河北工程大學(xué)材料力學(xué)實驗-供參考

1、材料力學(xué)實驗趙亞軍 王二成 劉俊生 許楊健 編河 北 工 程 大 學(xué) 教 務(wù) 處2011年3月前 言材料力學(xué)實驗是材料力學(xué)課程教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，材料力學(xué)中的結(jié)論、定理和材料的機(jī)械性質(zhì)，都需要通過試驗來驗證或測定。實際工程中，一個課程的理論分析和計算不論如何嚴(yán)密和精確。如果不通過實驗加以驗證，那么課題的成果是不完整的，使用單位是難以認(rèn)同的。當(dāng)前，冶金、機(jī)制、建筑、交通、航空等各個領(lǐng)域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)的尺寸和重量的要求日趨嚴(yán)格；對于新型耐用材料的需求日趨迫切。與之相應(yīng)的科研成果能否迅速投入使用，往往需要通過必要的力學(xué)實驗來取得第一手資料?？梢哉f力學(xué)實驗往往是有關(guān)科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)里的重要環(huán)節(jié)。目前我國對

2、外開放政策，先進(jìn)技術(shù)和大型設(shè)備不斷引進(jìn)。為維護(hù)國家利益和民族尊嚴(yán)，對外來設(shè)備應(yīng)當(dāng)一絲不茍的進(jìn)行驗收。對不符和技術(shù)要求和出現(xiàn)事故的技術(shù)設(shè)備進(jìn)行索賠。驗收和索賠必須以強(qiáng)有力的實驗資料為說理的依據(jù)。因此有關(guān)的力學(xué)實驗比如結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測定、材料機(jī)械性質(zhì)的測定等等往往是比不可少的。根據(jù)結(jié)構(gòu)的情況和實際的設(shè)備條件來組織和進(jìn)行有關(guān)的力學(xué)實驗，是科研工作者和工程師必備的一種能力。所以材料力學(xué)實驗是各類工程專業(yè)學(xué)生所必須掌握的技能之一。材料力學(xué)實驗包括以下三方面內(nèi)容：一、材料力學(xué)的機(jī)械（力學(xué)）性質(zhì)試驗材料力學(xué)公式只能算出在外載荷作用下構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的大小。為了建立強(qiáng)度條件必須了解材料的強(qiáng)度、剛度、韌度等特性，這就需要

3、通過拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞等試驗來測定材料的強(qiáng)度極限。彈性摸量、疲勞極限等力學(xué)參數(shù)。從而為設(shè)計計算和理論分析提供不可缺少的依據(jù)。通過這類實驗，可以進(jìn)一步鞏固有關(guān)材料機(jī)械性質(zhì)的概念，增加感性認(rèn)識，掌握測定材料特性數(shù)值的實驗方法。二、驗證理論的實驗材料力學(xué)中的一些公式都是在簡化和假設(shè)的基礎(chǔ)上（平面假設(shè)，材料均勻性、彈性和各項同向性假設(shè)）推導(dǎo)。事實上材料的性質(zhì)往往跟完全均勻和完全套性是有差異的，因此，必須通過實驗對根據(jù)推導(dǎo)公式加以驗證，才能確定公式的使用范圍。此外對一些近似解答，其精確度也必須通過實驗校核后才能在工程設(shè)計中使用。梁的彎曲實驗、工字梁實驗等均屬于這類實驗。其目的鞏固和深刻理解課堂

4、中所學(xué)的概念，并學(xué)會一般驗證理論的實驗方法。三、應(yīng)力分析實驗工程上很多實驗工件的受力情況，無法用材料力學(xué)公式進(jìn)行計算，近年來雖然可以用有限元法計算，但也要經(jīng)過適當(dāng)簡化才有可能，對用有限元法計算結(jié)果的精確性，也要通過實驗應(yīng)力分析加以驗證。此外零件設(shè)計中的應(yīng)力集中系數(shù)的確定，機(jī)器和建筑結(jié)構(gòu)使用時的應(yīng)力實測等，均靠實驗應(yīng)力分析的方法，本書中的電測法、光彈性法均屬這類實驗。通過這些實驗，初步掌握應(yīng)力測量的基本方法，同時也將培養(yǎng)運用理論確定實驗方法，分析實驗現(xiàn)象的能力，從而擴(kuò)大和提高解決實驗問題的手段和能力。為真正提高學(xué)生綜合運用知識能力、動手能力、創(chuàng)新能力，材料力學(xué)實驗引入CDIO工程教育理念。CDI

5、O代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）四個過程，再將實驗內(nèi)容加上工程背景，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。將各種知識綜合運用、設(shè)計實驗過程、分析實驗結(jié)果，通過這些具有工程背景的綜合性、設(shè)計性實驗，全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)。為了作好材料力學(xué)實驗，在進(jìn)行實驗時，需要注意下列事項：一、作好課前預(yù)習(xí)及準(zhǔn)備工作課前預(yù)習(xí)，首先應(yīng)明確實驗的目的、原理和步驟，然后根據(jù)實驗?zāi)康募霸O(shè)備條件初步確定進(jìn)行實驗的具體方法，例如實驗時能加多大載荷，如何測量變形等。此外還需設(shè)計記錄表格以備實驗時記錄數(shù)據(jù)之用。在進(jìn)行實驗時，要同時測量力與變

6、形，因此，要小組集體完成實驗，所以實驗時小組成員應(yīng)分工明確，操作要相互協(xié)調(diào)，才能得到較好的實驗結(jié)果。二、進(jìn)行實驗在正式開始實驗前，要檢查試驗機(jī)測力度盤指針是否對準(zhǔn)零點，變形儀是否安裝穩(wěn)妥，試件裝置是否正確等。最后還應(yīng)請指導(dǎo)教師檢查，教師檢查無誤后方可開動機(jī)器。第一次加載，可不記錄（不允許重復(fù)加載的除外），觀察各部變化是否正常，如果正常再正式加載并開始記錄。此時，記錄者及操作者均許嚴(yán)肅認(rèn)真，一絲不茍的進(jìn)行實驗。實驗完畢，要查數(shù)據(jù)是否齊全，并注意清理設(shè)備，把借用的一起歸還原處。三、對實驗報告的要求材料力學(xué)實驗報告應(yīng)當(dāng)包括以下基本內(nèi)容：1、實驗名稱、實驗日期、當(dāng)時的溫度、實驗者及組員姓名。2、實驗?zāi)?/p>

7、的。3、實驗設(shè)備：應(yīng)注明所用之設(shè)備、儀器、儀表的名稱、型號、精度（或放大倍數(shù)）、量程等等。其它用具也要寫清。4、實驗數(shù)據(jù)處理：實驗數(shù)據(jù)應(yīng)列表表示，表格應(yīng)填寫清楚，注明測量單位。此外，還要注意儀器本身的精度和有效數(shù)字。5、計算：在材料力學(xué)實驗中，用小型計算機(jī)或計算器及可。但需注意有效數(shù)字的運算法則。免得計算或記錄過多的位數(shù)，浪費時間。在一般材料力學(xué)實驗中，可選三位有效數(shù)字。在計算中，過用到的公式，均須注明列出，并注明公式中各種符號所代表的意義。6、結(jié)果的表示：在實驗中對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并計算實驗結(jié)果，需符合實驗數(shù)據(jù)處理方法的要求，一般還要采用圖表或曲線來表示實驗的結(jié)果。曲線均應(yīng)繪在方格紙上。圖

8、中應(yīng)注明坐標(biāo)系所代表的物理量和比例尺。實驗的坐標(biāo)點應(yīng)當(dāng)用記號標(biāo)出，例如，“”“”“”等等。當(dāng)連接曲線時不要用直線逐點連接成折線，應(yīng)當(dāng)根據(jù)多數(shù)點的所在位置，描繪出光滑的曲線。7、討論：在報告最后部分應(yīng)當(dāng)對實驗結(jié)果舉行分析，說明實驗的優(yōu)缺點，主要結(jié)果是否正確，并對誤差加以分析，還要回答教師指定的思考題。目 錄前 言（一）萬能試驗機(jī)（1）（二）拉伸實驗（4）（三）壓縮實驗（9）（四）球鉸式引申儀（11）（五）拉伸時金屬材料彈性模量的測定（14）（六）扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)（17）（七）扭轉(zhuǎn)試驗（22）（八）電阻應(yīng)變儀操作練習(xí)（26）（九）純彎梁正應(yīng)力測定（28）（十）空心圓軸主應(yīng)力測定（30）（十一）光彈性的演

