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1、材材料料力力学学实实验验指指导导书书(拉拉伸伸、扭扭转转、冲冲击击、应应变变)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1C 61C 61材料的拉伸压缩实验材料的拉伸压缩实验一、实验目的一、实验目的1.观察试件受力和变形之间的相互关系；2.观察低碳钢在拉伸过程中表现出的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象；观察铸铁在压缩时的破坏现象。3.测定拉伸时低碳钢的强度指标（铁的强度极限b。s、b）和塑性指标（、）；测定压缩时铸4.学习、掌握电子万能试验机的使用方法及工作原理。二、实验设备二、实验设备1.微机控制电子万能试验机；2.游标卡尺。三、实验材料三、实验材料拉伸实验所用
2、试件（材料：低碳钢）如图 1 所示，压缩实验所用试件（材料：铸铁）如图 2 所示：图 1 拉伸试件图 2 压缩试件四、实验原理四、实验原理1、拉伸实验低碳钢试件拉伸过程中，通过力传感器和位移传感器进行数据采集，A/D 转换和处理，并输入计算机，得到 Fl 曲线，即低碳钢拉伸曲线，见图 3。对于低碳钢材料，由图 3 曲线中发现 OA 直线，说明 F 正比于l，此阶段称为弹性阶段。屈服阶段（B-C）常呈锯齿形，表示载荷基本不变，变形增加很快，材料失去抵抗变形能力，这时产生两个屈服点。其中，B点为上屈服点，它受变形大小和试件等因素影2l0ld0响；B 点为下屈服点。下屈服点比较稳定，所以工程上均以下
3、屈服点对应的载荷作为屈服载荷。测定屈服载荷 Fs 时，必须缓慢而均匀地加载，并应用s=Fs/A0（A0为试件变形前的横截面积）计算屈服极限。图 3 低碳钢拉伸曲线屈服阶段终了后，要使试件继续变形，就必须增加载荷，材料进入强化阶段。当载荷达到强度载荷 Fb后，在试件的某一局部发生显著变形，载荷逐渐减小，直至试件断裂。应用公式b=Fb/A0计算强度极限（A0为试件变形前的横截面积）。根据拉伸前后试件的标距长度和横截面面积，计算出低碳钢的延伸率，即和端面收缩率l1l0A A1100%，0100%l0A0式中，l0、l1为试件拉伸前后的标距长度，A1为颈缩处的横截面积。2、压缩实验铸铁试件压缩过程中，
4、通过力传感器和位移传感器进行数据采集，A/D 转换和处理，并输入计算机，得到 F-l 曲线，即铸铁压缩曲线，见图 4。图 4 铸铁压缩曲线3对铸铁材料，当承受压缩载荷达到最大载荷 Fb时，突然发生破裂。铸铁试件破坏后表明出与试件横截面大约成 4555的倾斜断裂面，这是由于脆性材料的抗剪强度低于抗压强度，使试件被剪断。材料压缩时的力学性质可以由压缩时的力与变形关系曲线表示。铸铁受压时曲线上没有屈服阶段，但曲线明显变弯，断裂时有明显的塑性变形。由于试件承受压缩时，上下两端面与压头之间有很大的摩擦力，使试件两端的横向变形受到阻碍，故压缩后试件呈鼓形。铸铁压缩实验的强度极限：五、实验步骤及注意事项五、
5、实验步骤及注意事项1、拉伸实验步骤（1）试件准备：在试件上划出长度为 l0的标距线，在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径 d0。（2）试验机准备：按试验机计算机打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运行配套软件。（3）安装夹具：根据试件情况准备好夹具，并安装在夹具座上。若夹具已安装好，对夹具进行检查。（4）夹持试件：若在上空间试验，则先将试件夹持在上夹头上，力清零消除试件自重后再夹持试件的另一端；若在下空间试验，则先将试件夹持在下夹头上，力清零消除试件自重后再夹持试件的另一端。（5）开始实验
6、：点击主机小键盘上的试样保护键，消除夹持力；位移清零；按运行命令按钮，按照软件设定的方案进行实验。（6）记录数据：试件拉断后，取下试件，将断裂试件的两端对齐、靠紧，用游标卡尺测出试件断裂后的标距长度 l1及断口处的最小直径 d1（一般从相互垂直方向测量两次后取平均值）。2、压缩实验步骤（1）试件准备：用游标卡尺在试件中点处两个相互垂直的方向测量直径 d0，取其算术平均值，并测量试件高度 h0。（2）试验机准备：按试验机计算机打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运行配套软件。（3）安装夹具：根据试件情况准备好夹具，并安装在夹具座上。若夹具已安装好，对夹具进行检查。
