4個(gè)在用力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、''''實(shí)驗(yàn)一金屬材料拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介：金屬材料常溫、靜載下的軸向拉伸與壓縮試驗(yàn)是材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中最基本且應(yīng)用廣泛的實(shí)驗(yàn)。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以全面測(cè)定材料的力學(xué)性能指標(biāo)。這些指標(biāo)對(duì)材料力學(xué)的分析計(jì)算及工程設(shè)計(jì)有極其重要的 作用。本次試驗(yàn)將參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T228-2002金屬材料室溫 拉伸試驗(yàn)方法選用低碳鋼和鑄鐵作為塑 性材料和脆性材料的代表，分別進(jìn)行拉伸和壓縮試驗(yàn)。預(yù)習(xí)要求：學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課之前，必須復(fù)習(xí)課堂上講過(guò)的有關(guān)材料在拉伸、壓縮時(shí)力學(xué)性能的內(nèi)容。根據(jù) 上述試驗(yàn)?zāi)康?，?xiě)出確定各個(gè)力學(xué)性能參數(shù)的計(jì)算公式，明確在試驗(yàn)前應(yīng)測(cè)量哪些初始數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)過(guò)程 中需要

2、記錄哪些數(shù)據(jù)，合理列出本次試驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)記錄與表格，畫(huà)在實(shí)驗(yàn)記錄紙上。試驗(yàn)前交指導(dǎo)教師 檢查。一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 測(cè)定低碳鋼下列力學(xué)性能指標(biāo)：拉伸時(shí)的屈服極限s、強(qiáng)度極限 b、延伸率B、截面收縮率廠(chǎng)；壓縮時(shí)的屈服極限s。2 測(cè)定鑄鐵下列力學(xué)性能指標(biāo)：拉伸時(shí)的強(qiáng)度極限bt ；壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限bc。3 觀(guān)察上述兩種材料在拉伸和壓縮的全過(guò)程中所出現(xiàn)的各種變形現(xiàn)象。4 .比較低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）的力學(xué)性能特點(diǎn)與試件的斷口情況，分析各自的破 壞原因。二.實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器：1電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。2 畫(huà)線(xiàn)機(jī)、力傳感器、位移傳感器和游標(biāo)卡尺等。3 .符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的圓形截面拉伸和壓縮試件。三實(shí)驗(yàn)原理

3、：進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，外力必須通過(guò)試樣軸線(xiàn)，以確保材料處于單向應(yīng)力狀態(tài)。一般試驗(yàn)機(jī)都設(shè)有自動(dòng)繪圖裝置，用以記錄試樣的拉伸圖即 P- L曲線(xiàn)，形象地體現(xiàn)了材料變形特點(diǎn)以及各階段受力和變形的關(guān)系。 但是P- L曲線(xiàn)的定量關(guān)系不僅取決于材質(zhì)而且受試樣幾何尺寸的影響。因此，拉伸圖往往用名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（即b - &曲線(xiàn)）來(lái)表示：P_A試樣的名義應(yīng)力_LLo試樣的名義應(yīng)變A0和L0分別代表初始條件下的面積和標(biāo)距。b - £曲線(xiàn)與P- L曲線(xiàn)相似，但消除了幾何尺寸的影響。 因此，能代表材料的屬性。單向拉伸條件下的一些材料的機(jī)械性能指標(biāo)就是在b- £曲線(xiàn)上定義的。如果試驗(yàn)?zāi)芴峁┮粭l

4、精確的拉伸圖，那么單向拉伸條件下的主要力學(xué)性能指標(biāo)就可精確地測(cè)定。不同性質(zhì)的材料拉伸過(guò)程也不同，其b- £曲線(xiàn)會(huì)存在很大差異。低碳鋼和鑄鐵是性質(zhì)截然不同的兩種典型材料，它們的拉伸曲線(xiàn)在工程材料中十分典型，掌握它們的拉伸過(guò)程和破壞特點(diǎn)有助于正確、合理 地認(rèn)識(shí)和選用材料。低碳鋼具有良好的塑性，由b - £曲線(xiàn)（如圖）可以看出，低碳鋼斷裂前明顯地分成四個(gè)階段：彈性階段（oa）試件的變形是彈性的。在這個(gè)范圍內(nèi)卸載，試樣仍恢復(fù)原 來(lái)的尺寸，沒(méi)有任何殘余變形。習(xí)慣上 認(rèn)為材料在彈性范圍內(nèi)服從虎克定律， 其應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)檎汝P(guān)系，即E（其中，比例系數(shù) E代表直線(xiàn)的斜率， 稱(chēng)作材料的彈性模量

5、）。屈服階段（be） ： b - &曲線(xiàn)上出現(xiàn)明 顯的屈服點(diǎn)。這表明材料暫時(shí)喪失抵抗 繼續(xù)變形的能力。這時(shí)，應(yīng)力基本上不 變化，而變形快速增長(zhǎng)。通常把下屈服FS點(diǎn)作為材料屈服極限b s （ S S）ob s是材料開(kāi)始進(jìn)入塑性的標(biāo)志。結(jié)構(gòu)、零件的應(yīng)力一旦超過(guò)bs，材料就會(huì)屈服，零件就會(huì)因?yàn)檫^(guò)量變形而失效。因此強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)常以屈服極限b s作為確定許可應(yīng)力的基礎(chǔ)。從屈服階段開(kāi)始，材料的變形包含彈 性和塑性?xún)刹糠?。如果試樣表面光滑，材料雜質(zhì)含量少，可以清楚地看到表面有45°方向的滑移線(xiàn)。強(qiáng)化階段（ee）:屈服階段結(jié)束后，b - &曲線(xiàn)又開(kāi)始上升，材料恢復(fù)了對(duì)繼續(xù)變形的抵抗能力

6、，載荷 就必須不斷增長(zhǎng)。如果在這一階段卸載，彈性變形將隨之消失，而塑性變形將永遠(yuǎn)保留下來(lái)。強(qiáng)化階段的 卸載路徑與彈性階段平行。卸載后若重新加載，加載線(xiàn)仍與彈性階段平行，但重新加載后，材料的彈性階 段加長(zhǎng)、屈服強(qiáng)度明顯提高，而塑性卻相應(yīng)下降。這種現(xiàn)象稱(chēng)作為形變強(qiáng)化或冷作硬化。冷作硬化是金屬 材料極為寶貴的性質(zhì)之一。塑性變形和形變強(qiáng)化二者聯(lián)合，是強(qiáng)化金屬材料的重要手段。例如噴丸，擠壓,冷撥等工藝，就是利用材料的冷作硬化來(lái)提高材料強(qiáng)度的。強(qiáng)化階段的塑性變形是沿軸向均勻分布的。隨 塑性變形的增長(zhǎng)， 試樣表面的滑移線(xiàn)亦愈趨明顯。e點(diǎn)是b - &曲線(xiàn)的最高點(diǎn)，定義為材料的強(qiáng)度極限又稱(chēng)Fb作材料的抗

7、拉強(qiáng)度記作b b（ b 丄）。對(duì)低碳鋼來(lái)說(shuō)b b是材料均勻塑性變形的最大抗力，是材料進(jìn)入頸Ao縮階段的標(biāo)志。頸縮階段（ef）:應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后，塑性變形開(kāi)始在局部進(jìn)行。局部截面急劇收縮，承載面積迅 速減少，試樣承受的載荷很快下降，直到斷裂。斷裂時(shí)，試樣的彈性變形消失，塑性變形則遺留在破斷的 試樣上。材料的塑性通常用試樣斷裂后的殘余變形來(lái)衡量，單拉時(shí)的塑性指標(biāo)用斷后伸長(zhǎng)率3和斷面收縮 率屮來(lái)表示。LiL。Lo100%Ao其中Li, A分別代表試樣拉斷后的標(biāo)距和斷口的面積。頸縮試樣各分格的伸長(zhǎng)低碳鋼頸縮部分的變形在總變形中占很大比重如圖所示。 測(cè)試斷后伸長(zhǎng)率時(shí)，頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形都應(yīng)包

