此，测量和分析构件在动载荷作用下的动应力问题是非常重要的。本实验以悬臂梁为研究对象，测量在强迫振动和冲击时的动应力。一、实验目的1.学习动态应变测量技术和动态电阻应变仪及其测试软件的使用方法。2.测量悬臂梁在强迫振动时的动应力，并与理论值进行比较。3.测量悬臂梁在突加载荷作用时的动荷系数，并与理论值进行比较。二、实验装置、仪器与提供的条件1.悬臂梁实验装置(图6-1)。矩形截面梁的宽度，高度，材料的弹性模量。在梁C截面的上、下表面沿轴线方向粘贴有应变片和，D截面的上、下表面沿轴线方向粘贴有应变片和。应变片的灵敏系数。2.JZQ-100型激振器、GF-100功率放大器、XH信号源和计算机。3.DH5937型应变测试系统。4.游标卡尺和直尺。5.重物。图6-1悬臂梁实验装置三、实验内容与要求1.根据实验目的，思考并拟定实验方案。2.独立完成实验，包括测量梁上的贴片位置(、)和、接线、加载、读取和记录实验原始数据、计算实验结果等。3.现场计算悬臂梁受迫振动时最大和最小动应力的实验值和理论值；计算悬臂梁受突加载荷时的动荷系数，经教师审核认可后，结束实验，使实验装置和仪器复原。4.实验时自带计数器。四、实验报告要求1.画出测量悬臂梁在强迫振动时动应力的应变片组桥接线图，并写出用读数应变表示测点动应力的表达式。整理实验数据，求出测量点动应力的最大和最小值，并画出测量点的动应力波形图。2.画出测量悬臂梁在突加载荷作用下动荷系数的应变片桥路接线图，并写出由读数应变表示动荷系数的表达式。整理实验数据，求出突加载荷的动荷系数。五、思考题1.试分析测量结果与理论值的误差原因。B.3斜弯曲实验工程中常常由于构件所受的实际载荷的作用方向与设计时的载荷作用方向不一致，使得构件中的实际应力大于设计应力，从而造成构件的强度失效。因此，测定构件所受的实际载荷作用方向问题是工程中经常遇到的、也是非常重要的问题。本实验以矩形截面悬臂斜弯曲梁为对象，作一基本训练。一、实验目的1.进一步熟悉电测法的基本原理和静态电阻应变仪的使用方法，训练电阻应变测量技术中的组桥技巧。2.用电测法测量矩形截面悬臂梁的正应力以及所受载荷F的作用方向。3.确定在所加载荷F作用下梁横截面的中性轴位置以及梁中的最大正应力，并计算出由于载荷作用方向的偏离引起的梁中最大正应力的改变量(与时比较)。二、实验装置、仪器与提供的条件1.矩形截面悬臂斜弯曲梁实验装置(图7-1)。矩形截面的宽度、高度，梁材料的弹性模量。载荷作用点到固定端的距离，通过加载机构可进行加载或卸载，所加载荷大小由载荷显示器显示。在离固定端距离的横截面m-m表面每边的中点A、B、C、D沿轴线方向分别粘贴有应变片，在两长边离角点处的Q、R、S、T点沿轴线方向也分别粘贴有应变片，如图7-2所示。应变片的灵敏系数。2.YJ28A-P10R型静态电阻应变仪和标准电阻。三、实验内容与要求1.根据实验目的，思考并拟定实验方案。2.独立完成实验，包括接线、加载、读取和记录实验原始数据、计算实验结果等。3.现场计算出矩形截面悬臂梁所测点的正应力以及所受载荷F的作用方向的测量结果，并计算出在该载荷作用下梁横截面的中性轴位置以及梁中的最大正应力，经教师审核认可后，结束实验，使实验装置和仪器复原。4.实验时自带计数器。四、实验报告要求1.画出测量载荷F作用方向的应变片组桥接线图，并写出用读数应变表示载荷F作用方向的表达式。整理实验数据，求出矩形截面悬臂梁所测点的正应力、载荷F的作用方向、在该载荷作用下梁横截面的中性轴位置、梁中的最大正应力以及由于载荷作用方向的偏离引起的梁中最大正应力的改变量。图7-1矩形截面悬臂斜弯曲梁实验装置图7-2m-m横截面及应变片的布置B.4组合梁实验组合梁是指由两根或两根以上的单根梁在梁的两端固定在一起而组合成的整体梁。组合梁实验是我们从中科院等离子体研究所的科研项目（HT-7U超导托卡马克核聚变装置）的真空室支撑结构中提炼出来的一项综合性实验，通过该实验，可以培养学生将工程实际问题提炼成力学分析模型（即力学建模）、从而进行分析求解的能力。一、实验目的1.进一步熟悉电测法的基本原理和静态电阻应变仪的使用方法，训练电阻应变测量技术中的组桥技巧。2.学习用电测法测量构件中内力的方法。3.用电测法测量组合梁在指定横截面上各单梁中的轴力和弯矩M。4.利用平面截面假设，推导出组合梁横截面上各单梁中的内力表达式。5.将理论分析结果与实测结果进行比较。二、实验装置、仪器与提供的条件1.组合梁实验装置(图8-1)。在组合梁的m-m横截面的每根单梁的上、下表面沿轴线方向分别粘贴有应变片，应变片的灵敏系数。梁材料的弹性模量。通过旋转加载手轮可进行加载（顺时针旋转）或卸载（逆时针旋转），所加载荷大小由载荷显示器显示。当在实验装置的左端安装上可上下滑轮的导轨后(图8-1中未画出)，能实现对组合梁左端转角的约束。2.静态电阻应变仪。3.游标卡尺和卷尺。4.扳手。三、实验内容与要求1.根据实验目的，思考并拟定实验方案。2.独立完成实验，包括测量梁的几何尺寸(、、、、、、、、，其中和分别为第根单梁的宽度和高度)、接线、加载、读取和记录实验原始数据、计算实验结果等。3.现场计算出组合梁的内力测量结果，经教师审核认可后，结束实验，使实验装置和仪器复原。4.实验时自带计数器。5.选做本实验的小组成员，共同完成实验内容、写出一份实验报告。图8-1组合梁实验装置四、实验报告要求1.分别画出用电测法测量各单梁中的轴力和弯矩M的应变片组桥接线图，写出用读数应变表示各单梁中的轴力和弯矩M的表达式。整理实验数据，求出各单梁中的轴力和弯矩M。2.推导组合梁横截面上各单梁中的内力表达式的过程。3.实验结果与理论计算结果的比较、实验结论。五、思考题1.谈谈完成本实验的感想与建议。附录C试验报告C.1金属材料轴向拉伸试验实验日期年月日班级：姓名：指导教师（签字）.实验目的实验设备（规格、型号）实验记录及数据处理1．测定低碳钢拉伸时的力学性能试样尺寸实验数据实验前：标距mm直径mm横截面面积实验后：标距mm最小直径mm横截面面积屈服载荷kN最大载荷kN屈服应力MPa抗拉强度MPa伸长率断面收缩率试样草图拉伸图实验前：实验后：O2．测定灰铸铁拉伸时的力学性能试样尺寸实验数据实验前：直径mm横截面面积mm2最大载荷kN抗拉强度MPa试样草图拉伸图实验前：实验后：O3．误差原因及分析C.2金属材料压缩试验实验日期年月日班级：姓名：指导教师（签字）.一、实验目的二、实验设备（规格、型号）三、实验记录及数据处理1．测定低碳钢和灰铸铁压缩时的力学性能材料低碳钢灰铸铁试样尺寸mm，mm，试样