9、示實驗（32）（十二）沖擊試驗（34）（十三）疲勞實驗（37）（十四）冷彎試驗（41）（一）萬能試驗機(jī)一、微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)試驗機(jī)采用調(diào)速精度高、性能穩(wěn)定的交流伺服系統(tǒng)和交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動系統(tǒng)。試驗力測量范圍0-100kN，調(diào)速范圍0.005-500mm/min，測力分辨率為滿量程范圍的0.001%。具有量程自動轉(zhuǎn)換、實驗過程力值實時顯示、峰值保留等功能。該試驗機(jī)實現(xiàn)了恒試驗力、應(yīng)力速率及恒變形、應(yīng)變速率的閉環(huán)控制，具有實驗過程控制模式智能設(shè)置專家系統(tǒng)。實現(xiàn)了試驗力、位移、變形和試驗曲線的屏幕顯示，同時具備試驗條件、試驗結(jié)果的計算機(jī)存儲和文件操作功能。試驗機(jī)由三部分組成：加力部分、測力

10、部分和記錄、處理部分。如圖1-1所示。圖1-1 微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)試驗機(jī)使用規(guī)程：1、點擊winwdw圖標(biāo)進(jìn)入應(yīng)用程序界面，合上變壓器，并點擊遙控盒上的啟動按鈕。2、在軟件的控制參數(shù)中選擇是否用引申計，在數(shù)據(jù)處理參數(shù)設(shè)置中選擇試驗方法。3、建立試樣信息。4、上夾緊試樣，調(diào)節(jié)好下夾緊的位置（調(diào)節(jié)位置時用50mm/min的速度）。5、選擇負(fù)荷檔位（一般是100kN）負(fù)荷清零，峰值清零，然后再下夾緊。6、如用引伸計裝上引伸計(變形選擇12.5mm這個檔位)，變形清零。7、選擇試驗速度（一般是2mm/min）點擊開始，選擇曲線種類。8、試樣斷裂后保存數(shù)據(jù)，點擊試驗分析，選擇要計算的數(shù)據(jù)，打印報告

11、。試驗機(jī)注意事項：1、如果出現(xiàn)緊急狀況及時按下紅色急停按鈕。2、不管什么時候一定要先開軟件再開主機(jī)，先關(guān)主機(jī)再關(guān)軟件。二、液壓式萬能試驗機(jī)（一）構(gòu)造原理液壓式萬能試驗機(jī)是最常用的一種試驗機(jī)。類型很多，但一般只是外型不同，基本原理是一樣的。其構(gòu)造原理如圖1-2所示。圖1-2液壓式萬能試驗機(jī)1加載部分在機(jī)器底座上，裝有兩個固定立柱，它支承著固定橫頭和工作油缸4。開動油泵電動機(jī)帶動油泵工作，將油液從油箱經(jīng)油管（）和送油閥進(jìn)入工作油缸，從而推動工作油缸活塞、上橫頭7、活動立柱和活動臺上升。若將試件兩端裝夾在上下夾頭10和11中，因下夾頭固定不動，當(dāng)活動臺上升時試件就承受拉力。若把試件放在活動臺上、下墊

12、板12之間，當(dāng)活動臺上升到試件與上墊板接觸時試件就承受壓力。輸油管路中的送油閥門用來控制進(jìn)入工作油缸中的油量，以調(diào)節(jié)對試件加載的速度。加載時回油閥置于關(guān)閉位置。回油閥打開時，則可將工作油缸中的油液泄回油箱，活動臺由于自重而下降，回到原始位置。如果拉伸試件的長度不同，可用下夾頭電動機(jī)（或人力）轉(zhuǎn)動底座中的蝸輪，使螺柱上下移動，調(diào)節(jié)下夾頭位置。注意：當(dāng)試件已經(jīng)夾緊或受力時，不能再開動下夾頭電動機(jī)，否則就要造成用下夾頭對試件加載，以致?lián)p傷機(jī)件?；顒优_的行程對拉伸和壓縮區(qū)間都有規(guī)定，使用者必須遵守。測力部分加載時，工作油缸中的油壓推動活塞的力與試件所受的力成正比。如果用油管（2）將工作油缸和測力油缸1

13、4聯(lián)通，此油壓便推動測力活塞15向下移動，使拉桿拉動擺錘16，使之繞支點轉(zhuǎn)動而抬起，同時擺上的推桿便推動齒桿17，使齒輪和指針18旋轉(zhuǎn)。指針的旋轉(zhuǎn)角度與油壓成正比，亦與試件上所加載荷成正比，因此，在測力度盤19上，便可讀出試件受力的大小。如果增加或減少擺錘的重量，指針雖然旋轉(zhuǎn)同一角度，但所需的油壓不同。這說明指針雖在同一位置，但所示出的載荷大小與擺錘的重量有關(guān)。一般試驗機(jī)可以更換三種擺錘它相應(yīng)地有三種刻度的測力度盤，分別表示三種測力范圍。例如WE-600型（圖1）萬能試驗機(jī)有三種度盤，分別為0120KN、0300KN、0600KN。實驗時，為了保證測量載荷的精度，要根據(jù)試件事先估算的載荷大小來

14、選擇合宜的測力度盤，并在擺桿上放置相應(yīng)重量的錘重。通常擺錘由大到小編為A、B、C三種號碼。加載前，應(yīng)調(diào)整測力指針對準(zhǔn)度盤上的零點。方法是開動油泵電動機(jī)送油，將活動臺升起10mm左右，然后移動擺桿上的平衡鉈20，使擺桿達(dá)到鉛垂位置。再旋轉(zhuǎn)度盤（或轉(zhuǎn)動齒桿）使指針對準(zhǔn)零點。這樣做是為了消除上橫頭，活動立柱和活動臺等部件的重量，因為這部分重量不應(yīng)計入到試件所受的載荷上去。（二）操作步驟及注意事項1操作步驟（1）檢查油路上各閥門是否處于關(guān)閉位置；換上與試件相匹配的夾頭；保險開關(guān)應(yīng)當(dāng)有效。（2）根據(jù)所需最大載荷，選擇測力度盤，裝上相應(yīng)的重錘。調(diào)整緩沖器。緩沖器的作用是保證在卸載時或者試件斷裂時使擺錘緩慢

15、回落，避免撞壞機(jī)身。（3）裝好自動繪圖器的傳動裝置、筆和紙等。（4）開動油泵電動機(jī)，檢查運轉(zhuǎn)是否正常。然后打開送油閥門，向工作油缸中緩慢輸油。待活動臺上升10mm左右，將送油閥關(guān)到最小，旋轉(zhuǎn)齒桿使測力指針和隨動指針對準(zhǔn)零點。加載時，測力指針帶動隨動指針一起轉(zhuǎn)動；當(dāng)卸載或試件斷裂時測力指針迅速退回，而隨動指針則停留不動，示出卸載時或斷裂時的最大載荷值。（5）安裝試件。壓縮試件必須放置在下墊板的中心位置上拉伸試件則須調(diào)整下夾頭位置，使上、下夾頭之間距離與試件長度相適應(yīng)，再將試件夾緊。試件夾緊之后，就不能再調(diào)整下夾頭了。（6）實驗完畢，關(guān)閉送油閥，并立即停車。然后取下試件（有時要在泄油之后，再取下試

