材料力學實驗二扭轉與彈性模量測定實驗

材料力學實驗二扭轉與彈性模量測定實驗材料力學實驗指導書?3扭轉實驗指導書1、概述工程中有許多承受扭轉變形的構件，了解材料在扭轉變形時的力學性能，對于構件的合理設計和選材是十分重要的。扭轉變形是構件的基本變形之一，因此扭轉實驗也是材料力學基本實驗之一。2、實驗目的2.1測定低碳鋼的扭轉屈服強度及抗扭強度。，，sb2.2測定鑄鐵的抗扭強度。,b2.3觀察、比較低碳鋼和鑄鐵在扭轉時的變形和破壞現(xiàn)象，分析其破壞原因。3、實驗原理對一確定形狀試件兩端施加一對大小為的外力偶，試件便處于扭轉受力狀態(tài)，此時試件中的Me圖3.1純剪應力狀態(tài)045對單元體進行平衡分析可知，在與試樣軸線成角的螺旋面上，分別承受主應力，，，，1,,,,的作用，這樣就出現(xiàn)了在同一個試件的不同截面上,，，，，，的情形。這樣對于判斷材3壓拉料各極限強度的關系提供了一個很好的條件。T圖3.2為低碳鋼Q235扭轉實驗扭矩和扭轉角的關系曲線，圖3.3為鑄鐵HT200試件的扭，T轉實驗扭矩和扭轉角的關系曲線。圖3.4為低碳鋼和鑄鐵扭轉破壞斷口形式，T,,T,,圖3.2低碳鋼Q235扭轉曲線圖3.3鑄鐵HT200扭轉曲線圖3.4低碳鋼和鑄鐵扭轉破壞斷口形式由圖3.2低碳鋼扭轉曲線可以看出，低碳鋼Q235的扭轉曲線類似于拉伸的T,,T,,F,,L曲線，有明顯的彈性階段、流動屈服階段及強化階段。在彈性階段，根據(jù)扭矩平衡原理，由剪應力產(chǎn)生的合力矩需與外加扭矩相等，可得剪應力沿半徑方向的分布為：，，T*,,,,IP在彈性階段剪應力的變化如圖3.5所示圖3.5低碳鋼扭轉試件彈性階段應力分布變化在彈性階段剪應力沿圓半徑方向呈線性分布，據(jù)此可得T*rT,,,maxIWPP當外緣剪應力增加到一定程度后，試件的邊緣產(chǎn)生流動現(xiàn)象，試件承受的扭矩瞬間下降，應力重新分布至整個截面上的應力均勻一致，稱之為屈服階段，在屈服階段剪應力的變化如圖3.6所示,稱達到均勻一致時的剪應力為剪切屈服強度()，其對應的扭矩為屈服扭矩，習慣上將屈服段s的最低點定義為屈服扭矩，同樣根據(jù)扭矩平衡原理可得:3T*3T,ss,,,s4I4WPP圖3.6低碳鋼扭轉試件屈服階段應力分布變化應力均勻分布后，試件可承受更大的扭矩，試件整個截面上的應力均勻增加，直至試件剪切斷裂，如圖3.4所示，最大剪應力對應的扭矩為最大扭矩，定義最大剪應力為剪切強度。3Tb,,b4WP通過以上的分析可知:在低碳鋼的扭轉時，可以得到剪切強度極限，但由于不同材料的破壞形式并不一致，其剪切強度的計算公式并不相同，鑒于此，為方便不同材料力學特性的比較，國標《金屬扭轉實驗方法》(GB/T10128-1988)規(guī)定，材料的扭轉屈服點和抗扭強度按公式，T,T/WssP計算。需要注意的是，國標定義的強度為抗扭強度而非剪切強度。T,T/WbbPF,,L由圖3.2鑄鐵扭轉曲線可以看出，鑄鐵HT200的扭轉曲線類似于拉伸的曲T,,T,,線，沒有屈服階段及強化階段。從圖3.1純剪應力狀態(tài)及圖3.4鑄鐵扭轉破壞斷口形式可以看出，鑄鐵試件是沿與軸線成45?螺旋面方向被拉伸破壞的，也就是說，在圖3.1純剪應力狀態(tài)單元體中，拉應力首先達到拉伸強度值。其抗扭強度的計算同低碳鋼試件，且此時抗扭強度等于最大扭矩時的最大剪應力（即邊緣剪應力）。由以上分析可知:鑄鐵的扭轉破壞是由于拉應力引起的拉伸破壞，通過扭轉實驗可間接測得鑄鐵試件的拉伸強度，但無法得到其剪切強度。4、實驗方案4.1實驗設備、測量工具及試件YDD-1型多功能材料力學試驗機（圖1.8）、150mm游標卡尺、標準低碳鋼、鑄鐵扭轉試件（圖3.7）。YDD-1型多功能材料力學試驗機由試驗機主機和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)兩部分組成，主機部分由加載機構及相應的傳感器組成，數(shù)據(jù)采集部分完成數(shù)據(jù)的采集、分析等。試件采用兩端為扁形標準扭轉試件，按國標《金屬扭轉實驗方法》（GB/T10128-1988）的規(guī)定制作，試件的兩端與試驗機的上、下扭轉夾頭相聯(lián)接。為方便觀測試件的變形，試驗前需用游標卡尺測d量出試件的最小直徑（）。為方便觀測試件的變形、觀察實驗現(xiàn)象實驗前在試件上作一組如圖3.70圖3.7常用扭轉試件所示的矩形框標記。