8、含 在Li之內(nèi)。這就要求斷口位置應(yīng)在標(biāo)距的中央附近。若斷口落 在標(biāo)距之外則試驗(yàn)無(wú)效。工程上通常認(rèn)為，材料的斷后伸長(zhǎng)率3> 5%屬于韌斷，3 < 5%則屬于脆斷。韌斷的特征是斷裂前有較大的宏觀(guān)塑性變形，斷口形貌是暗灰色纖維狀組織。低碳鋼斷裂時(shí)有 很大的塑性變形，斷口為杯狀周邊為45°的剪切唇，斷口組織為暗灰色纖維狀，因此是一種典型的韌狀斷口。鑄鐵是典型的脆性材料，其拉伸曲線(xiàn)如圖所示。其拉伸過(guò)程較低 碳鋼簡(jiǎn)單，可近似認(rèn)為是經(jīng)彈性階段直接過(guò)渡到斷裂。其破壞斷口沿 橫截面方向，說(shuō)明鑄鐵的斷裂是由拉應(yīng)力引起，其強(qiáng)度指標(biāo)只有b 由拉伸曲線(xiàn)可見(jiàn)，鑄鐵斷后伸長(zhǎng)率甚小，所以鑄鐵常在沒(méi)有任何

9、預(yù)兆 的情況下突然發(fā)生脆斷。因此這類(lèi)材料若使用不當(dāng)，極易發(fā)生事故。 鑄鐵斷口與正應(yīng)力方向垂直，斷面平齊為閃光的結(jié)晶狀組織，是典型 的脆狀斷口。多數(shù)工程材料的拉伸曲線(xiàn)介于低碳鋼和鑄鐵 之間，常常只有兩個(gè)或三個(gè)階段如圖。但強(qiáng)度、 塑性指標(biāo)的定義和測(cè)試方法基本相同。所以，通 過(guò)拉伸破壞試驗(yàn)，分析比較低碳鋼和鑄鐵的拉伸 過(guò)程，確定其機(jī)械性能，在機(jī)械性能試驗(yàn)研究中 具有典型意義。-7 MPh0. K 6 3 °寸不同類(lèi)型材料的拉伸圖低碳鋼試件壓縮時(shí)，在屈服前P- L關(guān)系曲線(xiàn)與拉伸時(shí)相似，但無(wú)明顯的屈服階段，當(dāng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)暫?；蛏杂型嘶貢r(shí)的載荷即為屈服載荷。此后，由于塑性變形試件面積隨載荷增加而逐漸

10、增大，最后試件被壓成餅狀而不破裂，故無(wú)法求得最大載荷及強(qiáng)度極限，只能測(cè)取屈服點(diǎn)bs即:FsA0（式中：FS屈服時(shí)的載荷；Ao試件原始橫截面面積）。進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)機(jī)裝有球形 承墊，球形承墊位于試件下端。當(dāng)試件端面 略有不平行時(shí)，球形承墊可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，使 壓力趨于均勻分布。 為了減少試件兩端面與 支承座之間的摩擦力， 可在試件端面涂上石 墨、潤(rùn)滑油等。但仍不可避免地存在摩擦力 而阻止試件的橫向變形， 以致試件被壓成鼓 形。(a(b)鑄鐵試件受壓時(shí)，在很小的塑性變形下發(fā)生了破壞，如圖，因此只能測(cè)出它的破壞抗力Fb由b b=R/Ao。14可得鑄鐵的強(qiáng)度極限。 鑄鐵受壓呈微鼓形破壞， 試件表面

11、將出現(xiàn)與試件橫截面成45°50。的傾斜裂紋,這是因?yàn)殍T鐵受壓時(shí)，實(shí)際上是先達(dá)到剪力極限而破壞。四實(shí)驗(yàn)步驟:1. 試件：采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB228-87所規(guī)定的圓棒試件，拉伸試件如圖2-1所示，其直徑 D和試驗(yàn)段Lo滿(mǎn)足Lo/D=1O或5。壓縮試件如圖2-2所示，一般規(guī)定為1 h/D 3P_D.P幺-DLo-卜一D .圖2-1圖2-22 測(cè)量試件尺寸：在試件標(biāo)距 Lo范圍內(nèi)，用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量試件兩端及中部三個(gè)橫截面直徑，每處 在相互垂直的兩個(gè)方向各測(cè)一次，取平均值為該截面直徑，以三處測(cè)量結(jié)果中的最小截面的直徑作為D,計(jì)算試件的橫截面積 。3.確定標(biāo)距長(zhǎng)度Lo,填入數(shù)據(jù)記錄表內(nèi)， 在試件

12、中間截取標(biāo)距長(zhǎng)度 Lo,把標(biāo)距長(zhǎng)度分為10等份并用筆 畫(huà)上標(biāo)記，以便于當(dāng)試件斷裂不在中間部位時(shí)進(jìn)行換算。從而求得比較準(zhǔn)確的延伸率。4 開(kāi)機(jī)實(shí)驗(yàn)：電子材料試驗(yàn)機(jī)可以做拉伸、壓縮、剪切、彎曲等試驗(yàn)，故習(xí)慣上稱(chēng)它為萬(wàn)能材料試驗(yàn) 機(jī)，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)有機(jī)械、液壓和電子等多種類(lèi)型。目前普遍采用電子材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)主要由加力 部分和測(cè)力部分組成。電子材料試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造、工作原理及操作規(guī)程介紹詳見(jiàn)電子材料試驗(yàn)機(jī)指南。開(kāi)機(jī) 前必須認(rèn)真閱讀操作說(shuō)明，并經(jīng)過(guò)指導(dǎo)教師檢查后方可開(kāi)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。5. 安裝試件：根據(jù)試樣長(zhǎng)度調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭的位置，達(dá)到適當(dāng)?shù)奈恢煤?，試件先安裝在試驗(yàn)機(jī) 的下夾頭內(nèi)。試樣安裝必須正確，試

13、樣的軸線(xiàn)應(yīng)與上、下夾頭的軸線(xiàn)重合，防止出現(xiàn)試樣偏斜和夾持部分 過(guò)短的現(xiàn)象。試驗(yàn)機(jī)調(diào)零后，再把試件上夾頭夾緊。6. 電子試驗(yàn)機(jī)操作流程：1）測(cè)試前的準(zhǔn)備工作：（限位及過(guò)載保護(hù)的設(shè)置）1.限位保護(hù)：本機(jī)配有上下機(jī)械限位保護(hù)，每一級(jí)同時(shí)配有程控和機(jī)械位置保護(hù)，當(dāng)程控失效后， 機(jī)械保護(hù)起作用，系統(tǒng)斷電，當(dāng)出現(xiàn)此情況時(shí)，說(shuō)明程控限位有故障，排除故障后，方可進(jìn)行測(cè) 試；在試驗(yàn)開(kāi)始測(cè)試之前，必須調(diào)整好限位緊固螺釘，程控保護(hù)有效時(shí)，十字頭只能向相反方向 移動(dòng)。 警告！在試驗(yàn)開(kāi)始之前，必須調(diào)整限位位置，無(wú)誤后，方可進(jìn)行試驗(yàn)，否則有可能損壞 設(shè)備。過(guò)載保護(hù)：超過(guò)滿(mǎn)量程的 5%時(shí)進(jìn)行保護(hù)，伺服斷電，同時(shí)十字頭移動(dòng)停