16、件，例如非斷裂實驗）。緩慢打開回油閥，將油液泄回油箱，使活動臺回到原始位置，并使一切機(jī)構(gòu)復(fù)原。2注意事項開車前或停車后送油閥一定要置于關(guān)閉位置。加載、卸載和回油均須緩慢進(jìn)行。拉伸試件夾住后，不得再調(diào)整下夾頭的位置。機(jī)器開動時，操作者不得擅自離開。實驗過程中不得觸動擺錘。使用時，聽見異聲或發(fā)生任何故障應(yīng)立即停車。（二）拉 伸 實 驗一、實驗?zāi)康?、測定低碳鋼拉伸時的屈服極限，強(qiáng)度極限，延伸率和截面收縮率，測定鑄鐵拉伸時的強(qiáng)度極限。2、觀察拉伸過程中的各種現(xiàn)象，并繪制拉伸圖。比較低碳(塑性材料)與鑄鐵(脆性材料)機(jī)械性質(zhì)的特點。二、實驗設(shè)備液壓式萬能試驗機(jī)，劃線機(jī)和游標(biāo)卡尺。三、實驗原理試件可制成

17、圓形截面。圖形截面試件如圖2-1所示。試件中段用于測量拉伸變形，此段的長度稱為“標(biāo)距”。兩端較粗的部分是頭部，為了裝入試驗機(jī)夾頭中傳遞拉力之用。試驗表明，試件的尺寸和形狀對試驗結(jié)果均有所影響，為了避免這種影響，便于各種材料機(jī)械性質(zhì)的數(shù)值能互相比較，所以對試件的尺寸和形狀，國家給定出統(tǒng)一規(guī)定。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)金屬拉伸試驗試樣GB6397-86，拉伸試樣分為比例試樣(圖2-1)和定標(biāo)距兩種。比例試件是指標(biāo)距長度與橫截面積間具有下列關(guān)系的試件。式中系數(shù)K通常為5.65和11.3，前者為短試件，后者稱為長試件。因此，直徑為的短、長圓形試件中的標(biāo)距長度分別等于5和10。拉伸試驗方法采用國家標(biāo)準(zhǔn)金屬拉伸試驗方

18、法GB228-87。圖2-1圓形截面試件試驗時，利用試驗機(jī)的自動繪制圖器可繪出低碳鋼的拉伸圖(圖2-2)和鑄鐵的拉伸圖(圖2-4)。應(yīng)當(dāng)指出，繪圖器繪出的拉伸變形是整個試件(不只是標(biāo)距部分)的伸長，還包括機(jī)器本身的彈性變形和試件在夾頭的滑動等。試件開始受力時，頭部在夾頭內(nèi)的滑動較大，故繪出的拉伸圖(圖2-2)最初是一段曲線。對于低碳鋼，彈性階段(O-A)呈直線段，載荷和變形成正比關(guān)系，虎克定律在此階段使用。屈服階段(B-C)常呈鋸齒形。上屈服點B受變形速度和試件的形狀等因素的影響較大，而下屈服點B則比較穩(wěn)定，故工程上常以下屈服點對應(yīng)的載荷作為材料屈服時的載荷Ps。確定屈服載荷Ps時，必查讀數(shù)表

19、盤上測力指針的轉(zhuǎn)動情況。材料在屈服階段，載荷在某一范圍（B-C） 上下波動，但變形較大。一般規(guī)定測力指針回轉(zhuǎn)后所指示的最小載荷為屈服載荷Ps。強(qiáng)化階段(C-D) ，此階段載荷和變形都逐漸增加。試件拉伸達(dá)到最大載荷Ps以前，在標(biāo)距范圍內(nèi)變形是均勻的。當(dāng)達(dá)到最大載荷Pb 時，測力指針開始后退，而隨動指針則停留在載荷最大值的刻度上，歸除的讀數(shù)即為最大載荷Pb。頸縮階段(D-E) ，以最撒載荷D 點開始，試件在某一個位置開始頸縮。細(xì)頸出現(xiàn)后，截面迅速減少，繼續(xù)拉伸所需的載荷也隨之變小，直至E 點斷裂為止。時間斷裂的兩面各成凹凸?fàn)?圖2-3) 。圖2-2低碳鋼拉伸圖鑄鐵是脆性材料，試件在承受拉力變形極小

20、時（圖2-4），就達(dá)到最大荷載Pb而突然發(fā)生斷裂。它沒有屈服和頸縮現(xiàn)象。其強(qiáng)度極限遠(yuǎn)小于低碳鋼的強(qiáng)度極限。圖2-3 低碳鋼試件斷后的斷口圖 圖2-4鑄鐵拉伸圖 四、試驗步驟1、試件準(zhǔn)備為了便于觀察標(biāo)距范圍內(nèi)沿軸向的變形情況，用劃線機(jī)在標(biāo)距范圍內(nèi)每隔10mm（對長試件）或每隔5mm（對短試件）刻劃一根線，將標(biāo)距分成十格或（五格）。用游標(biāo)卡尺測量低碳鋼標(biāo)距兩端 及兩種試件中間著三個橫截面處的直徑，在每一個橫截面內(nèi)沿互相垂直的兩個直徑方向各測量一次取其平均值。用所測得的三個平均值得。用所測得三個平均值總最小的值計算試件的橫截面積。計算時取三位有效數(shù)字。2、試驗機(jī)準(zhǔn)備根據(jù)低碳鋼的強(qiáng)度極限和橫截面積估計

21、試件的最大載荷。根據(jù)最大載荷的大小，選擇合適的測力度盤。調(diào)整測力指針，對準(zhǔn)零點，并使隨動指針與之靠攏。同時調(diào)整好自動繪圖器。3、安裝試件先將試件只能狀在試驗機(jī)的夾頭內(nèi)，在移動下夾頭是其達(dá)到適當(dāng)?shù)奈恢?，并把試件下端夾緊。4、檢查及試車請教師檢查以上步驟的完成情況，然后開動試驗機(jī)，預(yù)加少量載荷（對應(yīng)的應(yīng)力不能超過材料的比例極限）后卸載回 “零” 點，以檢查試驗機(jī)工作是否正常。5、進(jìn)行試驗開動試驗機(jī)使之緩慢勻速歲低碳鋼試件加載。注意觀察測力指針的轉(zhuǎn)動 、自動繪制情況和相應(yīng)試驗現(xiàn)象。當(dāng)測力指針不動或倒退時，說明材料開始屈服，記錄屈服載荷Ps 。試件端裂后停車，由隨動指針讀出最大載荷Pb，并記錄下來。取

22、下試件。將斷裂試件的兩段對齊并盡量靠攏，用游標(biāo)卡尺測量斷裂標(biāo)距段的長度 ;測量兩端斷口（頸縮）處的直徑d1 ，應(yīng)在互相垂直方向各測量 d1一次，取平均直徑計算斷口處橫截面面積A1 。鑄鐵試驗，開動試驗機(jī)，并使繪圖器工作，直至試件斷裂為止。停車，記錄最大載荷Pb 。6、結(jié)束工作取下試件和繪好的拉伸圖。將試驗機(jī)的一切機(jī)構(gòu)復(fù)原。清理試驗現(xiàn)場，將借用的儀器歸還原處。五、試驗結(jié)果的處理1、根據(jù)屈服載荷，及最大載荷計算屈服極限，強(qiáng)度極限。， 2、根據(jù)試驗前后的標(biāo)距長度及橫截面面積計算延伸率及截面收縮率 。短 長比例試件的斷后伸長率分別以符號、表示。若斷口不在標(biāo)距長度中三分之一區(qū)段內(nèi)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)金屬拉伸試

23、驗方法GB 228-87，需采用斷口移中的方法（即借計算機(jī)法將斷口移至中間），以計算試件拉斷后的標(biāo)距長度。采用斷口移中法時，試驗前要將試件標(biāo)距等份為十個格。試驗后將拉斷的試件斷口對緊，見圖2-5。以斷口O為起點，在長段上取基本等于短段的格數(shù)的 B點，當(dāng)長段所余格數(shù)為偶數(shù)時（圖2-5） ，然后量取長段所余格數(shù)的一半得出C 點，將BC 段長度移到試左端，則移位后的為：圖2-5 斷口移中在長段上取基本等于短段格數(shù)的B 點后，若長段所余格數(shù)為奇數(shù)是（圖2-5b）可在長段上量取所余格數(shù)減1后加1的一半，的C 點和C1點，移位后的分別為：和為什么要將斷口移中呢？這是因為斷口靠近試兩端時，在斷裂試件的較短一

