材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

PAGEPAGE32材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)目錄實(shí)驗(yàn)一拉伸實(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)二壓縮實(shí)驗(yàn)8實(shí)驗(yàn)三扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)11電測(cè)原理簡(jiǎn)介17實(shí)驗(yàn)四彎曲實(shí)驗(yàn)22實(shí)驗(yàn)五彎扭實(shí)驗(yàn)26實(shí)驗(yàn)一拉伸實(shí)驗(yàn)概述拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)試驗(yàn)中最基本、最重要的試驗(yàn)之一。拉伸試驗(yàn)不僅能測(cè)定材料在靜拉伸下的強(qiáng)度和塑性性能，而且還能推斷出材料在其它變形形式下的一些性能，甚至還能藉以估計(jì)非靜荷下材料的一些特性。在構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算中，經(jīng)常要用到拉伸試驗(yàn)的一些測(cè)試結(jié)果。這里將選用低碳鋼和鑄鐵作為塑性材料和脆性材料的代表，分別做拉伸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定低碳鋼的屈服極限σS，強(qiáng)度極限σb，延伸率δ和截面收縮率ψ。測(cè)定鑄鐵的強(qiáng)度極限σb。比較低碳鋼與鑄鐵的力學(xué)性能，繪制低碳鋼和鑄鐵的拉伸圖（F——ΔL曲線）。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)我們實(shí)驗(yàn)室使用的WE—30B、WE—30和WE—60型液壓萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，均為度盤式的。下圖是WE—30B型液壓萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)。下圖是WE—30型液壓萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)。三臺(tái)試驗(yàn)機(jī)除外觀上有差別，原理一樣，操作大同小異。型號(hào)30、60代表最大載荷分別為30噸、60噸。WE—30B和WE—30型液壓萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)有0—6噸、0—15噸、0—30噸三個(gè)量程，WE—60型液壓萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)有0—12噸、0—30噸、0—60噸三個(gè)量程，A、B、C三個(gè)擺錘不同的搭配，可更換量程。實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)試件所需載荷的大小，選擇合適的測(cè)力范圍，并配置擺錘。2、游標(biāo)卡尺、沖子、榔頭。四、試件試件可制成圓形截面，如下圖（鑄鐵試樣）。兩端較粗部分是頭部，為裝入試驗(yàn)機(jī)夾頭中承受拉力之用。試件頭部形狀以試驗(yàn)機(jī)夾頭的要求而定。試驗(yàn)表明，試件的尺寸和形狀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，為了使各種材料機(jī)械性質(zhì)的數(shù)值便于比較，對(duì)試件的尺寸和形狀有國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。短試樣標(biāo)距為五倍直徑；長(zhǎng)試樣標(biāo)距為十倍直徑。下圖是打了沖眼，定了標(biāo)距的低碳鋼試樣。試樣標(biāo)距：L0試樣直徑（中部尺寸）：d0短試樣標(biāo)距：L0=5×d0長(zhǎng)試樣標(biāo)距：L0=10×d0五、原理下圖分別是萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)做低碳鋼和鑄鐵拉伸試驗(yàn)時(shí)，自動(dòng)繪圖儀畫出，修正過(guò)的拉伸圖。低碳鋼拉伸曲線鑄鐵拉伸曲線Fp比例伸長(zhǎng)載荷；Fc彈性伸長(zhǎng)載荷；Fx2上屈服載荷；Fb極限載荷FX1下屈服載荷；Fb極限載荷；Fk斷裂載荷試件開(kāi)始受力時(shí)，頭部在夾板內(nèi)滑移一段才能被夾緊，繪出的拉伸圖最初一段是曲線，對(duì)原始曲線加以修正才能得到真實(shí)的拉伸圖。這里繪出的拉伸變形ΔL包含了試驗(yàn)機(jī)夾具、立柱的伸長(zhǎng)。下圖是試驗(yàn)后低碳鋼試樣形狀。下圖是試驗(yàn)后鑄鐵試樣形狀。對(duì)于低碳鋼材料，在拉伸的初始階段，即彈性階段（OP段），比例伸長(zhǎng)載荷Fp和彈性伸長(zhǎng)載荷Fc很接近，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)讀不出來(lái)。這段表明拉力F與拉伸變形ΔL成正比。屈服階段ES呈鋸齒形，與上屈服載荷Fx2對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱上屈服極限，與下屈服載荷FX1對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為下屈服極限。