14、止。警告！過(guò)載時(shí)嚴(yán)禁快速移動(dòng)十字頭，只能慢速卸載。2）開(kāi)機(jī)：打開(kāi)顯示器及計(jì)算機(jī)電源開(kāi)關(guān)。 打開(kāi)主機(jī)電源開(kāi)關(guān)。按控制器上的電源按鈕，若計(jì)算機(jī)控制，控制器的工作方式必須為“PC-CTRL'（單機(jī)工作為“ MC-CTRL）。 待控制器出現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制界面后，雙擊桌面上的“試驗(yàn)軟件”圖標(biāo)。軟件啟動(dòng)后點(diǎn)擊主界面上的“伺服啟動(dòng)”按鈕，之后可以進(jìn)行移動(dòng)橫梁和試驗(yàn)等操作。3）試驗(yàn)條件輸入與選擇： （測(cè)試前用戶(hù)必須輸入與測(cè)試相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)以及試驗(yàn)選擇，具體過(guò)程如下：）設(shè)置選項(xiàng)：選擇負(fù)荷傳感器（若配置兩個(gè)以上） 。設(shè)置選項(xiàng)：選擇負(fù)荷單位、強(qiáng)度、長(zhǎng)度單位。設(shè)置選項(xiàng)：選擇硏伸計(jì).（或.X軸）.處理方式。設(shè)置選項(xiàng)

15、：選擇試驗(yàn)類(lèi)型 （如拉伸、壓縮等）及報(bào)告模板。 設(shè)置選項(xiàng)：選擇需要輸出的數(shù)據(jù)項(xiàng)與之相應(yīng)的修約間隔。 設(shè)置選項(xiàng)：輸入相關(guān)的規(guī)定值（若需要） 。 試樣參數(shù)：根據(jù)的試樣特性進(jìn)行計(jì)算面積處理選擇；試樣尺寸、試驗(yàn)數(shù)量等參數(shù)輸入。 試驗(yàn)控制：確.定.過(guò).程.控.制.階.段.，.并.輸.入.相.關(guān).的.數(shù).據(jù).，.設(shè).置.試.驗(yàn).結(jié).束.控.制. 圖形設(shè)置：依材料的力學(xué)性能指標(biāo)，輸入坐標(biāo)軸顯示最大值，最小值通常設(shè)為0，若最大值無(wú)法確定，通常設(shè)置小一些，在測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整大小。主界面：正.確.輸.入.存.儲(chǔ).文.件.名.（試驗(yàn)編號(hào)） ，系統(tǒng)在測(cè)試結(jié)束后自動(dòng)按該編號(hào)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。建議最好以年月日為字符串，以便追溯

16、。裝.卡.試.件.：.在.夾.持.試.樣.（.第.一.個(gè).試.樣.）.前.必.須.點(diǎn).擊.負(fù).荷.【.調(diào).零.】.按.鈕.進(jìn).行.負(fù).荷.調(diào).零.，.以.后.可.以.不.再.調(diào).零.。.測(cè).試.時(shí).伸.長(zhǎng).、.位.移.、.時(shí).間.自.動(dòng).調(diào).零.。選擇控制方式：若為負(fù)荷控制（或應(yīng)力控制） ，按【開(kāi)始測(cè)試】按鈕，開(kāi)始預(yù)加載，待預(yù)加載值 達(dá)到后進(jìn)行以下操作。夾持引伸計(jì)（若使用引伸計(jì)） ，最好夾持在試樣的中間部分。 測(cè)試開(kāi)始：等上述工作全部完成后可進(jìn)行以下操作：菜單操作，除用鼠標(biāo)在主界面上菜單操作外還可用鍵盤(pán)操作。熱鍵：Alt > +T> + T>快捷鍵：F5；便捷按鈕操作：用鼠標(biāo)

17、點(diǎn)擊【開(kāi) 始測(cè)試】按鈕，即可進(jìn)入測(cè)試。4）結(jié)束測(cè)試：測(cè)試正常結(jié)束：依測(cè)試條件中的試驗(yàn)結(jié)束條件而定；是破壞結(jié)束，還是非斷裂結(jié)束，結(jié)束后十字 頭是停止，還是以最高速返回到原來(lái)位置，結(jié)束后，大約等1 秒鐘，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在主界面，觀(guān)看其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 （ 注：直.接.按. <.空.格. >.鍵.，.試.驗(yàn).正.常.結(jié).束.，.試.驗(yàn).結(jié).果.有.效.。）測(cè)試終止：由于人為因素，如試樣未夾持好或引伸計(jì)忘夾持等等，此時(shí)可以在測(cè)試狀態(tài)下，點(diǎn)擊 主界面工具條上【終止測(cè)試】按鈕，終止測(cè)試，同時(shí)十字頭停止移動(dòng)。終止測(cè)試。5）關(guān)機(jī)：關(guān)閉主機(jī)電源。退出試驗(yàn)軟件退出 Windows ：點(diǎn)擊任務(wù)欄的【開(kāi)始】按鈕，

18、點(diǎn)擊“關(guān)閉計(jì)算機(jī)” ，彈出一對(duì)話(huà)框，選擇“關(guān)閉 計(jì)算機(jī)”，點(diǎn)擊【是（Y）】按鈕。等計(jì)算機(jī)主機(jī)電源關(guān)閉后，關(guān)閉顯示器。6）安全注意事項(xiàng)： 材料試驗(yàn)涉及由于載荷高、移動(dòng)速度快和貯存的能量而帶來(lái)的固有危險(xiǎn)。必須清楚，所有的可移動(dòng)和可操作部件都是潛在的危險(xiǎn)，尤其是電動(dòng)機(jī)械試驗(yàn)系統(tǒng)的移動(dòng)橫梁。一旦認(rèn)為出現(xiàn)危險(xiǎn)，立刻按下“緊 急停止”按鈕，停止試驗(yàn)并切斷試樣系統(tǒng)的電源。因此，實(shí)驗(yàn)前要仔細(xì)閱讀所有相關(guān)手冊(cè)并查看所有“警 告” 與“注意” 。確保將要在材料、 組件或結(jié)構(gòu)上使用的試驗(yàn)設(shè)置和實(shí)際試驗(yàn)不會(huì)對(duì)自己或他人造成危險(xiǎn)。 充分利用所有的機(jī)械和電子限位功能。這些限位可以防止作動(dòng)缸活塞或移動(dòng)橫梁的移動(dòng)超過(guò)需要的操

19、作區(qū)域。同時(shí)為試樣和設(shè)備提供保護(hù)以減少潛在的危險(xiǎn)。五試驗(yàn)結(jié)果記錄及數(shù)據(jù)處理：根據(jù)力學(xué)性能指標(biāo)的計(jì)算公式及試驗(yàn)中所測(cè)定的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出材料的各力學(xué)性能參數(shù)，根據(jù) 試驗(yàn)所繪出的P- L圖，畫(huà)出圖。對(duì)試驗(yàn)中的各種現(xiàn)象及破壞情況進(jìn)行分析和比較，并寫(xiě)進(jìn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。完成實(shí)驗(yàn)后，每個(gè)學(xué)生都要獨(dú)立寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是對(duì)所作試驗(yàn)的綜合報(bào)告，其要求包括:用自己的語(yǔ)言，準(zhǔn)確扼要的敘述實(shí)驗(yàn)的目的、原理、步驟和方法，記錄所使用的設(shè)備和儀器的名稱(chēng)與型號(hào)、數(shù)據(jù)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、問(wèn)題討論等內(nèi)容。要求做到字跡端正、繪圖清晰、表格簡(jiǎn)明。六.思考題：1. 低碳鋼在拉伸過(guò)中可分為幾個(gè)階段，各階段有何特征？2. 低碳鋼和鑄鐵在拉伸