24、段上，必將受到試頭部較粗部分的影響，而降低頸縮部分的局部伸長量，從而使延伸率 的數(shù)值偏小，用斷口移中的辦法可在一定程度上彌補上述偏差。六、思考題1、低碳鋼拉伸圖大致可分為幾個階段？每個階段中力和變形有什么關(guān)系？2、試比較低碳鋼和鑄鐵的拉伸機(jī)械性質(zhì)？3、試從不同的斷口特征說明金屬的兩種基本破壞形式。4、什么叫比例試件，它應(yīng)滿足什么要求?（三）壓 縮 實 驗一、實驗?zāi)康?、測定壓縮時低碳鋼的屈服極限和鑄鐵的強(qiáng)度極限。2、觀察低碳鋼和鑄鐵壓縮時的變形和破壞現(xiàn)象，并進(jìn)行比較，繪制壓縮圖。二、實驗設(shè)備沖壓式萬能試驗機(jī)，游標(biāo)卡尺。三、實驗原理低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試件一般制成圖圓柱形（圖3-1）。圖

25、3-1壓縮試件 圖3-2壓縮時試件端面的摩擦力當(dāng)試件承受壓縮時，其上下兩端面與試驗機(jī)上、下墊板之間產(chǎn)生很大的摩擦力（圖3-2），這些摩擦力阻礙試件上部和下部的橫向變形。若在試件兩端涂以潤滑劑，就可以減少摩擦力，試件的抗壓能力將會有所降低。當(dāng)試件的高度相對增加時，摩擦力對試件中部的影響將有所減少，因此抗壓能力與試件的高度ho和直徑do的比值ho/do有關(guān)。例如這一比值愈大，鑄鐵的強(qiáng)度極限就愈小。由此可見，壓縮條件是有條件的。在相同的實驗條件下，才能對不同的材料壓縮性能進(jìn)行比較。金屬材料壓縮破壞試驗所用的試件，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)金屬壓縮試驗方法GB731487的規(guī)定：ho=（12）do為了盡量使試件承受

26、軸向壓力，試件兩端面必須完全平行，并且與試件軸線保持垂直。其端面還應(yīng)制作得光滑，以減少摩擦力的影響。試驗時，利用自動繪圖器，繪出低碳鋼壓縮圖（圖3-3）和鑄鐵壓縮圖（圖3-4）。在低碳鋼壓縮圖中，在開始出現(xiàn)變形增長較快的非線性小段時，表示到了屈服載荷Ps。但是這時并不像拉伸那樣有明顯的屈服階段。此后，壓縮圖沿曲線繼續(xù)上升，這是因為塑性變形迅速增長，試件橫截面面積也隨之增大，而增大的面積能承受更大的載荷。因此，在壓縮試驗中測定Ps時要特別小心觀察。在緩慢均勻加載下，測力指針等速轉(zhuǎn)動，當(dāng)材料發(fā)生屈服時，測力指針轉(zhuǎn)動將減慢，這時對應(yīng)的載荷即為屈服載荷Ps由于指針轉(zhuǎn)動速度的減慢不十分明顯，故常要借助繪

27、圖器上繪出的壓縮圖來判斷Ps到達(dá)的時刻。低碳鋼試件最后可壓成狀而不破裂，所以無法求出最大載荷及其強(qiáng)度極限。圖3-3低碳鋼壓縮圖 圖3-4鑄鐵壓縮圖 圖3-5鑄鐵試件破壞圖鑄鐵試件作壓縮實驗時，在達(dá)到最大載荷Pb前要出現(xiàn)較大的塑性變形后才發(fā)生斷裂，此時測力指針迅速倒退，由隨動指針可讀出最大載荷Pb值。鑄鐵試件最后被壓成鼓形（圖3-5），表面發(fā)現(xiàn)與試件軸線大約成45左右的傾斜裂紋，破壞主要是由剪應(yīng)力引起的。四、實驗步驟1、試件準(zhǔn)備用游標(biāo)卡尺測量試件的高度和試件兩端及中部三處橫截面的直徑，取三徑中最小一處的平均直徑來計算橫截面面積。根據(jù)材料的極限估算載荷的大小。2、試驗機(jī)準(zhǔn)備選擇測力度盤。調(diào)整指針，

28、對準(zhǔn)零點，并調(diào)整自動繪圖器。3、安裝試件將試件兩端面涂以潤滑劑，然后準(zhǔn)確的放在試驗機(jī)下墊板的中心處。4、檢查及試車試車時，空升試驗機(jī)活動臺，使試件隨之上升，當(dāng)上墊板接近試件時（注意勿使上墊板與試件接觸受力），減慢活動臺上升的速度，以避免急劇加載。同時使自動繪圖器工作。在試件與上墊板接觸受力后，用慢速預(yù)先加少量載荷，然后卸載接近零點，以檢查試驗機(jī)工作是否正常。5、進(jìn)行試驗緩慢均勻地加載，注意觀察測力指針的轉(zhuǎn)動情況和繪圖紙上的壓縮釁，以便及時而正確地測定低碳鋼的屈服載荷PS和鑄鐵的強(qiáng)度載荷Pb，并記錄下來。低碳鋼超過屈服階段后，繼續(xù)加載。最后將試件壓成鼓形即可停止，所加載荷不得超過測力度盤范圍。鑄

29、鐵試件測出強(qiáng)度載荷后，隨動指針倒回大約10kN（或聽到破壞聲音）立即停車，以便觀察鑄鐵破壞裂紋大約與軸線成45的破壞現(xiàn)象。6、結(jié)束工作取下試件和繪好的壓縮圖。將試驗機(jī)的一切機(jī)構(gòu)復(fù)原。清理試驗現(xiàn)場，將借用的一起歸還原處。五、實驗結(jié)果的處理根據(jù)實驗記錄，計算出低碳鋼的屈服極限和鑄鐵的強(qiáng)度極限， 式中，為試驗前試件的橫截面面積。六、思考題1、為什么鑄鐵試件在壓縮時沿著與軸線大致成45的斜截面破壞？2、比較低碳鋼拉伸與壓縮的屈服極限。3、試分別比較低碳鋼和鑄鐵在軸向拉伸和壓縮下的力學(xué)性質(zhì)。4、比較鑄鐵拉伸與壓縮的強(qiáng)度極限。 （四）球鉸式引伸儀在材料力學(xué)實驗中，無論是測定材料的力學(xué)性質(zhì)和驗證理論，或是進(jìn)

30、行實驗應(yīng)力分析，大都需要對試件加載并測量其一些表面點的變形，以便確定他們的應(yīng)力或其它的有關(guān)的量，例如彈性模量，試件的彈性變形極其微小，通常需要精密的量具才能進(jìn)行測量，在力學(xué)實驗中，稱這種測量微小變形的儀器為引伸儀，它是材料力學(xué)實驗中不可缺少的儀表。我們學(xué)習(xí)材料實驗，必須了解引申儀的基本原理和使用方法。引伸儀由三個基本部分組成：（1）感受部分它是直接與試件表面接觸，以感受試件變形的機(jī)構(gòu)；（2）傳遞和放大部分他是把所感受到的變形加以放大的額機(jī)構(gòu)；（3）指示部分它是指示或記錄放大千分表后變形大小的機(jī)構(gòu)。一、千分表千分表的用途很廣，在材料力學(xué)實驗中，常用它來測量位移。千分表的構(gòu)造如（圖4-1）所示，使