7、（4）放置试件：试验力清零；把试件放在压盘中间，通过小键盘调节横梁位置，通过肉眼观察，到上压盘离试件上平面还有一定缝隙时停止。（注意：尽量将试件放在压盘的中心，如放偏的话对试验结果甚至是试验机都有影响。）4b=Fb/A0（A0为试件变形前的横截面积）。（5）开始实验：位移清零；按运行命令按钮，按照软件设定的方案进行实验。（6）记录数据：试件压断后，取下试件；记录强度载荷 Fb。六、实验报告内容及要求六、实验报告内容及要求1、绘制拉伸曲线（Fl 曲线）。低碳钢拉伸曲线铸铁拉伸曲线5压缩曲线 1压缩曲线 262、拉伸实验数据及计算结果处理。实试验件材规料格测量部位低碳钢下上中测量数值平均值d0实
8、验 前截面尺寸 d0/mm截面面积A0/mm2标距长度l0/mm断口截面尺寸d0/mm测量数值平均值d1实 验 后截面面积A1/mm2标距长度l1/mm屈服极限s/MPa强度极限b/MPa延伸率/%断面收缩率/%3、压缩实验数据第一根直径（mm）第二根3、计算铸铁压缩实验的强度极限b。平均高（mm）材料冲击实验材料冲击实验一、实验目的一、实验目的71、观察分析低碳钢材料在常温冲击下的破坏情况和断口形貌。2、测定低碳钢材料的冲击韧度3、了解冲击试验方法。二、实验设备二、实验设备1、液晶全自动金属摆锤冲击试验机。2、游标卡尺。三、实验材料三、实验材料本实验采用 GB/T 2291994 标准规定的
9、 10mm10mm试件。四、实验步骤及注意事项四、实验步骤及注意事项1、测量试件缺口处尺寸，测三次，取平均值，计算出横截面面积。2、检查回零误差和能量损失：正式试验开始前在支座上不放试件的情况下“空打”一次：（1）取摆：按“取摆”键，摆锤逆时针转动；（2）退销：按“退销”键，保险销退销；（3）冲击：按“冲击”键，挂/脱摆机构动作，摆锤靠自重绕轴开始进行冲击；（4）放摆：按“放摆”键，保险销自动退销，当摆锤转至接近垂直位置时便自动停摆；（5）清零：按“清零”键，使摆锤角度值复位为零。注意：必须在摆锤处于垂直静止状态时方可执行此动作。第一次“空打”后显示屏上显示的空打冲击吸收功 N1即为回零误差，
10、此值经校正后应不大于此摆锤标称能量值的%。继续“空打”五次，记下第六次空打冲击吸收功 N6，则摆锤在摆动中由于空气和摩擦阻力造成的能量损失为：55mm U 形缺口或 V 形缺口k值。e 1N6 N110此值应不大于此摆锤标称能量值的%。3、正式试验：按“取摆”键，摆锤逆时针转动上扬，触动限位开关后由挂摆机构挂住，保险销弹出，此时可在支座上放置试件（注意试件缺口对中并位于受拉边）。然8后顺序执行以上“取摆”、“退销”、“冲击”、“放摆”动作。显示屏上将显示该试件的冲击吸收功和相应的冲击韧度。4、摆锤抬起后，严禁在摆锤摆动范围内站立、行走和放置障碍物。五、实验数据记录及结果处理五、实验数据记录及结
11、果处理试件缺口处横截面积A(cm2)冲击功W(Nm)冲击韧度k(NWAm/cm2)材 料低碳钢铸铁低碳钢低碳钢9材料的扭转实验材料的扭转实验一、实验目的一、实验目的1、观察低碳钢和铸铁的变形现象及破坏形式。2、测定低碳钢的剪切屈服极限和强度极限。3、测定铸铁的剪切强度极限。二、实验设备二、实验设备1、微机控制电子扭转试验机。2、游标卡尺。三、实验试件三、实验试件实验所用试件与拉伸试件标准相同，如下图 1 所示。为防止打滑，试件的夹持段宜为类矩形：图 1四、实验原理四、实验原理圆柱形试件在扭转时，横截面边缘上任一点处于纯剪切应力状态（图 2）。由于纯剪切应力状态是属于二向应力状态，两个主应力的绝
12、对值相等，大小等于横截面上该点处的剪应力，1与轴线成 45角。圆杆扭转时横截面上有最大剪应力，而 45斜截面上有最大拉应力，由此可以分析低碳钢和铸铁扭转时的破坏原因。由于低碳钢的抗剪强度低于抗拉强度，试件横截面上的最大剪应力引起沿横截面剪断破坏；而铸铁抗拉强度低于抗剪强度，试件由与杆轴线成 45的斜截面上的1引起拉断破坏。31TT13图 210在低碳钢试件受扭过程中，通过扭矩传感器和扭角传感器进行数据采集，A/D 转换和处理，并输入计算机，得到T 曲线，T 曲线也叫扭转图，如图 3 所示。图中起始直线段 OA 表示试件在这个阶段中的T与成比例，截面上的剪应力是线性分布，如图 4(a)所示。此时