4.2裝夾、加載方案安裝好的試件如圖3.8所示。試件兩端為扁形，扭轉試驗時，試件的兩端與試驗機的上、下扭轉夾頭相聯(lián)接，夾頭中間有矩形加載槽。上夾頭通過花鍵軸與扭矩傳感器聯(lián)接，花鍵軸在扭矩傳感器中可上下滑動，以適合安裝試件。下夾頭通過雙鍵與試驗機的扭轉軸相聯(lián)接。扭轉時，扭矩傳感器固定不動，扭轉電機帶動下夾頭轉動，試件受到扭轉。4.3數(shù)據(jù)測試方案扭矩通過上夾頭-花鍵軸傳至扭矩傳感器，試件的轉角通過安裝在扭轉軸上的光電編碼器轉化為電壓方波信號，轉軸每轉過一個確定的角度，光電編1、3-扭轉上下夾頭，2-扭轉試件，碼器就輸出一個方波信號，這樣，通過記錄方波的4-左立柱，5-扭矩傳感器數(shù)量就可以知道試件的轉角，扭轉時，數(shù)據(jù)采集系圖3.8扭轉實驗試件的裝夾統(tǒng)每檢測到一個方波就記錄一次數(shù)據(jù)，并將方波數(shù)量代表的轉角作為X軸，扭矩作為Y軸顯示數(shù)據(jù)，這樣就得到了扭轉試驗的扭矩-轉角曲線。

4.4數(shù)據(jù)的分析處理數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，實時記錄試件所受的扭矩及轉角，并生成扭矩、轉角實時曲線。圖3.9為實測低碳鋼Q235扭轉實測曲線，圖3.10為實測鑄鐵HT200的扭轉實測曲線。T,63.9實測低碳鋼扭轉曲線在圖3.9低碳鋼Q235扭轉實驗曲線中，橫坐標-試件的轉角，縱坐標-試件所受的扭矩，從扭矩-轉角曲線可以清晰地區(qū)別低碳鋼扭轉實驗的彈性階段、屈服階段，并可方便地讀取屈服扭矩、極限扭矩。MgIB.numa ?—二w皙」■土，尊T,6圖3.10實測鑄鐵扭轉曲線得到相關數(shù)據(jù)后，依據(jù)實驗原理，就可以得到所需要的力學指標。5、完成實驗預習報告在了解實驗原理、實驗方案及實驗設備操作后，就應該完成實驗預習報告。實驗預習報告包括：明確相關概念、預估試件的最大載荷、明確操作步驟等，在完成預習報告時，有些條件實驗指導書已給出（包括后續(xù)的實驗操作步驟簡介）、有些條件為已知條件、有些條件則需要查找相關標準或參考資料。通過預習報告的完成，將有利于正確理解及順利完成實驗。有條件的同學可以利用多媒體教學課件，分析以往的實驗數(shù)據(jù)、觀看實驗過程等。完成實驗預習報告，并獲得輔導教師的認可，是進行正式實驗操作的先決條件。6、實驗操作步驟簡介6.1試件原始參數(shù)的測量及標距的確定實驗采用標準短試件，試件形狀見圖3.7，用游標卡尺在標距長度的中央和兩端的截面處，按兩個垂直的方向測量試件的直徑，填入實驗表格取三組數(shù)據(jù)平均值的最小值進行計算。計算出扭轉試件W的抗扭截面系數(shù)。p為了更好的觀察實驗現(xiàn)象，實驗前，在扭轉試件表面制作一組矩形框標記，實驗中應注意觀察矩形框的變化。6.2連接測試線路按要求聯(lián)接測試線路，一般第3通道選擇測扭矩，第八通道選擇測轉角，第七通道進行扭轉方向判斷。連接試驗機上的轉角傳感和扭轉傳感接口。聯(lián)線時應注意不同類型傳感器的測量方式及接線方式。聯(lián)線方式應與傳感器的工作方式相對應。6.3設置數(shù)據(jù)采集環(huán)境6.3.1進入測試環(huán)境首先檢測儀器。檢測到儀器后，系統(tǒng)將自動給出上一次實驗的測試環(huán)境?；蛲ㄟ^文件-引入項目，引入所需要的采集環(huán)境。6.3.2設置測試參數(shù)測試參數(shù)是聯(lián)系被測物理量與實測電信號的紐帶，設置合理的測試參數(shù)是得到正確數(shù)據(jù)的前提。測試參數(shù)由系統(tǒng)參數(shù)、通道參數(shù)及窗口參數(shù)三部分組成。其中，系統(tǒng)參數(shù)包括測試方式、采樣頻率、報警參數(shù)、實時壓縮時間及工程單位等;通道參數(shù)反映被測工程量與實測電信號之間的轉換關系，由測量內容、轉換因子及滿度值等組成;窗口是指為了在實驗中顯示及實驗完成后分析數(shù)據(jù)而設置的曲線窗口，曲線分為實時曲線及X-Y函數(shù)曲線兩種。第一項、系統(tǒng)參數(shù)采樣頻率：50-200Hz，每個脈沖為0.144度時建議選擇200Hz。測試方式:扭轉測試。