試驗(yàn)表明上屈服極限與試件的形狀，加載速度等因素有關(guān)，不穩(wěn)定，而下屈服極限比較穩(wěn)定，可以反映材料的性能，工程中以后者作為屈服極限σS，與它對(duì)應(yīng)的載荷為FS。由屈服終點(diǎn)到極限載荷Fb（B點(diǎn)）稱為強(qiáng)化階段，在此階段載荷逐漸增大，標(biāo)距內(nèi)變形分布均勻。從極限載荷Fb開(kāi)始，變形集中在某一局部區(qū)域，試件出現(xiàn)“頸縮現(xiàn)象”，頸縮區(qū)的截面積迅速減小，繼續(xù)變形所需的載荷減小，直至試件斷裂為止。與Fb對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱為強(qiáng)度極限σb。鑄鐵試件在加載過(guò)程中，變形極小，載荷很快就達(dá)到最大而斷裂，沒(méi)有屈服和頸縮現(xiàn)象，只能測(cè)出它的極限載荷Fb值，得出相應(yīng)的強(qiáng)度極限σb。將試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的：FS、Fb、L0（試驗(yàn)前長(zhǎng)度）、L1（試驗(yàn)后長(zhǎng)度）、A0(試驗(yàn)前試件標(biāo)距內(nèi)橫截面面積)、A1(試驗(yàn)后試件標(biāo)距內(nèi)最小橫截面面積)，分別代入下式，即可求出待測(cè)材料的力學(xué)性能指標(biāo)。σs=Fσb=屈服極限σs，強(qiáng)度極限σb是材料的兩個(gè)重要強(qiáng)度指標(biāo)，延伸率δ和截面收縮率ψ是材料的兩個(gè)塑性指標(biāo)。工程上規(guī)定：凡δ＞5%時(shí)為塑性材料，反之為脆性材料。參見(jiàn)上圖，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，斷口應(yīng)在試件中部標(biāo)距長(zhǎng)度1/3區(qū)段內(nèi)，否則要采用斷口移中的辦法計(jì)算L1的長(zhǎng)度。試驗(yàn)前將試件標(biāo)距等分為10格，試驗(yàn)后將拉斷的試件對(duì)接在一起，以斷口0為起點(diǎn)，在斷裂試件較長(zhǎng)的右段上從鄰近斷口的一條刻線B起向右取5格，標(biāo)記為D，再看D點(diǎn)到標(biāo)距端點(diǎn)E有多少格，就由D點(diǎn)身左取相同的格數(shù)定為C點(diǎn)，則斷裂后標(biāo)距長(zhǎng)度L1=AD+CD。當(dāng)斷口非常靠近試件兩端，而與其頭部距離小于等于直徑的2倍時(shí)，該試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，需要重做。六、試驗(yàn)步驟低碳鋼試件試件準(zhǔn)備用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距長(zhǎng)度范圍內(nèi)，測(cè)量?jī)啥思爸虚g三處截面的直徑，在每一橫截面處沿互相垂直的兩個(gè)直徑方向各測(cè)量一次，算出平均值，取最小平均值為d0，計(jì)算試件橫截面積A0。本次試驗(yàn)采用短試樣，取L0=5×d0為試樣標(biāo)距長(zhǎng)度。在其兩端打兩個(gè)淺沖眼，用劃線機(jī)將標(biāo)點(diǎn)內(nèi)長(zhǎng)度劃分為10等分。下圖是劃完線的低碳鋼試件。試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備根據(jù)試件截面積和材料強(qiáng)度極限，估算拉斷試件所需的最大載荷，并選擇合適的擺錘，來(lái)確定最大量程。打開(kāi)機(jī)器把上夾頭略升起后，將度盤主動(dòng)針調(diào)零，被動(dòng)針拔到和主動(dòng)針挨在一起，給自動(dòng)繪圖儀裝上坐標(biāo)紙。安裝試件將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)的上夾頭內(nèi)，再移動(dòng)下夾頭達(dá)到適當(dāng)?shù)奈恢?，把試件下端夾緊。也可以兩個(gè)同學(xué)配合完成裝夾試件。進(jìn)行試驗(yàn)啟動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)，緩緩打開(kāi)送油閥，對(duì)試件加載。注意：送油閥不能開(kāi)得太大，使加載速度過(guò)快！當(dāng)主動(dòng)針發(fā)生擺動(dòng)，此時(shí)試件發(fā)生了屈服，記錄主動(dòng)針擺動(dòng)的最小值，這就是屈服載荷FS。屈服過(guò)后，可適當(dāng)把送油閥開(kāi)大些，加載到最大載荷。試件出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，主動(dòng)針?lè)祷?，被?dòng)針?biāo)傅奈恢脼闃O限載荷Fb。試件斷裂后關(guān)閉送油閥，停止油泵電動(dòng)機(jī)，取下試件后，打開(kāi)回油閥使上夾頭下落。若繼續(xù)試驗(yàn)，可將上橫梁指針落到標(biāo)尺10毫米以內(nèi)后關(guān)閉回油閥。結(jié)束工作將已斷裂的試件兩斷口相吻合靠緊，使試件的軸線成一直線。用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷口兩個(gè)垂直方向的直徑。取其平均值作為斷口處直徑d1。測(cè)量試件斷裂后的標(biāo)距L1。從自動(dòng)繪圖儀上取下拉伸曲線圖。鑄鐵試件1、測(cè)量試件中間部分三處截面直徑，方法和低碳鋼相同，但不需在試件上刻線、打沖眼。根據(jù)鑄鐵的強(qiáng)度極限和試樣的截面積估算試件的最大載荷。