31、用時將外殼上的桿頂套安裝在變形傳遞架上，借助彈簧的作用，使能接觸緊密。當(dāng)試件沿頂桿方向移動時，推動頂桿使桿上的平齒輪帶動小齒輪，小齒輪與它同軸的大齒輪一起轉(zhuǎn)動，最后使指針齒輪和指針旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過這一系列的轉(zhuǎn)動和放大，便在表盤上示出位移的大小。圖4-1千分表一般千分表觸頭移動1mm時，大指針旋轉(zhuǎn)一圈，每圈有100個分格，每格便代表1/100mm稱作百分表，一般量程為510mm，還有更精密的，千分表觸頭移動1mm時，大指針旋轉(zhuǎn)五圈，每圈有200個分格，每格便代表1/1000mm，稱作千分表。測量時，頂桿與物體接觸好后，可以用手旋轉(zhuǎn)表蓋使大指針對準(zhǔn)“零”點。使用千分表時的注意事項如下：（1）使用時，應(yīng)拿

32、取外殼。不得隨意推動頂桿，避免磨損精密機(jī)件，影響儀表精度。注意保護(hù)觸頭，觸頭上不得有傷痕。（2）安裝時，要使頂桿與被測物體移動的方向一致。并注意被測位移的正反方向和大小，以便調(diào)節(jié)桿頂，而使千分表有適宜的測量范圍。二、引伸儀將千分表安裝在引伸儀的變形傳遞架上，便組成所示的球鉸式引伸儀（圖4-2），可以測量試件的線變形。圖4-2球鉸式引申儀外形圖球鉸式引伸儀的四個緊固螺釘是感受變形的螺釘，使用時把試件放在中心塊的中心位置上，然后把四個緊固螺釘旋緊，把試件安裝在實驗機(jī)的上下夾頭中。試件受力變形時，上標(biāo)距叉試件上不動，下標(biāo)距叉以球鉸為中心，以接觸螺釘為半徑向下移動。在千分表上便可以讀出變形的大小。儀器

33、本身放大倍數(shù)是二倍，千分表放大倍數(shù)是1000倍，所以共放大2000倍。引伸儀放大倍數(shù)和量程，一般都和儀器上的千分表一致。儀器可以更換不同長度的標(biāo)距桿，以適應(yīng)不同測量的要求。表式引伸儀的種類很多，但基本上都是利用千分表，附加一套變形傳遞架而構(gòu)成。球鉸式引伸儀使用時，注意事項如下： （1）取放儀器時，千分表盤千分表朝上，防止千分表脫落和摔傷。用后妥善的放入儀器盒內(nèi)。（2）不得任意旋轉(zhuǎn)緊固螺釘，以免磨損螺釘?shù)捻敿?。不得任意推動頂桿。（3）妥善保護(hù)千分表，緊固千分表的螺釘千分表松緊程度應(yīng)適當(dāng)。過松時，千分表容易脫落；過緊時會影響頂桿的運動，造成誤差。（4）安裝后要檢查固定試件的螺釘是否與試件接觸的很好

34、，卡緊力要適當(dāng)。所擬測量的變形其大小不得超過儀器的量程。（五）拉伸時金屬材料彈性模量的測定一、實驗?zāi)康脑诒壤龢O限內(nèi)，驗證虎克定律，并測定金屬材料的彈性模量E。二、實驗步驟液壓式萬能試驗機(jī)或微機(jī)控制式電子萬能試驗機(jī)、球鉸式引伸儀、游標(biāo)卡尺。三、實驗原理測定低碳鋼的彈性模量時，應(yīng)采用拉伸試驗（試件為低碳鋼拉伸試件）。低碳鋼在比例極限內(nèi)服從虎克定理，其關(guān)系試為由此可得 （a）在試件上安裝測量軸向伸長的球鉸式引伸儀（圖4-2），加載荷P即可從引伸儀側(cè)得在引伸儀標(biāo)距范圍內(nèi)的軸向伸長量，通過試（a）即可計算出低碳鋼的彈性模量E。圖5-1等量加載為了驗證虎克定律和消除測量中可能產(chǎn)生的誤差，一般采取增量法。所

35、謂增量法，就是把欲加的最終載荷分成若干等份，逐級加載來測量試件的變形。設(shè)試件橫面面積為，引伸儀標(biāo)距為，各級載荷增加量相同并等于，各級伸長增加量為（圖5-1），則式（a）可改寫為： （b）式中足標(biāo)i為加載級數(shù)（i=1，2，n）。如果引伸儀讀數(shù)直接表示，由于 （c）式中為每級引伸儀讀數(shù)的增加量，K為引伸儀放大倍數(shù)，這樣式（b）可改寫為 （d）這就是用增量法測彈性模量E的計算式。由實驗可以發(fā)現(xiàn)：在各級載荷增量相等時，相應(yīng)的由引伸儀測出的伸長增加量也基本相等，這就驗證了虎克定律的正確性。由于實驗開始時引伸儀機(jī)構(gòu)間存在間隙，其緊固螺釘往往在試件表面上有微小的滑動，從而影響讀數(shù)的正確性；同時為夾牢試件和消

36、除試驗機(jī)機(jī)構(gòu)之間的空隙，必須加一定量的初載荷。按規(guī)定初載荷不小于2KN。在試驗前要擬訂加載方案。擬訂加載方案時根據(jù)上述要求，一般考慮以下幾點：（1）由于在比例極限內(nèi)進(jìn)行，故最大應(yīng)力值不能超過比例極限，低碳鋼一般取屈服極限的7080%。（2）最終載荷要與試驗機(jī)的測力范圍相適應(yīng)。（3）最終變形要與儀器量程相適應(yīng)。（4）至少應(yīng)有45級加載，每級加載應(yīng)使引伸儀的讀數(shù)有明顯的變化。每次加載2KN，第一級可作為初讀數(shù)。 四、試驗步驟 1試件準(zhǔn)備 在試件的試驗段范圍內(nèi)，測量試件三個橫截面處的截面尺寸，取三個橫截面面積的平均值作為試件的橫截面面積。 2擬訂加載方案 按上述方法擬訂加載方案。3試驗機(jī)準(zhǔn)備根據(jù)最終

37、載荷的大小，選用合適的測力度盤。調(diào)整測力指針，對準(zhǔn)“零”點。4安裝球鉸式引伸儀小心正確地把試件放在球鉸式引伸儀中心快的中心位置上，把四個緊固螺釘旋緊，把試件裝在試驗機(jī)的上、下夾頭中，然后把千分表安裝在球鉸式引伸儀上，把千分表調(diào)到待用狀態(tài)。5檢查及試車請教師檢查以上步驟的完成情況開動試驗機(jī)，預(yù)加載荷至接近最終載荷數(shù)值，然后卸載至初載荷以下（保持一小量載荷），以檢驗試驗機(jī)及儀器是否處于正常狀態(tài)。6進(jìn)行試驗加載至第一極載荷，記下此時引伸儀的讀數(shù)。緩慢的逐級加載，每增加一級載荷，記錄一次引伸儀讀數(shù)。隨時計算引伸儀先后兩次讀數(shù)的差值，借以判斷工作是否正常。繼續(xù)加載到最終載荷為止。請教師檢查實驗記錄。五、

38、試驗結(jié)果的處理1計算每次伸長增加量以載荷P為縱坐標(biāo)，伸長為橫坐標(biāo)，作 P-圖。觀察各點是否近似在一條直線上，以驗證虎克定律。作圖時，應(yīng)使用坐標(biāo)紙，并選擇合適的比例尺。2計算每次的彈性模量 3計算彈性模量的平均值 七、思考題1為什么要用等量加載法進(jìn)行試驗？2試件的尺寸和形狀對測定彈性模量有無影響。3試驗時為什么要加初載荷？（六）扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)一、K-50型扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)這種試驗機(jī)采用機(jī)械傳動加載，用擺錘式機(jī)構(gòu)測扭矩。當(dāng)擺錘重量不同時，有三個測力度盤，分別為0-98N.m，0-196N.m 0-490N.m，它適用于直徑為10-25mm，長度為100-700mm的試件。圖6-1 K-50型試驗機(jī)圖6-2