實時壓縮時間:300秒。若進行反復扭轉實驗時需設置換向判斷通道及報警通道。通常情況下8CH固定用于轉角脈沖計數(shù)，7CH用于轉角方向判斷，反復扭轉時可選擇扭矩或轉角通道作為報警通道，并選擇相應的報警值。需要注意的是：1、 傳感器的接線一定要與通道的參數(shù)設置相對應，8CH固定用于轉角測試。2、 報警通道與報警的選擇與實驗的類型有關，并需與試驗機的控制方式相結合，在進行反復扭轉實驗時，需啟動試驗機扭轉自動控制功能。第二項、通道參數(shù)通常選擇3CH測扭矩，7CH進行扭轉方向判斷，8CH固定選擇測轉角。需要選擇及輸入的參數(shù)有:測量內容、工程單位、修正系數(shù)，并選擇相應的滿度值。需要注意的是:1、需將8CH（固定選擇測轉角）通道的測量內容設置為“脈沖計數(shù)”，且“脈沖計數(shù)”功能只有在系統(tǒng)參數(shù)中將測試方式設置為“扭轉測試”時方可選擇，且只有一個通道可選為“脈沖計數(shù)”。選為“脈沖計數(shù)”的通道需將其滿度值設為5000mV，由于a、c均為0，顯示值為5000*b，b為每個脈沖代表的轉角。如當b=0.6時滿度值指示值為3000，b=0.144時滿度值指示值為720。2、7CH為方向判斷通道，測量內容選擇為“電壓測量”（或“數(shù)據(jù)采集內”），b可選為1，滿度值為5000mV。第三項、窗口參數(shù)可以開設兩個數(shù)據(jù)窗口，左窗口為扭矩、轉角的實時曲線窗口，右窗口為扭矩、轉角的X-Y曲線窗口，并設定好窗口的其它參數(shù)如坐標等。坐標參數(shù)設置時，需對被測試件的極限扭矩及變形進行預估，這樣可以得到較好的圖形比例。需要注意的是：1、 在扭轉測試時，數(shù)據(jù)的記錄方式是以脈沖為觸發(fā)的，即使在普通繪圖方式時，窗口的橫坐標是轉角而不是時間，且轉角只有正值，即使在反向扭轉時，轉角也是一直在增加的。2、 在進行反復扭轉實驗時，在X-Y方式下，轉角有正負之分，正向扭轉為正，反向扭轉為負。對比當前各參數(shù)與實際的測試內容是否相符，若相符進入“6.4.3數(shù)據(jù)預采集”，如不符，則應選擇正確的參數(shù)或通過引入項目的方式引入所需要的測試環(huán)境。6.3.3數(shù)據(jù)預采集6.3.3.1采集設備滿度值對應檢查檢查采集設備各通道顯示的滿度值是否與通道參數(shù)的設定值相一致，如不一致，需進行初始化硬件操作，單擊菜單欄中的“控制”，選擇“初始化硬件”，就可以實現(xiàn)采集設備滿度值與通道參數(shù)設置滿度值相一致。6.3.3.2數(shù)據(jù)平衡、清零單擊菜單欄中的“控制”，選擇“平衡”，對各通道的初始值進行硬件平衡，可使所采集到的數(shù)據(jù)接近于零，然后，單擊菜單欄中的“控制”，選擇“清除零點”，“清除零點”為軟件置零，可將平衡后的殘余零點清除。由于傳感器輸出的電壓在平衡時可能為一較高的電壓，對于平衡范圍較小的測試系統(tǒng)有時會超出采集系統(tǒng)的平衡范圍，此時若信號經(jīng)平衡后的數(shù)值過大，在“清除零點”時會有相應提示，且儀器的相應通道會有過載指示，說明通道的初始值過大，尤其是脈沖計數(shù)通道容易出現(xiàn)此情況，說明脈沖計數(shù)通道電壓處于高電平，此時應啟動扭轉啟動，然后停止，重新“平衡”、“清零”，觀察“過載指示”是否清除，若未清除重復上述操作，直至“過載指示”清除為止。對于平衡前有過載指示，平衡后指示消失的情形，說明儀器本身記憶的初始平衡值過大，屬正常情況。6.3.3.3啟動采樣單擊菜單欄中的“控制”，選擇“啟動采樣”，選擇數(shù)據(jù)存儲目錄，便進入相應的采集環(huán)境，此時并沒有采到數(shù)據(jù)，這是因為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每檢測到一個方波就記錄一次數(shù)據(jù)，扭轉電機沒有起動時，光電編碼器沒有轉角輸出，采集系統(tǒng)并不記錄數(shù)據(jù)。選擇“正向扭轉”，起動電機正向扭轉，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示采集到的零點數(shù)據(jù)，X-Y圖中，轉角正向增加，用手扭動扭轉上夾頭，采集到的扭矩就產(chǎn)生了相應的變化，正向扭矩為正值，反之為負值。