之后和低碳鋼相同。2、進(jìn)行試驗(yàn)加載和低碳鋼屈服前相同，斷裂后停止油泵電動(dòng)機(jī)，記錄極限載荷Fb。結(jié)束工作將試驗(yàn)機(jī)恢復(fù)原狀，關(guān)閉電源，清理現(xiàn)場(chǎng)，將工具放到原處。七、注意事項(xiàng)1、課前預(yù)習(xí)該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。2、開(kāi)機(jī)時(shí)，操作人員不得離開(kāi)，發(fā)生任何故障應(yīng)立即停機(jī)，并報(bào)告指導(dǎo)老師。3、試驗(yàn)機(jī)裝入試樣后，不得再開(kāi)動(dòng)下夾頭電機(jī)。4、試驗(yàn)過(guò)程中不得觸動(dòng)擺錘。實(shí)驗(yàn)二壓縮實(shí)驗(yàn)一、概述工程上有許多受壓構(gòu)件，為了合理選材，和確定其強(qiáng)度，必須通過(guò)壓縮試驗(yàn)來(lái)了解各種材料在受壓縮時(shí)的力學(xué)性能和破壞情況。試驗(yàn)表明：塑性材料承壓的力學(xué)性能和受拉時(shí)基本相同，所以不一定要進(jìn)行試驗(yàn)。脆性材料抗壓能力比抗拉能力強(qiáng)，對(duì)于鑄鐵、混凝土等主要承壓的脆性材料，需要進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定鑄鐵壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限σb。觀察鑄鐵壓縮時(shí)的變形和破壞現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)設(shè)備萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。游標(biāo)卡尺。試件及裝置壓縮試件一般制成短圓柱形，試件高度h0與直徑d0之比一般規(guī)定1?h這是因?yàn)楫?dāng)試件高度相對(duì)增高時(shí)，試件會(huì)因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)發(fā)生失穩(wěn)彎曲。當(dāng)試件過(guò)短時(shí)，試件的抗壓能力就會(huì)增強(qiáng)，不符合一定長(zhǎng)度軸向桿件的壓縮情況。試驗(yàn)前壓縮試件試驗(yàn)后壓縮試件圖2當(dāng)試件承受壓力時(shí)，試件上、下端面與試驗(yàn)機(jī)墊板之間會(huì)產(chǎn)生很大摩擦力，將阻礙試件上、下端面的橫向變形，因此試件壓縮時(shí)出現(xiàn)鼓形，如圖2。為了減少摩擦力，可在試件上下端面涂些潤(rùn)滑油。試件上、下端面要求平行，并與試件軸線垂直，其端面還應(yīng)制作的光滑，以減低摩擦影響。試驗(yàn)機(jī)附有球形承墊，當(dāng)試件兩端面稍有不平時(shí)，可起調(diào)整作用，使壓力分布均勻。原理低碳鋼壓縮在屈服階段以前與拉伸相似，遵從虎克定律。在壓縮過(guò)程中沒(méi)有明顯的屈服階段，這是由于隨著塑性變形的速度增大，試件截面面積也隨著增大，能夠承受更大的載荷，所以屈服階段不明顯，也很難測(cè)得壓縮強(qiáng)度極限。把壓縮看作反向拉伸，因此拉伸時(shí)所決定的機(jī)械性能及定義和公式，在此都適用。鑄鐵試件受壓時(shí)，當(dāng)載荷達(dá)到最大Fb時(shí)，試件發(fā)生突然破裂，其外觀變形不大，表面出現(xiàn)與試件軸線成450左右的傾斜裂紋。這說(shuō)明其破壞是由沿軸線450方向最大剪應(yīng)力τmax所引起（如前圖下圖是低碳鋼和鑄鐵的壓縮圖。低碳鋼壓縮圖鑄鐵壓縮圖被動(dòng)針?biāo)傅奈恢脼闃O限載荷Fb。由此計(jì)算出鑄鐵的強(qiáng)度極限：σbA0試驗(yàn)前鑄鐵壓縮試件橫截面面積。試驗(yàn)步驟試驗(yàn)準(zhǔn)備用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件中部某處截面兩個(gè)互相垂直直徑的尺寸，取其平均值d0，計(jì)算試件橫截面積A0。試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備根據(jù)試件截面積和材料強(qiáng)度極限，估算壓斷試件所需的最大載荷，并選擇合適的擺錘，來(lái)確定最大量程。打開(kāi)機(jī)器把上夾頭略升起后，將度盤主動(dòng)針調(diào)零，被動(dòng)針拔到和主動(dòng)針挨在一起，給自動(dòng)繪圖儀裝上坐標(biāo)紙。安放試件將試件兩端面涂潤(rùn)滑油，然后準(zhǔn)確地放在試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)臺(tái)承墊中心位置。檢查及試車試車時(shí)，升起試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)臺(tái)，當(dāng)上承墊接近試件時(shí)，降低上升速度，避免急劇加載。當(dāng)試件與上承墊接觸后，繪圖儀開(kāi)始工作，用慢速加少量載荷，然后卸載近零點(diǎn)。進(jìn)行試驗(yàn)開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，緩慢、均勻增加載荷直到試件破壞為止，停機(jī)，記錄被動(dòng)針?biāo)傅奈恢?，為極限載荷Fb。結(jié)束工作取下試件和壓縮曲線圖，觀察鑄鐵試件的破壞現(xiàn)象。將機(jī)器復(fù)原，關(guān)閉電源，清理現(xiàn)場(chǎng)。