20、和壓縮實(shí)驗(yàn)中的性能和特點(diǎn)有什么不同？比較低碳鋼與鑄鐵試件拉伸與壓縮圖 的差異。比較低碳鋼與鑄鐵試件在拉伸與壓縮時(shí)的力學(xué)性能。比較低碳鋼與鑄鐵試件在拉伸與壓縮破 壞時(shí)形狀。比較鑄鐵試件在拉伸與壓縮時(shí)的強(qiáng)度。3. 何謂“冷作硬化”現(xiàn)象？此現(xiàn)象在工程中如何運(yùn)用。4. 為什么低碳鋼壓縮時(shí)測(cè)不出強(qiáng)度極限？5. 鑄鐵壓縮時(shí)沿大約 45°斜截面破壞，拉伸時(shí)沿橫截面破壞，這種現(xiàn)象說(shuō)明了什么？（附：）實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式參考一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模憾?shí)驗(yàn)設(shè)備儀器：三. 實(shí)驗(yàn)原理：四. 實(shí)驗(yàn)步驟：五. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)果處理:1.拉伸實(shí)驗(yàn)：1）實(shí)驗(yàn)前拉伸試件尺寸:2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):材料屈服載荷p s( kN)最大載何Pb (

21、 kN )拉斷后標(biāo)距L 1(mm)頸縮處直徑d 1 (mm)頸縮處最小橫截 面積 A i (mm2 )碳鋼鑄鐵3)計(jì)算結(jié)果:材 料 名 稱(chēng)強(qiáng)度指標(biāo)塑性指標(biāo)屈服極限6 s ( MPa)強(qiáng)度極限6 b (MPa)延伸率3 (%)截面收縮率書(shū)(%)碳鋼鑄鐵/ i4)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制拉伸(6- £)曲線(xiàn)及試樣斷口草圖。OO材料拉伸試件破壞斷口草圖碳 鋼鑄鐵2 壓縮實(shí)驗(yàn)1）試件尺寸及測(cè)試結(jié)果材料低碳鋼鑄鐵直徑D =mmD =mm截面積A =2mmAo =2mm高度h =mmh =mm屈服載荷Ps=kN無(wú)最大載何無(wú)Pb =KN屈服強(qiáng)度s=MP a無(wú)抗壓強(qiáng)度無(wú)b =MPa壓縮試件破壞草圖圖2）根據(jù)

22、實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制壓縮圖（6 - £）曲線(xiàn)OO六思考題回答：1）低碳鋼在拉伸過(guò)中可分為幾個(gè)階段，各階段有何特征？2）低碳鋼和鑄鐵在拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)中的性能和特點(diǎn)有什么不同？比較低碳鋼與鑄鐵試件拉伸與壓縮圖的差異。比較低碳鋼與鑄鐵試件在拉伸與壓縮時(shí)的力學(xué)性能。比較低碳鋼與鑄鐵試件在拉伸與壓縮破壞時(shí)形狀。比較鑄鐵試件在拉伸與壓縮時(shí)的強(qiáng)度。3）為什么低碳鋼壓縮時(shí)測(cè)不出強(qiáng)度極限？4）鑄鐵壓縮時(shí)沿大約 45°斜截面破壞，拉伸時(shí)沿橫截面破壞，這種現(xiàn)象說(shuō)明了什么？實(shí)驗(yàn)二金屬材料扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? .測(cè)定鑄鐵的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限T b2 測(cè)定低碳鋼材料的扭轉(zhuǎn)屈服極限Ts及扭轉(zhuǎn)條件強(qiáng)度極限T bo

23、3 觀(guān)察比較兩種材料的扭轉(zhuǎn)變形過(guò)程中的各種現(xiàn)象及其破壞形式，并對(duì)試件斷口進(jìn)行分析。】.實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器:1 .扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)2 .刻度機(jī)3 .游標(biāo)卡尺三實(shí)驗(yàn)原理：扭轉(zhuǎn)破壞試驗(yàn)是材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)最基本最典型的實(shí)驗(yàn)之一。將試件兩端夾持在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)夾頭中。試驗(yàn) 時(shí)，一個(gè)夾頭固定不動(dòng)，另一夾頭繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使試件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。低碳鋼試件在受扭的最初階段，扭矩M與扭轉(zhuǎn)角$成正比關(guān)系，橫截面上剪應(yīng)力沿半徑線(xiàn)性分布如圖a所示。隨著扭矩 M的增大，橫截面邊緣處的剪應(yīng)力首先達(dá)到剪切屈服極限s且塑性區(qū)逐漸向圓心擴(kuò)展,形成環(huán)形塑性區(qū)見(jiàn)圖 b。但中心部分仍是彈性的。試件繼續(xù)變形，屈服從試件表層向心部擴(kuò)展直到整個(gè)截面幾乎都是塑性區(qū)

24、如圖 C所示。底磯鋼刮軸試件扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力分布示意圖a這時(shí)，試驗(yàn)機(jī)指針基本不動(dòng)此時(shí)對(duì)應(yīng)的扭矩即為屈服扭矩M。隨后，材料進(jìn)入強(qiáng)化階段，變形增加,扭矩隨之增加，直到試件破壞為止。因扭轉(zhuǎn)無(wú)頸縮現(xiàn)象。所以，扭轉(zhuǎn)曲線(xiàn)一直上升而無(wú)下降情況，試件破 壞時(shí)的扭矩即為最大扭矩 M。扭轉(zhuǎn)屈服極限T b按下式計(jì)算，即MsWpWp3Wp d其中式中16 為試件抗扭截面模量。鑄鐵受扭時(shí)，在很小的變形下發(fā)生破壞。從扭轉(zhuǎn)開(kāi)始直到破壞為止，扭矩M與扭轉(zhuǎn)角近似成正比關(guān)系，且變形很小。試件破壞時(shí)的扭矩即為最大扭矩M,可據(jù)下式計(jì)算出扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限T b,即WbW試件受扭，材料處于純剪應(yīng)力狀態(tài)如圖14所示。在與桿軸成土 45°

25、角的螺旋面上，分別受到主應(yīng)為b 1= T,b 3=- T的作用。低碳鋼圓形試件的破壞斷面與曲線(xiàn)垂直見(jiàn)圖a ,顯然是沿最大剪應(yīng)力的作用面發(fā)生斷裂，為剪應(yīng)力作 用而剪斷。故低碳鋼材料的抗剪能力低于抗拉（壓） 能力；鑄鐵圓形試件破壞斷面與軸線(xiàn)成 45°螺旋面見(jiàn) 圖b ,破壞斷口垂直于最大拉應(yīng)b i方向，斷面呈晶粒 狀，這是正應(yīng)力作用下形成脆性斷口，故鑄鐵材料是 當(dāng)最大拉應(yīng)力首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，在該截面 發(fā)生拉斷破壞。四實(shí)驗(yàn)步驟：1 低碳鋼扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)1）用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件直徑，用刻度機(jī)在試件標(biāo)距兩端刻劃圓周線(xiàn)，用粉筆沿軸線(xiàn)方向劃一直線(xiàn)， 待試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備好后裝到試驗(yàn)機(jī)上。2） 根據(jù)低碳鋼的剪

26、切強(qiáng)度極限tb估計(jì)M,選擇合適的測(cè)扭矩度盤(pán)，復(fù)習(xí)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)操作規(guī)程，調(diào)整 測(cè)扭矩的指針，對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)，并檢查自動(dòng)繪圖器3 ）請(qǐng)教師檢查以上步驟完成情況，并開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行，檢查試驗(yàn)機(jī)是否處于正常狀態(tài)。4） 開(kāi)始加載時(shí)，要用慢速，使自動(dòng)繪圖器也同時(shí)工作。當(dāng)M -0圖開(kāi)始由直線(xiàn)變?yōu)榍€(xiàn)時(shí)，即表明 扭矩已達(dá)到 M。此時(shí)，注意觀(guān)察試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤(pán)上的指針，若它停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即說(shuō)明材料發(fā)生屈服，記錄此時(shí)的扭矩M。5） 經(jīng)過(guò)屈服階段，即可快速加載直至剪斷為止，停車(chē)，由副針讀出最大扭矩M,以測(cè)角度盤(pán)上讀出 破壞時(shí)的扭轉(zhuǎn)角0。6 ）試驗(yàn)結(jié)束2 .鑄鐵試驗(yàn)1 ）試驗(yàn)步驟與低碳鋼試件類(lèi)同，用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件直徑，根據(jù)鑄鐵的剪