此時，選擇“反向扭轉”，起動電機反向扭轉，X-Y圖中，轉角負向減少。證明采集系統(tǒng)和設備均能正常工作。單擊菜單欄中的“控制”，選擇“停止采樣”，停止采集數(shù)據(jù)，并分析所采集的數(shù)據(jù)，確認所設置的各參數(shù)正確。這樣就完成了數(shù)據(jù)采集環(huán)境的設置。6.4裝夾試件在確信設備和采集環(huán)境運行良好后，便可以進行試件的裝夾，安裝時，將試件的一端安裝在上夾頭內，下拉上夾頭，使試件的另一端接近下夾頭，通過控制電機正反向轉動，調整下夾頭位置，使試件可以方便的進入下夾頭，向下輕推上夾頭，松手后，依靠摩擦力保證上夾頭不被拉回。反復扭轉時，需使用夾頭緊定螺釘。這樣便完成了試件的裝夾。6.5加載測試在試件裝夾完畢，并確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能正常工作后，就可以進行加載測試了。具體操作步驟如下：選擇“控制”-“平衡”-“清除零點”-“啟動采樣”，選擇好存儲目錄后便開始采集數(shù)據(jù)。實驗時可以通過顯示實時數(shù)據(jù)全貌窗口來觀測試件扭轉全過程，單擊“顯示數(shù)據(jù)全貌”圖標，調入顯示數(shù)據(jù)全貌窗口，重排顯示窗口，選擇被測通道，調整窗口坐標。然后選擇“正向扭轉”，開始數(shù)據(jù)采集，試件很快進入屈服階段，并很快進入強化階段。注意觀察標距線的變化，橫向標距線的距離不變，豎向標距線變成螺旋線而且間距變短。由于標距線的距離不斷伸長，原來清晰的標距線變得不太清晰。持續(xù)扭轉，試件斷裂后，將上夾頭拉起，停止采集數(shù)據(jù)，停止扭轉。取出斷裂試件，觀察端口形式及標距線的變化。注意觀察實驗各階段現(xiàn)象及標記線的變化。需要在實驗過程中調節(jié)轉速時，可以旋轉“扭轉調速”轉輪:順時針旋轉電機轉速加快，反之降低，直至停止。實驗時可根據(jù)不同時驗階段進行相應調整。反復扭轉時，需啟動扭轉自動控制功能，并根據(jù)需要在測試過程中調整報警參數(shù)。7、分析數(shù)據(jù)完成實驗報告7.1驗證數(shù)據(jù)首先關閉“顯示數(shù)據(jù)全貌”窗口，在扭矩-轉角窗口顯示全部實驗數(shù)據(jù)，并驗證數(shù)據(jù)的正確性。從低碳鋼扭轉實驗曲線中應能清晰地看到低碳鋼扭轉時的屈服及強化階段，鑄鐵則無屈服階段。7.2讀取數(shù)據(jù)選擇雙光標，放大左圖屈服階段，讀取屈服扭矩，極限扭矩及轉角6。TTsb7.3分析數(shù)據(jù)將得到的實驗數(shù)據(jù)填入到相應表格，屈服扭矩，極限扭矩，這樣就得到了抗扭屈服強度，抗扭強度，剪切屈服強度以及剪切強度。需要注意的是：在分析數(shù)據(jù)時需特別注意區(qū)別抗扭強度與剪切將度的區(qū)別，抗扭強度的定義是針對荷載類型定義的，有利于不同材料間的相互比較，但無法反映性材料真實的應力狀態(tài)。剪切強度是按材料破壞時的應力狀態(tài)定義的，能夠反映材料破壞時的真實應力狀態(tài)，但不同材料破壞時的應力狀態(tài)并不相同，計算時不同材料需根據(jù)材料的破壞特征確定計算公式。7.4完成實驗報告通過觀察試驗現(xiàn)象、分析試驗數(shù)據(jù)就可以進行試驗報告的填寫了，依據(jù)實驗原理，將所測得各參數(shù)帶入相應的計算公式即可得到相應的力學指標。但在各參數(shù)的測量過程中，應明確各參數(shù)的準確定義，并盡可能減小測量誤差。完成實驗報告的各項內容。并總結試驗過程中遇到的問題及解決方法。8、實驗注意事項1、 在緊急情況下，沒有明確的方案時，請按急停按鈕；2、 扭轉實驗的測試方式為“扭轉測試”；3、進行數(shù)據(jù)采集的第一步為初始化硬件，初始化完成后應確認采集設備的量程指示與通道參數(shù)的設定值一致;且平衡后各通道均無過載現(xiàn)象；4、 在進行通道參數(shù)設置時，需對測量內容為“脈沖計數(shù)”的通道進行復選確定。5、 在正式裝夾試件實驗前，需先打開扭轉啟動，手擰上夾頭確定采集系統(tǒng)正常工作后進行試件裝夾；6、 試件裝夾時應先裝上夾頭再裝下夾頭。,E?4電測法測定材料的彈性模量和泊松比指導書1、概述彈性模量（也稱楊氏模量）是表征材料力學性能中彈性段的重要指標之一，它反映￡了材料抵抗彈性變形的能力。