注意事項(xiàng)嚴(yán)格遵守萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的操作規(guī)程。試驗(yàn)時(shí)不得離得太近觀察試件，以免萬(wàn)一試件彈出傷著人！拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)思考題拉伸試驗(yàn)為什么必須要用五倍直徑、十倍直徑試件？為什么不作低碳鋼的壓縮試驗(yàn)？鑄鐵壓縮試驗(yàn)為什么會(huì)出現(xiàn)與試件軸線成450實(shí)驗(yàn)三扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)概述在機(jī)器和結(jié)構(gòu)物中，有許多承受扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件，圓軸承受扭矩時(shí)，破壞形式與材料性質(zhì)有關(guān)，通過(guò)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)可以測(cè)定材料的抗剪能力。由于各種材料的抗剪性能不同，其破壞過(guò)程和破壞斷口有明顯區(qū)別，這種現(xiàn)象可以通過(guò)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來(lái)顯示。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定低碳鋼的剪切屈服極限τs、剪切強(qiáng)度極限τb。測(cè)定鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限τb。觀察、比較低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象及破壞形式。實(shí)驗(yàn)設(shè)備下圖是NJ—50B、NJ—100B扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。游標(biāo)卡尺。試件扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)只能用圓試件，和拉伸試件相同，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，短試樣標(biāo)距為五倍直徑；長(zhǎng)試樣標(biāo)距為十倍直徑。下圖為五倍直徑的低碳鋼扭轉(zhuǎn)試樣。實(shí)驗(yàn)原理圖1為低碳鋼試件扭矩與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線（T?—φ?qǐng)D），圖2圖1圖2當(dāng)在比例極限扭矩Tp之內(nèi)時(shí)，材料處于彈性狀態(tài)，T?和φ成線性關(guān)系，見(jiàn)圖2－(a)，截面上剪應(yīng)力沿半徑線性分布。扭矩超過(guò)Tp后，見(jiàn)圖2—（b）。橫截面邊緣處的剪應(yīng)力首先到達(dá)剪切屈服極限τs，而且逐漸向圓心擴(kuò)展，形成環(huán)形塑性區(qū)，但中心部分仍是彈性的。當(dāng)整個(gè)截面都成為塑性區(qū)，見(jiàn)圖2—（c）。T?和φ的關(guān)系成一平臺(tái)，這時(shí)主動(dòng)針略有擺動(dòng)，以最低點(diǎn)為過(guò)了屈服階段后，試件繼續(xù)變形，材料的強(qiáng)化使扭矩緩慢上升，直到扭矩達(dá)到Tb，試件被剪斷。試驗(yàn)機(jī)被動(dòng)指針數(shù)值為Tb。試驗(yàn)后的試件見(jiàn)下圖。試件延橫截面斷開(kāi)，像是脆斷，扭轉(zhuǎn)破壞試驗(yàn)橫截面上作用的是剪應(yīng)力，低碳鋼是塑性材料，抗剪性能差，它的破壞是被剪斷的。τs、τb的計(jì)算不能用公式τb=TWτs、τb計(jì)算公式的導(dǎo)出：上圖是一個(gè)作扭轉(zhuǎn)破壞試驗(yàn)試件的橫截面，此時(shí)外加扭矩已經(jīng)達(dá)到屈服Ts，理想化的認(rèn)為整個(gè)截面剪應(yīng)力分布都是τs，橫截面的半徑為R。取一個(gè)微環(huán)帶（用虛線畫出），到圓心的距離為r，寬為dr。我們可以把這個(gè)微環(huán)帶看成一個(gè)矩形，它的面積為：dS=2πr×dr＝2πrdr剪應(yīng)力都是延切向分布，在這個(gè)微環(huán)帶上所有剪應(yīng)力對(duì)圓心的力矩之和為：dT=（τsdS）×r=τs×(2πrdr)×r＝2πτsr2在整個(gè)橫截面上積分，等于把截面上分布的剪應(yīng)力τs對(duì)圓心的力矩全加到了一起。它的值和外加扭矩Ts相等。Ts=0RdT=0R2πτsr2=43×因?yàn)閃t=πD316=π2R316=πR32代入上式得：由此得出計(jì)算剪切屈服極限τs的公式。τs=34Tswt低碳鋼扭轉(zhuǎn)破壞試驗(yàn)和拉伸不同，試件要扭3－6圈才能斷，塑性變形遠(yuǎn)大于拉伸試驗(yàn)。斷裂前T?—φ曲線幾乎是一條和φ軸平行的直線，可以認(rèn)為變形和受力無(wú)關(guān)，也能用推導(dǎo)出（1）式的方法，得到計(jì)算剪切強(qiáng)度極限τbτb=34Tb鑄鐵從開(kāi)始受扭，直到破壞變形很小，但要比拉伸時(shí)大得多，其T?—φ曲線變彎要比拉伸時(shí)明顯仍然認(rèn)為T?—φ曲線是一條直線，τb的計(jì)算用彈性階段圓截面扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的計(jì)算公式。τb=TbWt試驗(yàn)前鑄鐵扭轉(zhuǎn)試件形狀和低碳鋼相同，試驗(yàn)后的試件見(jiàn)下圖。