27、切強(qiáng)度極限Tb,估計(jì)最大扭矩Mb,選擇合適的扭矩度盤(pán)。2 ）把試件裝入試驗(yàn)機(jī)，用自動(dòng)繪圖器記錄Mn -0圖，加載直到試件斷裂，由扭矩度盤(pán)上的副針讀出Mb。五.思考題：1. 根據(jù)拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)三種試驗(yàn)結(jié)果，從載荷-變形曲線(xiàn)、強(qiáng)度指標(biāo)及試件上一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)圖和破壞斷口等方面綜合分析低碳鋼與鑄鐵的機(jī)械性質(zhì)。2 .鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞斷口的傾斜方向與外加扭矩的方向有無(wú)直接關(guān)系？為什么？（附）試驗(yàn)報(bào)告要求一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器:三實(shí)驗(yàn)原理：四實(shí)驗(yàn)步驟：五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)果處理：試驗(yàn)記錄、結(jié)果。以表格形式列出只包括低碳鋼及鑄鐵扭轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械性能，M"圖（用坐標(biāo)紙繪制）兩種試件破壞時(shí)的斷口狀態(tài)圖，分

28、析討論低碳鋼和鑄鐵破壞情況及原因，并與拉伸、壓縮試驗(yàn)情況進(jìn)行比 較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理1 .將試驗(yàn)數(shù)據(jù)以表格形式給出2 低碳鋼的屈服極限T s及扭轉(zhuǎn)條件強(qiáng)度極限T b按下式計(jì)算：MsMbsWpbWpMbb鑄鐵的強(qiáng)度計(jì)算WpWpd163 繪制低碳鋼、鑄鐵試件的扭轉(zhuǎn)圖及斷口示意圖，并分析破壞原因。實(shí)驗(yàn)三彎曲實(shí)驗(yàn)一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 掌握電測(cè)法測(cè)定應(yīng)力的基本原理和電阻應(yīng)變儀的使用。2. 驗(yàn)證梁的理論計(jì)算中正應(yīng)力公式的正確性，以及推導(dǎo)該公式時(shí)所用假定的合理性。二實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器：1 .彎曲梁試驗(yàn)臺(tái)2 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀及預(yù)調(diào)平衡箱3 拉、壓力傳感器及數(shù)字測(cè)力儀三實(shí)驗(yàn)原理：1 實(shí)驗(yàn)裝置原理：梁彎曲理論的發(fā)展，一直是和實(shí)

29、驗(yàn)有著密切的聯(lián)系。如在純彎曲的條件下，根據(jù) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)判斷，推理，提出了如下假設(shè)：梁變形前的橫截面在變形后仍保持為平面，并且仍然垂直 于變形后梁的軸線(xiàn)，只是繞截面內(nèi)的某一軸旋轉(zhuǎn)了一定角度。這就是所說(shuō)的平面假設(shè)。以此假設(shè)及單向應(yīng) 力狀態(tài)假設(shè)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出直梁在純彎曲時(shí)橫截面上任一點(diǎn)的正應(yīng)力公式為式中：M-橫截面上的彎矩；I z橫截面軸慣性矩；y所求應(yīng)力 點(diǎn)矩中性軸的距離。整梁彎曲試驗(yàn)采用矩形截面的低炭鋼單跨簡(jiǎn)支梁，梁承受荷載 如圖純彎曲梁、T型及工字梁的材料為 45鋼調(diào)質(zhì)處理，長(zhǎng)700mm寬20mm、高40mm彈模E=210-200GPa、 泊松比卩=0.28、力矩a=150mm在其長(zhǎng)度方向

30、上分別制成矩形截面、工字形截面和T形截面三段，每段梁的側(cè)面沿與軸線(xiàn)平行的不同高度上均粘貼有單向應(yīng)變片，每種截面的尺寸及應(yīng)變片位置如圖所示。通過(guò)材 料力學(xué)多功能試驗(yàn)裝置如圖實(shí)現(xiàn)等量逐級(jí)加載，載荷大小由數(shù)字載荷顯示儀顯示。1在載荷P的作用下梁發(fā)生彎曲變形，三種截面上所承受的彎矩均為：M -P a ；橫截面上的正應(yīng)2力理論計(jì)算公式為:M y理IzJ1TB=20B=2010矩形梁及T形、工字梁截面式中y為欲求應(yīng)力點(diǎn)到中性軸的距離。對(duì)于矩形截面和工字形截面，梁的中性軸（z軸）位置均在其幾何中心線(xiàn)上，但T形截面梁的中性軸（z軸）位置不在其幾何中心線(xiàn)上，通過(guò)計(jì)算可得 T形截面的中性軸。各截面的慣性矩I z為

31、矩形截面的慣性矩Iz丄BH12工字形截面的慣性矩°右曲bh3T形截面的慣性矩其中y。為底邊到中性軸的距離。將每段梁上的應(yīng)變片）以1/4橋形式分別接入應(yīng)變儀的通道中，公用一個(gè)溫度補(bǔ)償片，組成如圖所示的電橋。當(dāng)梁在載荷 P的作用下梁發(fā)生彎曲變形時(shí)，工作片的電阻隨著梁的變形而發(fā)生變化，通過(guò)電阻應(yīng) 變儀可以分別測(cè)量出各對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變量實(shí)。根據(jù)胡克定律可計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值。實(shí) E 實(shí)2. 電阻應(yīng)變測(cè)量原理和方法：在實(shí)際工程中，對(duì)構(gòu)件除了理論分析計(jì)算外，往往還采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)構(gòu)件或其模型進(jìn)行應(yīng)變、應(yīng)力測(cè)量分析，這種方法稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析。在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的多種方法中，電阻應(yīng)變片測(cè)量技術(shù)（又稱(chēng)應(yīng)變電測(cè)

32、法，簡(jiǎn)稱(chēng)電測(cè)法）是工程中最常用的應(yīng)力分析方法之一。電測(cè)法是一種非電量電測(cè)技術(shù)。測(cè)量時(shí)，用專(zhuān)用粘結(jié)劑將電阻應(yīng)變片（簡(jiǎn) 稱(chēng)應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)） 粘貼到被測(cè)構(gòu)件表面， 應(yīng)變片因感受測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變而使自身的 電阻改變，電阻應(yīng)變儀（簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)變儀）將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大， 然后顯示出應(yīng)變值，再由應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系換算成應(yīng)力值，達(dá)到對(duì)構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的目的。電測(cè)法主 要有如下優(yōu)點(diǎn)：（1） 靈敏度高能測(cè)量小于（微應(yīng)變1二=1X 10-6）的微小應(yīng)變；（2） 適應(yīng)性強(qiáng)應(yīng)變片可測(cè)應(yīng)變范圍為12.2 X 105- （1 X 10-62.2 X 10-1）的應(yīng)變，可測(cè)應(yīng)變頻率為0200KHZ能在接近絕對(duì)零度的極低

33、溫直到高于900C的高溫環(huán)境下工作，能在水中和核輻射環(huán)境下測(cè)量，能在轉(zhuǎn)速為 10000rpm和運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件上取得信號(hào)，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙測(cè)。（3） 精度高在實(shí)驗(yàn)室常溫條件下靜態(tài)測(cè)量，誤差可控制在1河內(nèi)；現(xiàn)場(chǎng)條件下的靜態(tài)測(cè)量，誤差為13%動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差在 35%范圍內(nèi)。（4） 自動(dòng)化程度高科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為應(yīng)變電測(cè)法提供了先進(jìn)的測(cè)試儀器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，不僅使測(cè)試效率大為提高，也使測(cè)量誤差不斷降低。目前已有100點(diǎn)/秒的靜態(tài)應(yīng)變儀和對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)分析處理的系統(tǒng)。（5） 可測(cè)多種力學(xué)量現(xiàn)已有裂紋擴(kuò)展片（測(cè)量裂紋的擴(kuò)展）、測(cè)溫片、殘余應(yīng)力片等。采用 應(yīng)變片作敏感元件而制成的應(yīng)變式傳感器，可測(cè)力、壓