泊松比反映了材料在彈性范圍內，由縱向變形引起的橫向，變形的大小。在對構件進行剛度穩(wěn)定和振動計算、研究構件的應力和變形時，要經(jīng)常用到E和這兩個彈性常數(shù)。而彈性模量和泊松比只能通過實驗來測定。E,,2、實驗目的1、 測定低碳鋼的彈性模量和泊松比；E,2、 驗證胡克定律；3、 了解電阻應變片的工作原理及貼片方式；4、 了解應變測試的接線方式。3、實驗原理彈性模量E和泊松比是反映材料彈性階段力學性能的兩個重要指標，在彈性階段，,給一個確定截面形狀的試件施加軸向拉力，在截面上便產(chǎn)生了軸向拉應力，試件軸向伸，長，單位長度的伸長量稱之為應變，同樣，當施加軸向壓力時，試件軸向縮短。在彈性階，段，拉伸時的應力與應變的比值等于壓縮時的應力與應變的比值，且為一定值，稱之為彈性F/S0E,,,/,E模量，。,L/L在試件軸向拉伸伸長的同時，其橫向會縮短，同樣，在試件受壓軸向縮短的同時，其橫向會伸長，在彈性階段，確定材質的試件拉伸時的橫向應變與試件的縱向應變的比值等于壓縮時橫向應變與試件的縱向應變的比值，且同樣為一定值，稱之為泊松比，，L/L,,0橫橫,，，。L/L,,0縱縱E,這樣，彈性模量和泊松比的測量就轉化為拉、壓力和縱、橫向應變的測量，拉、壓力的測量原理同拉、壓實驗，應變的測量采用電阻應變片電測法原理。電阻應變片可形象地理解為按一定規(guī)律排列有一定長度的電阻絲，實驗前通過膠粘的方式將電阻應變片粘貼在試件的表面，試件受力變形時，電阻應變片中的電阻絲的長度也隨之發(fā)生相應的變化，應變片的阻值也就發(fā)生了變化。實驗中采用的應變片是由兩個單向應變片組成的十字形應變花，所謂單向應變片，就是應變片的電阻值對沿某一個方向的變形最為敏感，稱此方向為應變片的縱向，而對垂直于該方向的變形阻值變化可忽略，稱此方向為應變片的橫向。利用應變片的這個特性，在進行應變測試時，所測到只是試件沿應變片縱向的應變，其不包含試件垂直方向變形所引起的影響。對于單向電阻應變片而言，在其工作范圍內，其電阻的變化與試件的變形有如下的關系：,R,L,K,K,應應RL(1)K稱為電阻應變片的靈敏度系數(shù)，不同材料的電阻應變片靈敏度系數(shù)不同，常用應一般在2.1左右，即使同一批應變片的靈敏度系數(shù)也并非相同，應變片的靈敏度系數(shù)K應R,120.2,0.3,K,2.19,1%例如，在該實驗中所粘貼的電阻應變片的阻值，。通常應變片應變極限為?2%，但有些特制的應變片其應變極限可達到20%。，由于常用鋼材當應力達到彈性極限時，，0.2%，所以可以采用粘貼應變片的方,式來測量試件的應變，這樣對試件應變的測量就轉化,R/R成了對應變片的測量。常用的測量方式是采用惠斯登電橋進行測量。其原理如圖4.1所示。電橋由四個橋臂電阻、、、組成，供橋RRRR3241電壓由A、C點輸入，輸出電壓為。假定電橋的初始UDB狀態(tài)為/二/，此時電橋輸出電壓二0，稱之RRRRU324DB1為平衡電橋。極限情況為二二二二。RRRRR3241現(xiàn)在假定，二二二，電阻應變片粘貼RRRRR圖4.1惠斯登電橋原理圖32411在被測試件上，其余應變片粘貼在非受力試件上，在不考慮非受力原因引起的應變片電阻變,R化時，認為其為恒定值。這樣應變片由于試件變形產(chǎn)生的變化時，輸出電壓也RUDB1會產(chǎn)生相應的變化，，由于電橋初始狀態(tài)為平衡電橋，即二0，故有：，UUDBDB11,EER,,,,,,,,UUUEREREDBDCBC22，,，22，,4，2,RRRRRRR12,/RR,E4，2,/RR(2),R由于，很小，所以，因此lim(4，2,R/R),4,K/,RR1應,U,E,E,KK,DB1應儀44(3)通過計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對橋路輸出的電壓進行放大、離散采集及數(shù)據(jù)二次運算，就可以得到被測試件的應變,。,,KK,1應儀K,1/K,,,調整,則，，1儀應R同樣可以推導，電阻應變片粘貼在被測試件上，其余應變片粘貼在非受力試件上2時，有,,,,2當四個電阻應變片全部粘貼在被測試件上時，有,,,,,，,,,1234(4)在實際測試中，把粘貼在試件上變形的應變片叫做工作片，把粘貼在非受力構件上在實驗中不變形的應變片稱之為補償片，因為在實際的測試過程中，引起應變片電阻變化的不僅僅是，溫度、濕度等的變化均能導致電阻應變片電阻的變化。