鑄鐵試件的斷口形狀是和橫截面夾角成450的螺旋線。鑄鐵是典型的脆性材料，它的抗剪性能要優(yōu)于抗拉性能，抗壓性能最好?；叵腓T鐵的壓縮試驗(yàn)，與壓力夾角450方向上有最大剪應(yīng)力出現(xiàn)，斷口和橫截面夾角為450。反過(guò)來(lái)想，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)橫截面上作用的是剪應(yīng)力，那么和橫截面夾角為實(shí)驗(yàn)步驟低碳鋼試件試件準(zhǔn)備用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距內(nèi)測(cè)量?jī)啥酥虚g三處截面直徑，在每處沿互相垂直的兩個(gè)直徑方向各測(cè)一次，求平均值后，以最小平均值為d0。，用粉筆在標(biāo)距內(nèi)畫一條與軸線平行的線段，記錄試件扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)。試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備估算試件斷裂時(shí)所需的最大扭矩，轉(zhuǎn)動(dòng)量程手輪選擇合適度盤。確定主動(dòng)夾頭轉(zhuǎn)速，先用低速。轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，將主動(dòng)夾頭上刻度環(huán)對(duì)到0或18（1800進(jìn)行試驗(yàn)打開(kāi)自動(dòng)繪圖器開(kāi)關(guān)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)器開(kāi)始運(yùn)行，彈性階段用慢速加載。注意觀察刻度盤的指針和繪圖器上繪出的T?—φ曲線，當(dāng)曲線由直線變成曲線時(shí)，表明扭矩值超過(guò)Tp。當(dāng)主動(dòng)針突然發(fā)生下降，然后移動(dòng)速度變得很緩慢，說(shuō)明材料發(fā)生了屈服，記錄主動(dòng)針最低點(diǎn)的值，為屈服扭矩Ts。屈服階段過(guò)后，可把加載速度加快，加大扭矩直到試件被剪斷。停機(jī)記錄被動(dòng)針?biāo)傅淖畲笈ぞ豑b。數(shù)出試件上粉筆劃線的圈數(shù)乘以360結(jié)束工作取下T?鑄鐵試件按低碳鋼所述步驟進(jìn)行試驗(yàn)，鑄鐵屬脆性材料，沒(méi)有屈服階段，當(dāng)扭矩加到一定值時(shí)，試件被扭斷，停機(jī)記錄被動(dòng)針?biāo)傅淖畲笈ぞ豑b。觀察兩種試件的斷口形狀。注意事項(xiàng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，操作者不得離開(kāi)，有異常聲或發(fā)生故障，立即停機(jī)。開(kāi)機(jī)后，禁止轉(zhuǎn)動(dòng)量程選擇手輪。試驗(yàn)機(jī)由高速檔換到低速檔，一定關(guān)機(jī)后再換，以免損壞設(shè)備。思考題測(cè)τs、τb能否用“剪切”的方法？鑄鐵壓縮實(shí)驗(yàn)試件是被剪斷，能否根據(jù)壓縮試驗(yàn)得到的強(qiáng)度極限σb。來(lái)推算鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限τb。為什么推導(dǎo)τs、τb的計(jì)算公式理想化的假定試件整個(gè)截面上所有的剪應(yīng)力都是τs、τb，不是真實(shí)的？電測(cè)原理簡(jiǎn)介概述電測(cè)的全名是非電量測(cè)試技術(shù)，用電阻應(yīng)變片這種傳感器，把力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，用電阻應(yīng)變儀測(cè)出構(gòu)件（或模型）上一點(diǎn)的線應(yīng)變，再按材料力學(xué)的辦法來(lái)確定該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。它是實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中一個(gè)重要的測(cè)試方法。電測(cè)法有許多優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試精度高；傳感元件小；可以直接粘貼到被測(cè)構(gòu)件的很小部位上，而且不損傷構(gòu)件。可以在靜載荷、動(dòng)載荷下進(jìn)行測(cè)量，能在多種復(fù)雜的工作條件下進(jìn)行測(cè)量等。因此，電測(cè)法在工程實(shí)際中被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。所以我們對(duì)電測(cè)法的基本原理應(yīng)有所了解。電測(cè)法的基本原理電測(cè)法的基本原理就是利用特制的膠把電阻應(yīng)變片貼在被測(cè)構(gòu)件的測(cè)點(diǎn)上，當(dāng)構(gòu)件承受外力作用后，電阻應(yīng)變片將隨同構(gòu)件一起變形而引起電阻值的改變，通過(guò)電阻應(yīng)變儀可使各測(cè)點(diǎn)電阻值的改變量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值顯示出來(lái)。電阻應(yīng)變片現(xiàn)在常用箔式電阻應(yīng)變片，它一般用厚度為0,03—0,01mm的康銅箔，或鎳鉻箔利用光刻技術(shù)制成電阻敏感柵，下圖是箔式電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片用粘接強(qiáng)度非常高的502膠，或環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑把它粘貼在被測(cè)構(gòu)件上。