39、K-50型試驗機(jī)傳動系統(tǒng)試驗機(jī)的外形見圖6-1，其傳動系統(tǒng)如圖6-2所示。下面介紹它的有關(guān)操作步驟。關(guān)于構(gòu)造原理只結(jié)合著操作步驟作簡單的操說明。1、操作步驟（1）檢查試驗機(jī)夾頭1、2的形式與試件是否配合；測角度盤15和變速桿5應(yīng)調(diào)到正確位置；檢查制動繪圖器17工作是否正常法。（2）根據(jù)試件所需的最大扭距，選擇適宜的測力度盤12，并配置相應(yīng)的擺錘13。（3）擺桿自由鉛垂時，測力指針12應(yīng)對準(zhǔn)零點。否則，要松開度盤的螺母，轉(zhuǎn)動度盤使指針對準(zhǔn)零點，然后擰緊螺母。（4）安裝試件，先將試件一端放在固定夾頭之中，搖動調(diào)距手柄3，使活動夾頭1沿水平導(dǎo)軸移動，待試件另一端插入活動夾頭中時，再夾緊活動夾頭。（5

40、）加載手搖加載：將變速桿5放在“手搖”，的位置，擺動手搖柄6，帶動變速箱中的軸等傳動系統(tǒng)，使傳動主軸8、活動夾頭1以及試件發(fā)生旋轉(zhuǎn)。同時，試件另一端便帶動與之相連的擺錘13，使它抬起，這樣，試件便承受鈕距作用產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。擺錘力矩和試件隨時均保持平衡狀態(tài)。因此擺錘力矩就是試件所承受的扭距。擺錘在抬起時推動與測力度盤相連的齒桿，使齒桿帶動指針轉(zhuǎn)動，于是指針便在測力度盤12上指示出試件所受扭距的大小。電動加載:先將變速桿5放在”0.3r/min”或”1r/min”的標(biāo)記處，這時軸上的兩個齒輪之一，便通過滑鍵與軸聯(lián)在一起。開動電動機(jī)10帶動軸和等傳動系統(tǒng)，對試件進(jìn)行加載。（6）測扭轉(zhuǎn)角。 轉(zhuǎn)動主軸8

41、除帶動活動夾頭外，在它的一端還裝有一個測角度盤15。測角度盤上的測角指示桿16與試件的被動端聯(lián)動，因此指示桿在度盤上所指數(shù)值便是試件兩端的相對扭轉(zhuǎn)角。度盤最小刻度為1，因此只適用于測量大變形。測角度盤上還附有一個記數(shù)裝置，可以指出試件扭轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)，如欲記錄試件直到扭斷時的總?cè)?shù)。則在發(fā)生斷裂時應(yīng)立即停車。（7）自動繪圖。如果需要記錄試驗過程中扭距和扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，應(yīng)在加載前調(diào)好自動繪圖裝器17的傳動裝置，圖紙，筆夾由推動測力指針的齒輪帶動，而圖紙滾筒則與轉(zhuǎn)動主軸8聯(lián)動。這樣隨著試驗的進(jìn)行，筆尖便在圖紙上畫出M -曲線。曲線上各點的縱坐標(biāo)為扭距，橫坐標(biāo)則為試件傳動端的扭轉(zhuǎn)角。但是試件一端的絕對

42、扭轉(zhuǎn)角。（8）試驗完畢后停車，將一切機(jī)構(gòu)復(fù)原，并清理機(jī)構(gòu)。2、注意事項（1）機(jī)器運轉(zhuǎn)時，操作者不得擅自離開。聽見異聲或發(fā)生任何故障，應(yīng)立即停車。（2）實驗過程中，不得觸動擺錘。（3）試件要夾緊，以免開車后打滑。裝試件時，不要把夾頭中的夾板座突出太多，以免脫落。（4）電動機(jī)加載時，要先取下手搖柄。如需要改變加載方法或速度，必須在停車后進(jìn)行。二、NJ100B型扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)此試驗機(jī)采用直流電動機(jī)無極調(diào)速機(jī)械傳動加載，可以正反兩個方向施加扭距進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗，用電子自動平衡隨動系統(tǒng)測取扭距。最大載荷扭距是1000N.m，有四個測力盤。分別是0100 N.m 0200 N.m 0500 N.m 01000 N

43、.m。扭轉(zhuǎn)速度為136/min和0360/min兩個范圍。試件最長可達(dá)650mm。1、構(gòu)造原理外形如圖6-3所示，測力原理如圖6-4所示，兩圖中同一部件的代號相同。本實驗機(jī)由加載機(jī)構(gòu)，測力計，自動測圖器組成。圖6-3 NJ-100B型扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)（1）加載機(jī)構(gòu)1由六個滾動軸承支持在機(jī)座2的導(dǎo)軌上，它 左右自由滑動。加載時，操縱直流機(jī)2轉(zhuǎn)動，經(jīng)過減數(shù)箱4的減速，使夾頭5轉(zhuǎn)動對試件6施加鈕距。轉(zhuǎn)速由電表7指示出。（2）測力計。在測力計內(nèi)有杠桿測力系統(tǒng)，如圖6-4所示。試件受扭后由夾頭8傳來扭距，使杠桿9逆時針旋轉(zhuǎn)，通過A點將力傳給變支點杠桿11(C支點和杠桿10是傳遞反向扭距用的)，使拉桿12有一壓

44、力P壓在杠桿13左端的刀口D上。杠桿13則以B點為支點使右端蹺起，推動差動變壓器的鐵心14移動，發(fā)現(xiàn)一個電信號，經(jīng)放大器15使伺服電機(jī)16轉(zhuǎn)動，通過鋼絲17拉動油陀18水平移動。當(dāng)油陀移動到對支點B的力矩QS=Pr時，杠桿13達(dá)到平衡，恢復(fù)水平狀態(tài)，差動變壓器的鐵心也恢復(fù)零位。此時差動變壓器無信號輸出，伺服電機(jī)16停止轉(zhuǎn)動。由上述分析可知，扭距與油陀移動的距離成正比。 油陀的移動又通過鋼絲帶動滑輪19和指針20轉(zhuǎn)動，這樣在度盤21上便可指出試件所受的扭距的大小。（3）自動繪圖器22由繪圖筆23和滾筒24等組成。 繪圖筆的移動量表示扭距的大小，它的移動是在滑輪19帶動指針轉(zhuǎn)動的同時，帶動鋼絲25

45、使繪圖筆水平移動。繪圖滾筒的轉(zhuǎn)動表示試件加力端夾頭5的絕對轉(zhuǎn)角，它的轉(zhuǎn)動是有裝在夾頭5上的自整角發(fā)送機(jī)26發(fā)出正比于轉(zhuǎn)動的電信號，經(jīng)放大器27放大后帶動伺服電機(jī)28和整角變壓器29。而使繪圖滾筒轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動量正比于試件的轉(zhuǎn)角。2、操作步驟（1）檢查實驗機(jī)夾頭的形式是否與試件相配合。將速度范圍開關(guān)30置于0360r/min處。調(diào)速電位器31置于零位。（2）根據(jù)所需要最大扭矩來轉(zhuǎn)動量程選擇鈕32，選取相應(yīng)的測力度盤。按下電源開關(guān)33，接通電源。轉(zhuǎn)動調(diào)零選鈕34，使指針對準(zhǔn)領(lǐng)點。（3）裝好自動繪圖器的筆和紙，掛好傳動齒輪35，打開繪圖器開關(guān)36。（4）安裝試件。先將試件的一端插入夾頭8中，調(diào)整加載機(jī)

46、構(gòu)1做水平移動，使試件的另一端插入夾頭5中后再給以夾緊。先夾緊8，再夾緊5。（5）加載。將加載開關(guān)37”正”(或”反”)按下，逐漸增大調(diào)速電位器31的刻度值，操縱直流電動機(jī)3轉(zhuǎn)動，對試件施加扭矩。（6）實驗完畢，停車。取下試件，將機(jī)器復(fù)原并年個清理現(xiàn)場。圖6-3 NJ-100B型扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)原理示意圖3、注意事項（1）施加扭矩后，禁止在轉(zhuǎn)動量程選擇旋鈕32。（2）使用V型夾板夾斥試件時，必須盡量夾緊，以免實驗過程中試件打滑。（3）機(jī)器運轉(zhuǎn)時，操作者不得擅自離開。聽見異聲或發(fā)生任何故障應(yīng)立即停車。三、TNS-DW型微機(jī)控制電子扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)此試驗機(jī)適用于金屬、非金屬及復(fù)合材料的扭轉(zhuǎn)試驗，可測扭矩、扭轉(zhuǎn)