例如，對于截面均勻的導，體，當導體的材料溫度一定時LRT,,,,1，，0S(5)式(5)中，為材料在0?時的電阻率，為材料的電阻溫度系數(shù)。,,0這些由非試件變形等原因導致的電阻變化，對于工作片和補償片產(chǎn)生的影響往往是相同的，由式(4)可以看出，由于工作片與補償片在不同的橋臂上，相同的變化量會相互抵消，所以在測試過程中通過將補償片粘貼在與工作片具有相同材質的構件上，且與工作片處于相同的工作環(huán)境中，這樣就可以使補償片感知與工作片相同的環(huán)境變化，產(chǎn)生大致相同的電阻變化，從而減小由于在測試過程中環(huán)境變化導致的測試誤差，其中最主要的是補償由于溫度變化引起電阻的變化，故通常稱補償片為溫度補償片。這樣通過給每一個工作片粘貼一個溫度補償片就可以減小由于環(huán)境變化引起電阻的變化而導致的測試誤差，但這意味著隨著工作片的增加，補償片也需要等量的增加，這樣就變得不方便和不經(jīng)濟，實際通常采用測量通道共用溫度補償片，通道分時切換測量的工作方式。但這種測量方式需有切換開關，采樣速率較低。在較高速的多點采樣時，多采用補償通道的補償方式，組橋時，工作應變片與補償片分別與標準電阻組成獨立的半橋，補償通道等同于一獨立通道，數(shù)據(jù)采集時，測量通道的數(shù)據(jù)與補償通道的數(shù)據(jù)相減就可以起到補償?shù)淖饔茫@樣就可以實現(xiàn)多個工作片共用一個補償片的補償方式，習慣上稱之為1/4橋。在實際測試中，溫度補償片可以補償由于環(huán)境變化引起的誤差，但有些誤差是溫度補償片無法消除的，例如在彈性模量實驗軸向拉伸時，由于制作精度及裝夾等原因會產(chǎn)生附加彎矩，使得在試件兩側對稱粘貼的應變片一側大于理論值而另一側小于理論值，且誤差兩絕對值基本相等，根據(jù)橋路誤差補償原理，此時采用單一通道半橋補償時不僅無法去掉該誤差，反而將被測量的理論值補償?shù)?。對于此類理論值相同，而誤差方向相反的應變的測量，橋臂為單片時，需采用全橋的補償方式，在半橋或1/4橋時需采用將兩應變片串聯(lián)起來組成一個橋臂R的工作方式，原理圖如圖4.2所示，圖中，為縱前圖4.2應變片串聯(lián)半橋補償原理圖R粘貼在測試試件前側的縱向應變片，為粘貼補前在補償試件前側的縱向應變片，其余以此類推，、為儀器內部提供的標準電阻，一般RR34為120。這樣相對于只測單面應變片的測量方式就可以消除拉伸時由于試件附加彎曲等原，因導致的試件前后面變形不均勻導致的誤差。應變片在半橋補償方式時測得的電阻的變化比2,R/2R,,R/R值為，等于測得的單片應變值，當組成1/4橋時，由于補償電阻為儀器內置電阻，電橋為非平衡電橋，此時測得的應變值需根據(jù)串聯(lián)后的阻值進行相應的修正，通常計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均帶應變片阻值修正功能，修正時只需輸入串聯(lián)后的阻值即可。實際上，影響應變測量的不僅有應變片的阻值，電阻應變片的靈敏度系數(shù)、導線電阻等均可對測試結果產(chǎn)生影響，在測試參數(shù)中輸入相應的數(shù)值即可消除其帶來的誤差。用游標卡尺測得試件的截面尺寸，從而得到試件的截面面積，通過拉壓力傳感器測得試件所受的荷載，用電阻應變片電測法得到試件的應變，將上述值代入到相應的公式，即可得到該材料的彈性模量和泊松比。E,4、實驗方案4.1實驗設備、測量工具及試件：YDD-1型多功能材料力學試驗機（圖1.8）、150mm游標卡尺、彈性模量泊松比試件（圖4.3）。YDD-1型多功能材料力學試驗機由試驗機主機部分和數(shù)據(jù)采集分析兩部分組成，主機部分由加載機構及相應的傳感器組成，數(shù)據(jù)采集部分完成數(shù)據(jù)的采集、分析等。圖4.3彈性模量泊松比實驗試件尺寸圖4.4安裝好的彈模試件試件采用矩形截面的鋼制試件。試件兩端有加載用的銷孔，通過銷軸及轉接件連接在試驗機上下夾頭上，可以施加軸向拉、壓力。在兩個矩形面的中央，粘貼有45?電阻應變花，用以測量試件的縱、橫向應變及驗證45?方向應變與縱、橫向應變的關系。