因?yàn)橛米髡迟N的膠固化后強(qiáng)度非常高，認(rèn)為粘貼在被測(cè)構(gòu)件上的電阻應(yīng)變片和被測(cè)構(gòu)件固接為一體，隨著被測(cè)構(gòu)件一起被拉伸，或壓縮。這樣電阻應(yīng)變片上的電阻敏感柵就會(huì)產(chǎn)生電阻改變信號(hào)。這樣的電阻改變信號(hào)和構(gòu)件的受力有什么關(guān)系呢？圖1假設(shè)是一個(gè)兩端受拉力的電阻絲，電阻絲處于彈性階段。我們?cè)谥袑W(xué)電學(xué)中學(xué)過(guò)這樣一個(gè)公式：R=ρLS（其中ρ為電阻率，L為電阻絲的長(zhǎng)度，S為電阻絲的橫截面積。當(dāng)電阻絲受拉力時(shí)，顯然會(huì)被拉長(zhǎng)，L增大。橫向變細(xì)，S變小。這樣（1）式的分子變大，分母變小，電阻R將會(huì)變大。假如電阻絲受壓力，電阻絲的長(zhǎng)度L變小，橫截面積S變大，（1）式的分子變小，分母變大，電阻R將會(huì)變小。由此可看出電阻絲受力時(shí)，電阻的改變量ΔR和外加載荷有一定的關(guān)系，但這是定性關(guān)系，我們要計(jì)算應(yīng)力，必需要知道它們之間的定量關(guān)系。電阻應(yīng)變片上的敏感柵受力后，它的應(yīng)變和電阻改變量ΔR之間的關(guān)系從試驗(yàn)得知：K=?RRε（式中ε為被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，生產(chǎn)廠家會(huì)標(biāo)定好，把K值提供給用戶。（2）式中的K值為已知，電阻R現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化了，實(shí)測(cè)用的電阻應(yīng)變片的電阻值都是120Ω，ΔR可以實(shí)測(cè)出來(lái)，這樣被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?chǔ)啪湍芮蠼獬觥?shí)測(cè)用的電阻應(yīng)變儀能把應(yīng)變值直接顯示出來(lái)。可以根據(jù)虎克定律σ=Eε，算出被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力。2、橋式電路由于應(yīng)變所引起的電阻變化很小，很難測(cè)量，需要用靈敏度較高的電路來(lái)測(cè)量，常用的電路為惠斯登電橋。在圖2中R1、R2、R3、R4為四個(gè)電阻，構(gòu)成四個(gè)電橋臂。這四個(gè)電阻可以是四個(gè)電阻應(yīng)變片，可以R1、R4為電阻應(yīng)變片，R2、R3為電阻應(yīng)變儀內(nèi)的兩個(gè)無(wú)感電阻。電橋的A、C端接電源V，BD端為輸出端，給應(yīng)變儀提供電壓信號(hào)UBD。由電學(xué)原理可以求得，BD間的電壓為：UBD=R1?我們希望在電橋中的應(yīng)變片沒(méi)有受載，阻值沒(méi)有發(fā)生改變時(shí)，不要給電阻應(yīng)變儀輸出信號(hào)。只要圖2中電橋B、D兩端電壓相等（UBD＝0），電橋處于平衡狀態(tài)。由（3）式得：R當(dāng)橋臂上的四個(gè)電阻應(yīng)變片感受到不同的應(yīng)變?chǔ)?、ε2、ε3、ε4?R1R1=Kε1?R2R2=Kε2Δ此時(shí)電橋失去平衡，B、D端有輸出電壓ΔUBD，ΔUBD=?UBD?R1?R1由（3）式UBD=R1??UBD?R1?R1同理得：?UBD?UBD?UBD將以上四式代入（5）式整理后得：?UBD=R當(dāng)橋臂電阻全部相等R1＝R2＝R3＝R4，或?qū)ΨQR1＝RR1R2R1+R2?UBD=V4?將（4）代入（7）式得：?UBD=KV4ε1令?UBD＝Kε儀＝其中K儀為應(yīng)變儀一個(gè)常數(shù)因子，ε應(yīng)變儀在實(shí)測(cè)前要將靈敏系數(shù)K儀調(diào)整到和應(yīng)變片的K值相等，這樣就有ε儀＝ε1三、溫度補(bǔ)償貼有應(yīng)變片的構(gòu)件總處在某一溫度環(huán)境中，當(dāng)溫度改變時(shí)，貼有應(yīng)變片的構(gòu)件就會(huì)發(fā)生熱脹冷縮，產(chǎn)生熱應(yīng)變。這種應(yīng)變不受力，不會(huì)引起構(gòu)件的破壞，我們不需要。這樣溫度改變就會(huì)造成應(yīng)變儀表頭的零點(diǎn)漂移，給我們的實(shí)測(cè)帶來(lái)誤差。往往溫度改變產(chǎn)生的熱應(yīng)變遠(yuǎn)大于構(gòu)件彈性變形的應(yīng)變值，會(huì)使我們的實(shí)測(cè)失敗。排除溫度改變對(duì)測(cè)量值影響的方法叫溫度補(bǔ)償。就是用一個(gè)電阻應(yīng)變片粘貼在一塊與被測(cè)構(gòu)件材料相同，但不受力的物件上，并置于同一溫度環(huán)境中。上圖是半橋接法示意圖。貼在被測(cè)構(gòu)件上的電阻應(yīng)變片稱作工作片，用R1表示，接在電橋橋臂的AB端。貼在不受力構(gòu)件上的電阻應(yīng)變片稱作補(bǔ)償片，用R4表示，接在電橋橋臂的AD端。另外兩個(gè)電橋橋臂上的電阻R2、由（10）式ε儀因?yàn)榘霕蚪臃≧2、R3用電阻應(yīng)變儀的內(nèi)電阻，ε2＝ε3＝0，有：ε儀這種接線方法在外界溫度發(fā)生變化，由于補(bǔ)償片的貼片材料和被測(cè)構(gòu)件相同，又處在相同的溫度環(huán)境下，這樣由于溫度改變所產(chǎn)生的ε1和ε由（11）式可知，ε儀=0。