47、角和切變模量。本機(jī)符合GB10128-88金屬室溫材料扭轉(zhuǎn)試驗方法的試驗要求。全部實驗操作可在試驗機(jī)上通過實驗軟件完成。實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、處理和顯示，試驗結(jié)果可由打印機(jī)輸出。圖6-4 TNS-DW型微機(jī)控制電子扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)最大載荷扭距是500Nm，扭轉(zhuǎn)速度為18720/min。雙向?qū)嶒灧较?，試驗空間0650mm。1、結(jié)構(gòu)特征及工作原理本機(jī)由機(jī)械、電氣、計算機(jī)三大部分組成，見圖6-4。（1）主機(jī)部分結(jié)構(gòu)及工作原理 被動夾頭裝在扭矩傳感器上，可隨直線導(dǎo)軌移動。扭轉(zhuǎn)試樣裝在兩夾頭間，伺服電機(jī)帶動減速器轉(zhuǎn)動使主動夾頭旋轉(zhuǎn)。有手動、自動兩種加載試驗方式。（2）電器及計算機(jī)部分電氣部分由拖動系統(tǒng)

48、和測量控制部分組成，計算機(jī)實現(xiàn)各種控制、顯示、數(shù)據(jù)采集處理、曲線的繪制、試驗結(jié)果儲存、實時顯示試驗曲線等。2、試驗機(jī)的使用與操作（1）打開電源空氣開關(guān)；（2）打開計算機(jī)，進(jìn)入扭轉(zhuǎn)試驗界面；（3）打開手動控制盒上的伺服啟動按鈕，啟動伺服控制系統(tǒng)。當(dāng)在計算機(jī)上選擇好試驗速度時，按正、反轉(zhuǎn)鈕使主動夾頭旋轉(zhuǎn)（夾頭逆時針旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，順時針旋轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn)）。裝夾好試樣后即可進(jìn)行試驗。3、電子扭轉(zhuǎn)計的安裝針對試樣直徑更換電子扭轉(zhuǎn)計相應(yīng)的銅半套，調(diào)整兩個頂尖使得電子扭轉(zhuǎn)計兩半圓的平面間隙接近于0.5mm以內(nèi)，安裝扭轉(zhuǎn)計時注意刀口帶加長桿的一半裝在被動夾頭一端，用標(biāo)距塊定好試驗標(biāo)距并使電子扭轉(zhuǎn)計刀口距離約為6mm左

49、右，使得兩刀口垂直向下時擰緊鎖緊螺釘予以固定，裝上引伸計。（七）扭轉(zhuǎn)試驗一、實驗?zāi)康?、測定低碳鋼扭轉(zhuǎn)時的剪切屈服極限，剪切強(qiáng)度極限和鑄鐵扭轉(zhuǎn)時的剪切強(qiáng)度極限。2、觀察低碳鋼和鑄鐵扭轉(zhuǎn)時的破壞現(xiàn)象，并繪制曲線。二實驗設(shè)備K50型扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)，NJ100B型扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)，游標(biāo)卡尺。三實驗原理試件采用國家標(biāo)準(zhǔn)金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法GB10128-88的圓形試件。試件頭部形狀和尺寸應(yīng)適合試驗機(jī)夾頭夾持。標(biāo)距分別為50mm和100mm，直徑為10mm。圓形試件承受扭距時，材料完全處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)，因此常用扭轉(zhuǎn)試驗來研究不同的材料在純剪切作用下的機(jī)械性質(zhì)。扭距在剪切比例以內(nèi)時，處于線彈性階段（圖7-1，OA

50、）。當(dāng)扭距達(dá)到一定數(shù)值時，試件橫截面邊緣出的剪應(yīng)力開始達(dá)到剪切屈服極限，這時的扭距叫。在扭距超過后，橫截面上的剪應(yīng)力不再是線性的（圖7-2的右方兩圖）。在試件橫截面的外部處，材料發(fā)生屈服形成環(huán)行塑性區(qū)，同時圖變成曲線（圖7-1，AB）。圖7-1 低碳鋼的曲線此后，隨著試件繼續(xù)扭轉(zhuǎn)變形，塑性區(qū)不斷向圓心擴(kuò)展，曲線稍微上升，直至B點趨于平坦，測力盤上的指針幾乎不動或擺動，指針擺動的最小值即是試件全部屈服所對應(yīng)的扭距，這時塑性區(qū)占據(jù)了幾乎全部截面（圖7-2右圖）。根據(jù)塑性理論剪切屈服極限，按下式計算：式中：為剪切屈服扭距，是試件的抗扭截面摸量。圖7-2 低碳鋼圓軸在不同扭矩下剪應(yīng)力分布圖試件再繼續(xù)變

51、形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化，到達(dá)曲線上的C點，試件發(fā)生斷裂。由測力度盤上的隨動指針讀出最大扭距與上式相似，可得：圖7-3 鑄鐵的曲線 圖7-4 純剪應(yīng)力狀態(tài)鑄鐵的曲線如圖7-3所示。從開始受扭，直到破壞，近似為一直線。故近似地按彈性應(yīng)力公式計算：試件受扭，材料處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)圖7-4。在與試件軸線成45角的螺旋面上，分別受到主應(yīng)力，的作用。低碳鋼的抗拉能力，剪應(yīng)力先達(dá)到極限值，故從橫截面剪斷。而鑄鐵的抗拉能力小于抗剪能力，拉應(yīng)力先達(dá)到極限值，故鑄鐵沿著與成正交的方向拉斷。四、試驗步驟1、試件準(zhǔn)備在試件標(biāo)距段內(nèi)用游標(biāo)卡尺測量中間和兩端的兩個相互垂直方向的直徑，取三處中最小的平均直徑計算抗扭截面摸量。2

52、、試驗機(jī)準(zhǔn)備根據(jù)試件的剪切強(qiáng)度極限估算，選擇合適的測扭度盤。調(diào)整好測扭度盤指針，對準(zhǔn)零點，并檢查自動繪圖器。3、安裝試件檢查試驗機(jī)夾頭的型式是否與試件頭部的型式相同。先將試件頭部放在固定夾頭中，把活動夾頭調(diào)到與試件頭部相適應(yīng)的位置，使活動夾頭水平移動，將試件頭部插入活動夾頭中后，預(yù)以夾緊。4、進(jìn)行試驗低碳鋼試件受扭時，用慢速（或手搖裝置）逐漸加載，應(yīng)使自動繪圖器也同時工作。當(dāng)圖開始由直線轉(zhuǎn)變成曲線時，即表示扭距已達(dá)到。注意觀察試驗機(jī)扭距度盤上的指針，若它停止轉(zhuǎn)動，即說明材料發(fā)生屈服，記錄此時的扭距。經(jīng)過屈服階段后，即可快速加載直至剪斷為止，停車。由隨動指針讀出最大扭距，并記錄之。把鑄鐵試件裝入

53、試驗機(jī)，使自動繪圖器開始工作，加載直至試件斷裂，由扭距度盤上的隨動指針讀出。5、結(jié)束工作實驗完成后，將試驗機(jī)，工具和現(xiàn)場清理復(fù)原。五、試驗結(jié)果的處理1、計算低碳鋼屈服極限，剪切強(qiáng)度極限，2、計算鑄鐵的3、最后繪出兩種材料的斷口圖形，并結(jié)實其斷裂的原因。根據(jù)自動繪圖器繪出圖，比較兩種材料的機(jī)械性質(zhì)的 特點。六、思考題1、鑄鐵在壓縮和扭轉(zhuǎn)時，試件的斷口都與軸線成45角，破壞原因是否相同？2、根據(jù)低碳鋼和鑄鐵的拉伸，壓縮和扭轉(zhuǎn)三種試驗結(jié)果，分析總結(jié)兩種材料的機(jī)構(gòu)性質(zhì)。3、低碳鋼抗剪能力差，為什么單向拉伸時不沿45方向剪斷？（八）電阻應(yīng)變儀操作練習(xí)一、實驗?zāi)康?了解電測應(yīng)力的原理及學(xué)習(xí)電測法的單點測量