34、強(qiáng)、扭矩、位移、轉(zhuǎn)角、速度和加速度等多種力學(xué) 量。當(dāng)然，電測(cè)法也有局限性，只能測(cè)量構(gòu)件表面有限點(diǎn)的應(yīng)變，當(dāng)測(cè)點(diǎn)較多時(shí)，準(zhǔn)備工作量大。所 測(cè)應(yīng)變是應(yīng)變片敏感柵投影面積下構(gòu)件應(yīng)變的平均值，對(duì)于應(yīng)力集中和應(yīng)變梯度很大的部位，會(huì)引起較大 的誤差。應(yīng)變電測(cè)法所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使該方法成為動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的最有效的方法，也是高溫、液下和旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件應(yīng)變測(cè)量的唯一方法。現(xiàn)在，應(yīng)變電測(cè)法在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科學(xué)研究、工程監(jiān)測(cè)、航空、航 天、醫(yī)學(xué)、體育及日常生活中都得到廣泛應(yīng)用。1）電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換原理一一電阻應(yīng)變片 由物理學(xué)知，金屬絲的電阻值除與其材料的性質(zhì)有關(guān)外， 還與金屬絲的長(zhǎng)度、橫截面面積有關(guān)。若金屬絲變形而

35、使其長(zhǎng) 度和橫截面面積發(fā)生變化， 其電阻值亦將相應(yīng)地發(fā)生變化。 金屬絲粘貼在構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，金屬絲也隨構(gòu)件一 起變形而發(fā)生電阻變化。因此，可用測(cè)量金屬絲的電阻改變量 的方法測(cè)定構(gòu)件所產(chǎn)生的應(yīng)變值。由于金屬絲有一定的長(zhǎng)度， 而構(gòu)件各點(diǎn)的應(yīng)變往往并不相同。為能用金屬絲測(cè)量一點(diǎn)（或接近一點(diǎn)）的應(yīng)變，可將金屬絲繞成柵狀 如圖（a）所示，并將金屬絲柵粘固在紙質(zhì)（膠質(zhì)、金屬）基底上，就稱(chēng)為電阻應(yīng)變片（簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)變片）。 電阻應(yīng)變測(cè)量原理，是以電阻應(yīng)變片作為傳感元件，將其牢固地粘貼在構(gòu)件的測(cè)點(diǎn)上。構(gòu)件受力后，由于 測(cè)點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變片也隨之變形而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。再用專(zhuān)用儀器測(cè)得應(yīng)變片的電阻變化

36、的大 小，并轉(zhuǎn)換為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。常用的應(yīng)變片有絲繞式（如圖a ）和箔式（如圖b ）應(yīng)變片。絲繞式應(yīng)變片是直徑0.02-0.05mm的鎳鉻絲或康銅絲繞成柵狀，粘固在兩片基底之間，電阻絲兩端用鍍銀銅線(xiàn)作引出線(xiàn)。箔式應(yīng)片是用涂刷一 層樹(shù)脂基底的鎳鉻箔或康銅箔，經(jīng)光刻腐蝕制成柵狀，焊上引出線(xiàn)之后再覆蓋上一層保護(hù)層而成。測(cè)量應(yīng)變時(shí)，將應(yīng)變片粘固在構(gòu)件表面待測(cè)應(yīng)變處，使應(yīng)變片的柵線(xiàn)方向與待測(cè)線(xiàn)應(yīng)變的方向一 致。設(shè)應(yīng)變片變形前的電阻值為R。構(gòu)件于測(cè)點(diǎn)處沿應(yīng)變片方向的線(xiàn)應(yīng)變?yōu)椤?yīng)變片跟隨構(gòu)件一起變形后的電阻改變量為 R。實(shí)驗(yàn)表明，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)變片的電阻變化率厶R/R與線(xiàn)應(yīng)變占成正比，即=疋E式中，比例

37、常數(shù) K稱(chēng)為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，其值與應(yīng)變片金屬絲的材料、應(yīng)變片的構(gòu)造、制造工藝等多種因素有關(guān)。常用應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一般為2左右。具體數(shù)值由生產(chǎn)廠(chǎng)家給出。對(duì)靈敏系數(shù)K已知的應(yīng)變片,只要測(cè)出由應(yīng)變引起的電阻變化率R/R,就可以從測(cè)量?jī)x器上直接讀出所測(cè)點(diǎn)沿應(yīng)變片方向的線(xiàn)應(yīng)變2）電阻應(yīng)變測(cè)量原理一一應(yīng)變儀（1）應(yīng)變電橋測(cè)量應(yīng)變片電阻變化率并轉(zhuǎn)換為測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值的儀器稱(chēng)為電 阻應(yīng)變儀。電阻應(yīng)變儀的測(cè)量電路是按惠斯登電橋原理設(shè) 計(jì)的。如圖為電阻應(yīng)變儀的測(cè)量電橋。是由電阻R、艮、R和F4組成的四臂電橋，UAc為供橋電源電壓，LBd為電橋輸出電壓。 設(shè)流過(guò)R1、Ra支路的電流為|1,流過(guò)R3、F4支路的電流為|2

38、,則 有11=uBD司1氏1 -【逛4 _( RjLR1 +R2電橋輸出電壓UBd等于R與R4兩橋臂電阻電壓降之差，即R jKj 只北1憶4fRl +R2XK3+B4)當(dāng)UBd=0時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)。由于UAc豐0 ,所以電橋的平衡條件為_(kāi)-P- =R1 - R4-或 ''a）全橋接法若電橋的四個(gè)橋臂電阻都是貼在構(gòu)件上的應(yīng)變片，這種接橋方法稱(chēng)為全橋接法。設(shè)四個(gè)應(yīng)變片的電阻值相等，即R1=R2=R3=F4=R,則電橋是平衡的，即滿(mǎn)足式（3-2 ）。構(gòu)件受力后，各橋臂電阻改變量分別 為厶Ri>A R2>A F3、A F4。橋臂電阻改變后，電橋失去平衡，電橋的輸出電壓L

39、d不為零。根據(jù)電橋原理式（3-2 ），輸出電壓 UBd為_(kāi)保"ARJ十釀r ）-+職2職4 +曲Bt， （Ri十屈1 +F“ +駅3富2 +血豈十十服簡(jiǎn)化上式時(shí)，略去A R （i=1 , 2, 3, 4,）的高次項(xiàng)，因A R相對(duì)R來(lái)說(shuō)數(shù)量很小，故化簡(jiǎn)分母時(shí)也可省riRh u A.C 嚴(yán)_ 皿2 q_ 甌了 -聖士）略。這樣在容許的非線(xiàn)性誤差范圍內(nèi)得出一個(gè)線(xiàn)性關(guān)系式根據(jù)式式中，KUA/4為一常數(shù)因子。若應(yīng)變儀的讀數(shù)疋呂U朮口 _乜嘩（Ei+阿-切），上式可寫(xiě)成-直接按應(yīng)變值刻度，則上式成為：:" - - -'二 該式表明，應(yīng)變儀讀數(shù)與各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變成線(xiàn)性關(guān)系。且相鄰橋臂