這樣就可以保證零點(diǎn)的穩(wěn)定，只能從應(yīng)變儀上讀到加載后工作片另外溫度改變會(huì)造成電阻值的變化，通常橋臂上的四個(gè)電阻的溫度特性不同，也會(huì)產(chǎn)生電阻的改變信號(hào)。雖然這個(gè)原因造成應(yīng)變儀的零點(diǎn)漂移相對(duì)于熱脹冷縮來(lái)說(shuō)很小，也不能忽視，我們操作應(yīng)變儀盡量要快，不然零點(diǎn)還會(huì)跑掉，造成測(cè)不準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)四彎曲試驗(yàn)一、概述本實(shí)驗(yàn)是測(cè)定矩形截面梁純彎曲時(shí)橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律。拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)是對(duì)材料力學(xué)性能的測(cè)定，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)則是對(duì)受力結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試分析，了解電測(cè)法在實(shí)測(cè)中的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)定矩形截面簡(jiǎn)支梁在純彎曲時(shí)橫截面上正應(yīng)力的分布，和彎曲正應(yīng)力公式σ=My2、學(xué)習(xí)電測(cè)法的基本原理，及電阻應(yīng)變儀的操作方法。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本次試驗(yàn)使用的設(shè)備是XL3416純彎曲梁實(shí)驗(yàn)臺(tái)，見(jiàn)下圖。試驗(yàn)臺(tái)上裝有傳感器，加載的大小由XL2116A測(cè)力儀讀出。XL2116A測(cè)力儀見(jiàn)下圖。應(yīng)變的采集用XL2101C程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀來(lái)完成。此應(yīng)變儀可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電橋平衡，工作狀態(tài)穩(wěn)定。XL2101C程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀見(jiàn)下圖。加載原理：加載機(jī)構(gòu)為內(nèi)置式，采用蝸輪蝸桿對(duì)試件進(jìn)行加載。四、實(shí)驗(yàn)原理及方法在純彎曲條件下，梁橫截面上任一點(diǎn)的正應(yīng)力，計(jì)算公式為：σ=式中M為彎矩，Iz為橫截面對(duì)中性軸的慣性矩；y為所求應(yīng)力點(diǎn)至中性軸的距離。為了測(cè)量梁在純彎曲時(shí)橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律，在梁的純彎曲段不同高度上平行于軸線貼有5個(gè)應(yīng)變片，見(jiàn)下圖。/2/21#1#2#2#3# h3#4#4#5#aab5#L實(shí)驗(yàn)采用半橋單臂、公共補(bǔ)償、多點(diǎn)測(cè)量方法。加載采用增量法，即每增加等量的載荷△P，測(cè)出各點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽?，然后分別取各點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽康钠骄礽，依次求出各點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽?。εi＝ε1只有五個(gè)測(cè)點(diǎn)，式中i=1、2、3、4、5，n為等增量ΔP加載次數(shù)。根據(jù)虎克定理，實(shí)驗(yàn)值為：σ=Eε將實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值進(jìn)行比較。注意，（1）式只能用以分析計(jì)算，目的是把實(shí)測(cè)中測(cè)壞的值剔除，不能把采集的應(yīng)變值直接代入（1）式中計(jì)算。下面舉一個(gè)例子，看怎么正確的應(yīng)用（1）式來(lái)分析計(jì)算采集到的應(yīng)變。下面數(shù)值是一次試驗(yàn)五號(hào)測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)。例一加載次數(shù)載荷（單位N）應(yīng)變值ε增量值ε000110066-0=622001313-6=733001515-13=244002121-15=655002828-21=766004040-28=1277004646-40=688005454-46=8表中得到8個(gè)應(yīng)變?cè)隽糠謩e為：6、7、2、6、7、12、6、8。我們不能直接用（1）式把這八個(gè)增量相加求平均，要把測(cè)壞的值剔除。怎么知道測(cè)到不正確的數(shù)值了呢？電測(cè)只能對(duì)處于彈性階段的構(gòu)件進(jìn)行實(shí)測(cè)，被測(cè)構(gòu)件滿足受力與變形成正比的原則。我們加載是等間隔（力增量為100N）,應(yīng)變?cè)隽肯嗟炔耪_，否則就不正確。因?yàn)閮x器有讀數(shù)范圍，還有爬行的影響，增量不可能完全相同，但不能差得太多。