54、。2進(jìn)行電阻應(yīng)變儀的操作練習(xí)，熟悉操作規(guī)程及注意事項。、二、實驗設(shè)備1、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，數(shù)字測力儀及拉壓力傳感器。、2、組合材料力學(xué)實驗臺，懸臂梁裝置。3、游標(biāo)卡尺及鋼板尺。三、實驗原理實驗前閱讀“電測法基本原理”的內(nèi)容，了解應(yīng)變儀的原理，操作步驟和注意事項。圖8-1實驗裝置（圖8-1）是一矩形截面懸臂梁。在距離右端為a 的截口處的上下表面沿梁軸方向各貼兩組應(yīng)變片R1、R3和R2、R4。用砝碼加載后，根據(jù)彎曲理論，可知R1、R3和R2、R4分別產(chǎn)生壓縮和拉伸變形，并且為單向應(yīng)力狀態(tài)。其應(yīng)力值可按單向虎克定律來計算式中，E為材料拉壓彈性模量。按等量0.98N增加載荷的辦法，用電阻應(yīng)變儀測定其相應(yīng)

55、的應(yīng)力增量。四、實驗步驟1、參觀各種型號的應(yīng)變片，了解貼片方法。2、熟悉電阻應(yīng)變儀的使用規(guī)程和接線方法。3、進(jìn)行以下幾項測量方法：（1）半橋溫度補償測量方法，以R1為工作片，接在應(yīng)變儀A、B接線柱上。在B、C接線柱上接溫度補償片，如圖82所示，測量R1的應(yīng)變。（2）半橋互補測量，在A、B 接線柱上接工作片R1，B、C 接線柱上也接工作片R2，組成互相補償溫度的連接，如圖83所示，測量R1的應(yīng)變。因為R1、R2 的應(yīng)變絕對值相同，所以互相補連接的讀數(shù)為 （3）全橋互補測量（簡稱全橋測量），在A、B，B、C，C、D，D、A接上工作片，稱為全橋測量，如圖84所示，因R1，R2，R3，R4在同一個截面

56、上，R1，R3和R2，R4的應(yīng)變絕對值相同，所以互補連接的讀數(shù)為、 （4）將應(yīng)變值計算成應(yīng)力值，比較不同接線方法的實驗結(jié)果。 圖8-2 圖8-3圖8-4五、注意事項1、嚴(yán)格遵守電阻應(yīng)變儀的操作規(guī)程，緩慢旋轉(zhuǎn)旋鈕。2、更換測點導(dǎo)線頭時，必須將電源開關(guān)旋至“BD”位置。六、思考題1、應(yīng)變片標(biāo)距的長短對測量結(jié)果有無影響？2、為什么要把溫度補償片貼在與構(gòu)件相同的材料上？ (九)純彎梁正應(yīng)力實驗一、實驗?zāi)康?、測量矩形截面梁在純彎曲的正應(yīng)力，并與理論公式進(jìn)行比較，以驗證彎曲正應(yīng)力公式。2、學(xué)習(xí)電測法的多點測法。二、實驗設(shè)備1、電阻應(yīng)變儀，預(yù)調(diào)平衡箱，數(shù)字測力儀及拉壓力傳感器。2、組合材料力學(xué)實驗臺，純彎

57、梁裝置。3、鋼板尺及游標(biāo)卡尺。三、實驗原理純彎曲梁實驗裝置如圖9-1所示，梁在CD段受純彎曲作用，一直彎曲正應(yīng)力公式為：，式中，Y為該點距中性層的坐標(biāo)距離，為橫截面對中性軸的慣性矩，對矩形截面在純彎曲段，縱向纖維只發(fā)生長度變化而不互相擠壓，處于單向應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)胡克定律，各點的正應(yīng)力和線應(yīng)變成正比：因此可以根據(jù)沿軸線方向粘貼距中性軸不同高度的1、2、3、4、5，各點（Y1=Y5=h/2，Y2=Y4=h/4，Y3=0）貼上五個應(yīng)變片（圖9-2）所測的應(yīng)力值，確定彎曲正應(yīng)力的分布，并驗證彎曲正應(yīng)力公式。圖9-1實驗采用“增量法”加載，每增加等量的載荷P測定各點相應(yīng)的應(yīng)變增量一次。取應(yīng)變增量的平均值

58、，依次求出各點應(yīng)力增量把與理論公式算出的應(yīng)力增量進(jìn)行比較，從而驗證彎曲正應(yīng)力公式的正確性。理論公式中的M按下式求出：四、實驗步驟1、試件準(zhǔn)備：這個工作以由實驗室完成，要注意加力點的位置的對稱性，保證距離a。2、儀器準(zhǔn)備：復(fù)習(xí)應(yīng)變儀和平衡箱的使用方法。本實驗是多點測量，采用半橋溫補測量方法進(jìn)行。按應(yīng)變儀及平衡箱操作步驟進(jìn)行準(zhǔn)備。3、加載方案：逐級加載時，沒加載P=98N。分五級加載，第一級為初載荷，最終載荷為490N。4、進(jìn)行實驗：一個點需依次加載五個砝碼。加載第一個砝碼（即初載荷）后，調(diào)節(jié)微調(diào)，中調(diào)和大調(diào)盤讀出第一個應(yīng)變值。加載地二個砝碼后，步驟同第一個砝碼一樣。直至最終載荷。5、結(jié)束工作：測

59、完后，讓教師檢查一下測量數(shù)據(jù)。將儀器復(fù)原。五、注意事項1、嚴(yán)格按應(yīng)變儀，平衡箱的操作規(guī)程進(jìn)行操作。2、加載時要輕，以免損壞實驗裝置及指示器指針。六、思考題1、兩個幾何尺寸及受力情況完全相同的梁，但材料不同，試問：在同一個位置處測得的應(yīng)變是否相同？應(yīng)力呢？2、若實驗中補償片損壞，能否采取什么措施使實驗繼續(xù)進(jìn)行。3、試分析有那些因素影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。（十）空心圓軸主應(yīng)力測定一、實驗?zāi)康?、用電測法測定平面應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力的大小及方向。2、學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變花的應(yīng)用。二、實驗設(shè)備1、電阻應(yīng)變儀、預(yù)調(diào)平衡箱、數(shù)字測力儀及拉壓力傳感器。2、組合材料力學(xué)試驗臺、空心圓軸裝置。3、游標(biāo)卡尺及鋼板尺。三、實驗原

60、理由應(yīng)變分析可知，為了確定一點處的主應(yīng)變，可應(yīng)用應(yīng)變花測出三個方向上的線應(yīng)變，然后算出主應(yīng)變的大小和方向。圖10-1空心圓軸主應(yīng)力測定圖10-1為一空心圓軸，一端固定，另一端裝一固定橫桿，軸與桿的軸線彼此垂直，并且位于水平面內(nèi)。今在橫桿自由端加砝碼，使圓軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)與彎曲的組合變形。由彎扭組合理論可知，A-A截面的上表面A點的應(yīng)力狀態(tài)如圖10-2所示，其主應(yīng)力大小與方向的理論值分別為在A點處貼一45度應(yīng)變花（即直角應(yīng)變花），使零度的應(yīng)變片與圓軸母線一致，另外兩個應(yīng)變片分別與母線成+45度角和+90度角。用電阻應(yīng)變儀及預(yù)調(diào)平衡箱測量圓軸變形后應(yīng)變花的三個應(yīng)變值。應(yīng)用公式算出主應(yīng)變的大小及主應(yīng)變方向