40、產(chǎn)生同號(hào)應(yīng)變時(shí)，兩應(yīng)變值之間存在相減 的關(guān)系；產(chǎn)生異號(hào)應(yīng)變時(shí)，兩應(yīng)變值為疊加關(guān)系。相對(duì)橋臂產(chǎn)生同號(hào)應(yīng)變時(shí)，兩應(yīng)變?yōu)榀B加關(guān)系；產(chǎn)生異 號(hào)應(yīng)變時(shí)，兩應(yīng)變之間為相減關(guān)系。b）半橋接法若只在電橋的 A B節(jié)點(diǎn)間和B、C節(jié)點(diǎn)間接兩片應(yīng)變片。而 A、D節(jié)點(diǎn)間和D C節(jié)點(diǎn)間接應(yīng)變儀 內(nèi)部的固定電阻。此時(shí)，只有半橋（Ri、R2）參與應(yīng)變測(cè)量，這種接電橋的方法稱(chēng)為半橋接法。應(yīng)變儀的讀數(shù)、與測(cè)點(diǎn)應(yīng)變間有關(guān)系式' <NV（2）溫度補(bǔ)償原理 用電阻應(yīng)變片測(cè) 量應(yīng)變時(shí)，不僅構(gòu)件的應(yīng) 變能使應(yīng)變片的電阻值發(fā) 生變化，環(huán)境溫度的改變 也會(huì)使應(yīng)變片的電阻發(fā)生 變化。此外，被測(cè)構(gòu)件的 線(xiàn)膨脹系數(shù)與應(yīng)變片電阻 絲的

41、線(xiàn)膨脹系數(shù)不同時(shí)， 溫度變化時(shí)也會(huì)使應(yīng)變片 受到附加應(yīng)變。一般的應(yīng) 變片，環(huán)境溫度改變1 C時(shí)，所產(chǎn)生的溫度“應(yīng)變”可達(dá)幾十微應(yīng)變。在應(yīng)變測(cè)量中，常采用溫度補(bǔ)償法來(lái)消除溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。已半橋接法為例，根據(jù)半橋接法，相鄰橋臂中發(fā)生的同號(hào)應(yīng)變相減的關(guān)系，在被測(cè)構(gòu)件上沿待測(cè)應(yīng)變方向貼一片應(yīng)變片R，稱(chēng)為工作片，接在電橋的一個(gè)橋臂上。 將另一片相同的應(yīng)變片 R貼在與構(gòu)件材料相同但不受力的補(bǔ)償塊上，補(bǔ)償塊放在被測(cè)構(gòu)件的附近，使它們?cè)谙嗤臏囟葓?chǎng)中。該應(yīng)變片Ra稱(chēng)為溫度補(bǔ)償片，如圖所示。由于工作片與溫度補(bǔ)償片的溫度相同，補(bǔ)償塊與構(gòu)件的材料又相同，環(huán)境溫度變化時(shí)，兩片應(yīng)變片中引起的溫度“應(yīng)變”匚完全

42、相同。若工作應(yīng)變片還感受構(gòu)件受力后引起的工作應(yīng)變夕，則應(yīng)變儀的讀數(shù)由式（3-7 ）表示為牡=気-6=（弓+巧為二£該式表明，應(yīng)變儀讀數(shù)中只反映工作應(yīng)變片中感受的工作應(yīng)變，消除了溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。（3）電測(cè)法的一般過(guò)程電測(cè)法的一般過(guò)程如下列框圖所示：28四、實(shí)驗(yàn)步驟：1安裝試驗(yàn)梁。梁的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)事先貼上電阻應(yīng)變片（一般此工作已由實(shí)驗(yàn)室完成）2 測(cè)量梁截面的尺寸，支點(diǎn)及加力點(diǎn)的距離。分別測(cè)量梁的各個(gè)截面尺寸、應(yīng)變片位置參數(shù)及其它有關(guān)尺寸，預(yù)熱應(yīng)變儀和載荷顯示儀。計(jì)算中性軸位置及各個(gè)截面的慣性矩Iz3. 檢查各種儀器是否連接好，按順序?qū)⒏鱾€(gè)應(yīng)變片按1/4橋接法接入應(yīng)變儀的所選通道上。

43、4. 逐一將應(yīng)變儀的所選通道電橋調(diào)平衡。5. 搖動(dòng)多功能試驗(yàn)裝置的加載機(jī)構(gòu)，采用等量逐級(jí)加載（可取P 1kN）,每加一級(jí)載荷，分別讀出各相應(yīng)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值。加載應(yīng)保持緩慢、均勻、平穩(wěn)。可重復(fù)幾遍，觀(guān)察試驗(yàn)結(jié)果。6將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的相應(yīng)表格中。7整理儀器，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。五.思考題：1 直梁彎曲正應(yīng)力公式的意義和推導(dǎo)方法。2.簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變片和電阻應(yīng)變儀的基本原理和多點(diǎn)測(cè)量的方法。3 實(shí)驗(yàn)中若測(cè)得的中性層上應(yīng)變不為零，試分析原因。（附：）實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求及參考表格一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模憾?shí)驗(yàn)設(shè)備儀器：三實(shí)驗(yàn)原理：四實(shí)驗(yàn)步驟：五.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)果處理：1）將各類(lèi)數(shù)據(jù)（包括原始數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)）整理，以表

44、格中形式列出，其中包括試件尺寸，材 料彈性模量，測(cè)試記錄數(shù)據(jù)等。矩形截面直梁參數(shù)EGPa, amm, Bmm,Hmm應(yīng)變（卩£ ） 載荷11點(diǎn)ymm22點(diǎn)ymm3 3點(diǎn) ymm4 4點(diǎn) ymm55點(diǎn)ymm下讀數(shù)增量讀數(shù)增量讀數(shù)增量讀數(shù)增量讀數(shù)增量讀數(shù)增量PN實(shí)MPa理MPa2）應(yīng)力計(jì)算要求根據(jù)測(cè)量結(jié)果&j用公式實(shí)Ejj計(jì)算相應(yīng)的實(shí)測(cè)應(yīng)力值，并根據(jù)厶P和M i理 j yj梁的幾何尺寸用公式Izj計(jì)算理論應(yīng)力值并填入上表中（要求有公式及數(shù)據(jù)代入過(guò)程）3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)正應(yīng)力；在坐標(biāo)紙上按比例繪制應(yīng)力分布曲線(xiàn)，并與理論計(jì)算應(yīng)力比較。 六思考題回答。實(shí)驗(yàn)四彎扭組合變形實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

45、目的:1 測(cè)定薄壁圓筒彎、扭組合變形時(shí)的表面一點(diǎn)處的主應(yīng)力大小和方向，并與理論值進(jìn)行比較;2 .進(jìn)一步熟悉電阻應(yīng)變儀的使用方法;實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器：1.電阻應(yīng)變儀；'固定支架'巴扭生把買(mǎi)比收3-2 彎扭組合實(shí)驗(yàn)裝置；三實(shí)驗(yàn)原理：1.實(shí)驗(yàn)裝置：該裝置用的試件采用高強(qiáng)度鋁合金管制成的空心軸，外徑 D=39.9mm內(nèi)徑 d=34.4mm,E=71Gpa,卩=0.325，試驗(yàn)裝置 如圖,根據(jù)設(shè)計(jì)要求初載 Pmin > 50N,終載PmaxW 450N.實(shí)驗(yàn)前將力臂為 250m m的扇形加力臂的鋼絲繩與傳感 器上繩座相聯(lián)接。I-1電阻應(yīng)變片在管的布片方案如圖 B,D兩處沒(méi)有應(yīng)變片180&

46、#176;°B磬、曲沒(méi)有應(yīng)變片0°B邙町270°2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法指定點(diǎn)的主應(yīng)力大小和方向的測(cè)定，是將I-I截面B、D兩點(diǎn)的應(yīng)變片 R1R3, R4R6按照單臂接法接入電阻應(yīng)變儀，采用公共溫度補(bǔ)償片，加載后測(cè)得B、D兩點(diǎn)的£ 45,£ 0，& -45，已知材料的彈性常數(shù)可用下式計(jì)算主應(yīng)力大小主應(yīng)力方向tg2 o45452 04545式中& 45, £ 0, £ -45，分別表示與薄壁管軸線(xiàn)成45° , O0 , -45 0方向上的應(yīng)變。主應(yīng)力大小和方向的測(cè)定,也可選擇其它點(diǎn)測(cè)點(diǎn)，但要在所選測(cè)點(diǎn)處粘貼