另外在兩側面黏貼有電阻應變片，可用于偏心拉、壓實驗時驗證各個位置的應變關系。4.2裝夾、加載方案安裝好的試件如圖4.4所示。實驗時，彈模試件的兩端通過銷軸連接件與試驗機的上下夾頭相連接，可傳遞拉力或壓力。下夾頭下行時，試件受拉，下夾頭上升彈模試件安裝過程（左圖:將連接件安裝在夾頭上右圖:將彈模試件安裝在連接件上）需要注意的是:在單一拉伸加載時，為保證試件受力均勻，應將上夾頭設置成同拉伸實驗一樣的鉸接狀態(tài)，而在交變加載時需將上夾頭設置成同壓縮實驗一樣的固接狀態(tài)，以免在拉壓轉換時，連接上夾頭的拉桿與試驗機上橫梁肋板擠壓變形。實驗時拉、壓加載的換向可通過控制油缸上、下行按鈕實現(xiàn)，也可以通過設置通道報警功能自動換向。通過控制進油手輪的旋轉來控制加載速度。4.3數(shù)據(jù)測試方案拉、壓力的大小測試同拉壓試驗。應變通過粘貼的電阻應變片測量，應變測量的相關原理及連線方式參見“應變測試及等強度梁實驗”。為減小變形不對稱的影響，實驗中往往采用應變片串聯(lián)的橋路方式。即將前后兩相同方向的應變片串聯(lián)起來以消除附加彎矩產(chǎn)生的影響。4.4數(shù)據(jù)的分析處理數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，實時記錄試件所受的力及應變，并生成力、變形實時曲線及力、應變X-Y曲線、縱向應變-橫向應變X-Y曲線，圖4.5為在YDD-1型多功能材料力學試驗機上E,測45#鋼彈性模量和泊松比的實測曲線。中間窗口，荷載、應變實時曲線，右窗口，荷載應變關系曲線，縱坐標-荷載，橫坐標-縱向應變、橫向應變，左窗口，縱、橫向應變的關系曲線，縱坐標-橫向應變，橫坐標-縱向應變。為和泊松比的實測曲線圖4.545#鋼彈性模量E,了驗證所采集的數(shù)據(jù)為試件在彈性段的數(shù)據(jù)，采用按荷載分級處理數(shù)據(jù)的方式，以驗證試件是否處于彈性變形階段。讀數(shù)時，采用單光標，以荷載值為分級標準，選取適當?shù)募壊睿来巫x取相應的荷載及應變。需要注意的是為了避免零點誤差，第一級荷載一般不從零點開始，一般將荷載級差作為零點荷載。E將測得的數(shù)據(jù)代入到相應的公式，即可得到該材料的彈性模量和泊松比。，5、完成實驗預習報告在了解實驗原理、實驗方案及實驗設備操作后，就應該完成實驗預習報告。實驗預習報告包括：明確相關概念、預估試件的最大載荷、明確操作步驟等，在完成預習報告時，有些條件實驗指導書已給出（包括后續(xù)的實驗操作步驟簡介）、有些條件為已知條件、有些條件則需要查找相關標準或參考資料。通過預習報告的完成，將有利于正確理解及順利完成實驗。有條件的同學可以利用多媒體教學課件，分析以往的實驗數(shù)據(jù)、觀看實驗過程等。完成實驗預習報告，并獲得輔導教師的認可，是進行正式實驗操作的先決條件。6、實驗操作步驟簡介6.1試件原始參數(shù)的測量實驗采用圓柱體銑平試件，試件形狀及尺寸見圖4.3,用游標卡尺在粘貼應變片中部的兩側，多次測量試件的寬度B和厚度H，計算試件的截面面積S。并查相關資料，預估其彈性段極限承載力。6.2試件裝夾與拉伸試驗試件的裝夾類似，首先確定試驗機的狀態(tài)，單向拉伸時，上部轉接套處于鉸接狀態(tài)，拉壓交變加載時，上部轉接套處于固接狀態(tài)。下轉接套安裝在轉換桿上，“進油手輪”關閉、“壓力調整手輪”打開。調整試驗機下夾頭的位置，操作步驟:關閉“進油手輪”，打開“調壓手輪”，選擇“油泵啟動”，“油缸上行”，打開“進油手輪”，下夾頭上行，此時嚴禁將手放在上、下夾頭的任何位置，至合適位置后，關閉“進油手輪”。將上下夾頭開口的位置對齊，將試件沿上下夾頭的開口部位安裝到上下夾頭內。調整下夾頭至拉伸位置使得試件加載凸臺（或螺母）與夾頭的間隙在2-3mm時，關閉“進油手輪”，此時試件可以在夾頭內靈活轉動。關閉“調壓手輪”，試件裝夾完畢。6.3連接測試線路按要求聯(lián)接測試線路，一般第一通道測拉、壓力，連接到試驗機的拉、壓力傳感器接圖4.61/4橋接線方式口上。其余通道選擇測應變，應變的測試采用雙片串聯(lián)的方式，首先用短路線將兩個縱向和兩個橫向應變片分別串連起來，包括補償應變片，然后，采用快速插頭連接的方式，將被測應變片依次聯(lián)接到測試通道中，聯(lián)接時注意應變片的位置與測試通道的對應關系，補償方式可以采用共用補償片（1/4橋），也可以采用自帶補償片（半橋）的方式。