前面得到八個(gè)增量，有六個(gè)分別是6、7、8，相差不是太大，說(shuō)明數(shù)值正確。兩個(gè)紅色的數(shù)值2、12相差太大，說(shuō)明所測(cè)的數(shù)值不正確，剔除不要了，正確的求平均是：ε＝注意：應(yīng)變儀采集到的是微應(yīng)變，代入虎克定理計(jì)算應(yīng)力，要乘以10-6此次實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的彈性模量E=210GPa,由虎克定理得此測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值為：σ=Eε＝210×109×6.83×10-6≈1.43×10和公式的計(jì)算值進(jìn)行比較。五、實(shí)驗(yàn)步驟操作步驟1、將所作實(shí)驗(yàn)的試件通過(guò)有關(guān)附件連接到架體相應(yīng)位置，連接拉、壓力傳感器和加載件到加載機(jī)構(gòu)上去。2、連接傳感器電纜線到儀器傳感器輸入插座，連接應(yīng)變片導(dǎo)線到儀器的各個(gè)通道接口上去。1、2、兩項(xiàng)由指導(dǎo)老師完成。3、打開(kāi)儀器電源，預(yù)熱約20分鐘左右，輸入傳感器量程和應(yīng)變片靈敏系數(shù)（首次使用時(shí)已調(diào)好），在不加載的情況下將測(cè)力量和應(yīng)變量調(diào)至零。4、對(duì)試件進(jìn)行分級(jí)加載，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪速度要均勻，記下各級(jí)力值和試件產(chǎn)生的應(yīng)變值。5、完成實(shí)驗(yàn)后，卸掉載荷，關(guān)閉電源，整理好所用儀器設(shè)備，清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，將所用儀器設(shè)備復(fù)原。注意事項(xiàng)1.加載不能超過(guò)規(guī)定的最大載荷。2.加載機(jī)構(gòu)作用行程為503.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完后，應(yīng)對(duì)試件卸載。4、不要?jiǎng)討?yīng)變儀讀數(shù)面版右下角的系統(tǒng)設(shè)定鍵，以免把靈敏系數(shù)K的數(shù)值搞錯(cuò)。下表是被測(cè)結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)。應(yīng)變片至中性層距離（mm）梁的尺寸和有關(guān)參數(shù)Y1－20寬度b=20mmY2－10高度h=40mmY30跨度L=620mmY410載荷距離a=150mmY520彈性模量E=210GPa泊松比μ=0.3六、思考題影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素是什么？彎曲正應(yīng)力的大小是否受彈性模量E的影響？實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有考慮梁的自重，會(huì)引起誤差嗎？為什么？梁彎曲的正應(yīng)力公式并未涉及材料的彈性模量E，而實(shí)測(cè)應(yīng)力值的計(jì)算卻用上了彈性模量E，為什么？實(shí)驗(yàn)五彎扭實(shí)驗(yàn)一、概述扭轉(zhuǎn)與彎曲的組合變形，是機(jī)械工程中最常見(jiàn)的情況。在這種工況下，承載構(gòu)件的自由表面上，一般處于平面應(yīng)力狀態(tài)（單向應(yīng)力狀態(tài)作為平面應(yīng)力狀態(tài)的一種特例），測(cè)定構(gòu)件表面主應(yīng)力的大小和方向，對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度分析有著重要意義。本實(shí)驗(yàn)是以彎扭組合變形為例，讓同學(xué)掌握測(cè)定構(gòu)件表面主應(yīng)力大小和方向的方法。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、用電測(cè)法測(cè)定薄壁圓管在彎曲、扭轉(zhuǎn)同時(shí)作用下，表面一點(diǎn)的主應(yīng)力大小和方向，并與理論值進(jìn)行比較。2、進(jìn)一步掌握電測(cè)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)力分析方法。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、XL3415材料力學(xué)多功能試驗(yàn)臺(tái)，見(jiàn)下圖。2、XL2191C程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（與彎曲實(shí)驗(yàn)相同）。四、實(shí)驗(yàn)原理圖1由斜截面上的應(yīng)力公式可知，圖1所示的應(yīng)力單元體中，α方向上的正應(yīng)力為：σα＝σx+應(yīng)變片只能測(cè)出一點(diǎn)的應(yīng)變，在平面應(yīng)力狀態(tài)下，要能得到α方向上應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，必需求出α+90o方向上的σα+90σα+90＝σx根據(jù)廣義虎克定理，沿α方向上的線應(yīng)變?yōu)椋害纽?1Eσα-μ將（1）、（2）式代入（3）式后整理得：εα=1E從（4）式可以看出，等號(hào)左邊的εα，用應(yīng)變儀可以測(cè)得，是已知量。方程式中含有三個(gè)未知量、和τ