47、應(yīng)變片。3 主應(yīng)力測(cè)量原理：構(gòu)件的形狀或受力無(wú)論多么復(fù)雜，它們表面上的一點(diǎn)一般都處于平面應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)主應(yīng)力方向已知的點(diǎn)，測(cè)主應(yīng)力只需沿主應(yīng)力方向貼 個(gè)片，測(cè)出主應(yīng)變，由廣義虎克定律即可求出主應(yīng)力。在主應(yīng)力方向未 知的情況下，要測(cè)任一點(diǎn)的主應(yīng)力和主方向，我們都可以通過(guò)測(cè)量該點(diǎn) 處任意三個(gè)方向的線(xiàn)應(yīng)變來(lái)求得?，F(xiàn)說(shuō)明如下：如圖中所示一點(diǎn)的應(yīng)力單元體，由平面應(yīng)力狀態(tài)下斜截面上的應(yīng)力公 式 可 知， a 截 面 上 的 正 應(yīng)為:cos2xysin2(a)截面上的正應(yīng)力為:=2|m +90P 卜兔(b)由廣義虎克定律可知,門(mén)方向的線(xiàn)應(yīng)變?yōu)?(c)將式（a ）、（ b）代入式（c）得1(1)(xy)(1)

48、( x)cos 2E22(1)xysin 2由上式可以看出，對(duì)于某一平面應(yīng)力狀態(tài)下的單元體（構(gòu)件上的一點(diǎn)），若在 沒(méi)方向布置一片應(yīng)變片，可測(cè)得線(xiàn)應(yīng)變，即得到一個(gè)包含應(yīng)力 門(mén)三個(gè)未知應(yīng)力的方程。那么，如 果在該點(diǎn)處沿另兩方向再貼兩片應(yīng)變片，可以得到另兩個(gè)方程，如 圖所示。聯(lián)立求解上述三個(gè)方程即可求得用三個(gè)所測(cè)得應(yīng)變值表達(dá)的和為。代入下面公式進(jìn)而求得該點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的主應(yīng)力和主方向tan 2 0xy根據(jù)這一原理，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，實(shí)際上采用互成特殊角的三片應(yīng)變片組成的應(yīng)變花，如 我們用的45°應(yīng)變花（如圖），中間的應(yīng)變片與X軸成0°，另外兩個(gè)應(yīng)變片則分別與X軸成土 45°這樣

49、的應(yīng)變花布置能使計(jì)算簡(jiǎn)單，從而推出用所測(cè)得的應(yīng)變值&-45,S 0 , S 45表示的主應(yīng)力及主方向的計(jì)算公式。計(jì)算主應(yīng)力大小和方向?qū)嶒?yàn)表達(dá)式為:tg2 o45452 04545注意：1) 0°方向?yàn)閄軸方向;2)角度規(guī)定以X軸方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù);4 主應(yīng)力理論計(jì)算當(dāng)在荷載P作用下，力矩為L(zhǎng)i =250mm試件發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形，距離圓筒端為L(zhǎng)=300mm處的1-1截面為被測(cè)截面。其中彎矩：M=P- L; 扭矩：M=P Li根據(jù)彎矩引起的正應(yīng)力及扭矩引起的剪應(yīng)力在該截面上的分布規(guī)律。其中：W截面抗彎模數(shù)；WP截面抗扭模數(shù)；主應(yīng)力大小和方向的理論計(jì)算

50、公式為M彎：彎Wz(1)計(jì)算彎曲正應(yīng)力nWzD332(14)；(2)計(jì)算扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力扭WP&(1164)扭；tg2(3)求主應(yīng)力大小和方向四. 實(shí)驗(yàn)步驟：1將B D兩點(diǎn)中的任意點(diǎn)上的 45°應(yīng)變花分別接到應(yīng)變儀上。采用公共溫度補(bǔ)償片， 半橋測(cè)量方法。2 .調(diào)節(jié)應(yīng)變儀，使各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片組成的電橋處于平衡狀態(tài)。3 按預(yù)先估計(jì)的載荷 P,分級(jí)加載，每級(jí)加載 P,直至最大載荷 P為止。并記錄每級(jí)載荷時(shí)各測(cè)點(diǎn) 應(yīng)變片的應(yīng)變值。4 注意：待載荷數(shù)字顯示穩(wěn)定后，再進(jìn)行讀數(shù)。切勿隨意用手撳壓力臂桿和試件，嚴(yán)禁超載，以防 損壞試件或應(yīng)變花。五. 思考題：1 主應(yīng)力測(cè)量時(shí)，直角應(yīng)變花是否可以沿任意方

51、向粘貼？為什么？2 分析形成誤差的主要原因是什么 ？(附)實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器：三實(shí)驗(yàn)原理：四實(shí)驗(yàn)步驟：五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)果處理:1）試樣尺寸及相關(guān)常數(shù)：實(shí)驗(yàn)設(shè)備編號(hào)外徑D/mm內(nèi)徑d/mm彎矩力臂L/mm扭矩力臂a/mm彈性模量E/GPa泊松比應(yīng)變計(jì)K2）實(shí)驗(yàn)記錄參考表格（應(yīng)變單位：卩£）次序載荷£ 45£ 0£ -45P（N）P實(shí)測(cè)差值實(shí)測(cè)差值實(shí)測(cè)差值12345平勻3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算公式£ ° ° =|1£測(cè)點(diǎn)£ 45° =|1££ -45

52、76; =|1£計(jì)算值 （MPa主 應(yīng) 力iE,、32（1）（停450 ）1 =E22y2（i）45°0°）（CP45°）3=主 方 向+c O4545tg2 o 220454504)理論計(jì)算值:(1)計(jì)算彎曲正應(yīng)力MWZE(i324)；(2)計(jì)算扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力扭MnWP(3)求主應(yīng)力大小和方向21彎彎23J 扭；2.2tg2 0六思考題回答實(shí)驗(yàn)五(1)鋼鋁疊梁應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 測(cè)定疊梁鋼+鋁兩種材料組合梁，在純彎曲受力狀態(tài)下一起作純彎曲時(shí)，沿其橫截面高度的正應(yīng)變 (正應(yīng)力)分布規(guī)律，并與理論值作比較。2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論分析，推導(dǎo)疊梁的正應(yīng)力計(jì)算

53、公式。3 .了解兩種不同材料疊梁的內(nèi)力及應(yīng)力分布的差別。實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器：1 . BDCL型材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)2 .靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀。3 .游標(biāo)卡尺和鋼尺等。三實(shí)驗(yàn)原理：在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由于工作需要，把單一的梁、板、柱等構(gòu)件組合起來(lái)，形成另一種新的構(gòu)件形式經(jīng)常 被采用。如支承車(chē)架的板簧，是由多片微彎的鋼板重疊組合而成；廠(chǎng)房的吊車(chē)的承重梁則是由鋼軌、鋼筋 混凝土梁共同承擔(dān)吊車(chē)和重物的重量。實(shí)際中的組合梁的工作狀態(tài)是復(fù)雜多樣的，為了便于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)僅選擇兩根截面積相同的矩形梁，按以下方式進(jìn)行組合：（1）用不同材料組成的疊梁；用電測(cè)法測(cè)定其應(yīng)力分布規(guī)律，觀(guān)察其與單一材料梁應(yīng)力分布的異同點(diǎn)。材料分別為鋁梁和鋼梁，其彈性模量 分別為E=73GN/m2和E=210GN/