采用不同的補償方式在選擇通道參數(shù)時需對應不同橋路測量方式，1/4橋為方式1，半橋為方式2。1/4橋的接線方式如圖4.6所示。6.4設置數(shù)據(jù)采集環(huán)境6.4.1進入測試環(huán)境首先檢測儀器。檢測到儀器后，系統(tǒng)將自動給出上一次實驗的測試環(huán)境。或通過文件-引入項目，引入所需要的采集環(huán)境。6.4.2設置測試參數(shù)測試參數(shù)是聯(lián)系被測物理量與實測電信號的紐帶，設置正確合理的測試參數(shù)是得到正確數(shù)據(jù)的前提。測試參數(shù)由系統(tǒng)參數(shù)、通道參數(shù)及窗口參數(shù)三部分組成。其中，系統(tǒng)參數(shù)包括測試方式、采樣頻率、報警參數(shù)、實時壓縮時間及工程單位等；通道參數(shù)反映被測工程量與實測電信號之間的轉換關系，由測量內容、轉換因子及滿度值等組成;窗口是指為了在實驗中顯示及實驗完成后分析數(shù)據(jù)而設置的曲線窗口，曲線分為實時曲線及X-Y函數(shù)曲線兩種。第一項、系統(tǒng)參數(shù)采樣頻率：“20-100Hz”，“拉壓測試”，需要特別注意的是，測材料彈性模量和泊松比試驗是一個非破壞性試驗，需要通過設置報警通道來保護試件。試驗時，當實測數(shù)據(jù)達到報警設定值時，油缸就會按照指定的要求反向運行或停止運行，報警通道一般設置為測力通道，報警值由試驗預估最大荷載確定，例如，當控

制最大縱向應變?yōu)?00U8時，所加的拉、壓力應小于100KN，此時，設置報警參數(shù)上限為100KN，下限-100KN時，就可以保證最大應變不超過800ue，以保證試件的安全。第二項、通道參數(shù)1CH測量試件所受的拉、壓力，同拉、壓試驗設置相同的修正系數(shù)。另外，選出兩個通道測量應變，對于設置為應力應變的通道需將其修正系數(shù)設置為“1”。點擊“應力應變”進入應力應變測試參數(shù)設置，由于采用共用補償片，需要輸入橋路類型-選擇“方式一”，當選擇“方式一”時需要輸入的參數(shù)有:應變計電阻、導線電阻、靈敏度系數(shù)、工程單位，并選擇相應的滿度值。應變通道的參數(shù)設置如圖4.7所示。?C1DJ3: IIi0Jkc10572L8!—CTO34 聲式L .2藝.W0 0 1葉『1O5TE!圖4.7應變通道參數(shù)設置第三項、窗口參數(shù)可以開設三個數(shù)據(jù)窗口：中間窗口：荷載、應變實時曲線；右窗口：縱坐標-荷載，橫坐標-縱向應變和橫向應變；左窗口：縱坐標-橫向應變，橫坐標-縱向應變。并設定好窗口的其它參數(shù)如坐標等。6.4.3數(shù)據(jù)預采集6.4.3.1采集設備滿度值對應檢查檢查采集設備各通道顯示的滿度值是否與通道參數(shù)的設定值相一致，如不一致，需進行初始化硬件操作，單擊菜單欄中的“控制”，選擇“初始化硬件”，就可以實現(xiàn)采集設備滿度值與通道參數(shù)設置滿度值相一致。6.4.3.2數(shù)據(jù)平衡、清零單擊菜單欄中的“控制”，選擇“平衡”，對各通道的初始值進行硬件平衡，可使所采集到的數(shù)據(jù)接近于零，然后，單擊菜單欄中的“控制”，選擇“清除零點”，“清除零點”為軟件置零，可將平衡后的殘余零點清除。6.4.3.3啟動采樣單擊菜單欄中的“控制”，選擇“啟動采樣”，選擇數(shù)據(jù)存儲的目錄，便進入相應的采集環(huán)境，采集到相應的零點數(shù)據(jù)，此時啟動油泵，選擇“壓縮上行”或“拉伸下行”，打開“進油手輪”，使下夾頭上行或下行，此時所采集到的數(shù)據(jù)便會發(fā)生相應的變化，將下夾頭調整到拉伸位置。此時從實時曲線窗口內便可以讀到相應的力和位移的零點數(shù)據(jù)，證明采集環(huán)境和設備均能正常工作。單擊菜單欄中的“控制”，選擇“停止采樣”，停止采集數(shù)據(jù)，并分析所采集的數(shù)據(jù)，確認所設置的各參數(shù)是否正確。這樣就完成了數(shù)據(jù)采集環(huán)境的設置。6.5加載測試在確信采集環(huán)境和設備運行良好以后，便可以開始正式的加載測試了。首先設置試驗機所處的狀態(tài)，關閉“