13、截面周边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限s。由于这时截面内部的剪应力小于s，故试件仍具有承载能力，T 曲线呈继续上升的趋势。扭矩超过Tp后，截面上的剪应力分布不再是线性的，如图 4(b)所示。在截面上出现了一个环状塑性区，并随着T的增长，塑性区逐步向中心扩展，T 曲线稍微上升，直至 B 点趋于平坦，截面上各点材料完全达到屈服，这时的扭矩即为屈服扭矩Ts，如图 4(c)所示。CAO图 3TpTsTbTB剪切屈服极限为：s3Ts（1）4Wtd3式中，Wt是实心试件的抗扭截面模量（或称抗扭截面系数）。16sssT TP时的剪应力分布TP T Ts时的剪应力分布T Ts时的剪应力分布（a）（b）（c
14、）图 411继续给试件加载，试件再继续变形，材料进一步强化。从图 3 看出，当扭矩超过Ts后，增加很快，而T增加很小，BC 近似一根不通过坐标原点的直线。在 C 点时，试件被剪断，此时的扭矩为最大扭矩Tb。剪切强度极限为：b3Tb (2)4Wt但是，为了试验结果相互之间的可比性，根据国标 GB/T 101281988 规定，低碳钢扭转屈服点和抗扭强度采用下式计算：sTsTbb (3)WtWt铸铁材料的T 曲线如图 5 所示，从开始受扭直到破坏，近似为一直线，故近似地按弹性应力公式计算：bTb（4）WtTTb图 5五、实验步骤及注意事项五、实验步骤及注意事项1、试件准备：在标距的两端及中部三个位
15、置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径 d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。2、试验机准备：按试验机计算机打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。3、装夹试件：（1）先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另一个定位环夹套在试件的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试件标距要求，将试件搁放在相应的 V 形块上，使两卡盘与 V 形块的两端贴紧，保证卡盘与试件垂直，以确保标距准确。将卡盘上的螺钉拧紧。（2）先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显的偏差
16、，请按下“正转”或“反转”按键进行微调。将已安装卡盘的试件的一端放入从动夹头的钳口12间，扳动夹头的手柄将试件夹紧。按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。推动移动支座移动，使试件的头部进入主动夹头的钳口间。先按下“试件保护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试件夹紧。（3）将扭角测量装置的转动臂的距离调好，转动转动臂，使测量辊压在卡盘上。4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运行”键，开始试验。5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的铁屑，
17、关断电源。六、实验报告内容及要求六、实验报告内容及要求1、实验数据记录及结果处理:剪切剪切抗扭截破坏的最小直屈服扭破坏扭屈服强度断口面模量材料力学原径矩矩Wp/mm极限极限形状d/mmTs/NmTb/Nm因3MPaMPa低碳钢铸 铁2、绘制材料的扭转曲线（T 曲线）。平不平剪断拉断铸铁的扭转曲线3、绘制材料的断口草图，说明其特征并分析破坏原因。低碳钢的断口是平的，破坏原因是被剪断的；铸铁的断口是不平的，断痕与轴线大约成45，破坏原因是被拉断的。13应变测量实验应变测量实验一、一、实验目的实验目的1、学习应变片粘贴、使用的基本方法2、学习电桥的联线方法及电桥的测量原理和特点3、学习使用 WS38
18、11 应变仪测量应变的基本方法二、二、实验原理实验原理利用惠斯登电桥原理进行测量三、三、实验仪器实验仪器微型计算机、WS3811 数字式应变仪、桥盒、应变片及其附件四、四、实验内容实验内容1、选片：在确定采用那种类型的应变计后，用肉眼或放大镜检查丝栅是否平行，有否霉点、锈点、用数字式万用表测量各应变片电阻值。所选应变片的电阻阻值要与其桥盒匹配，如桥盒内置电阻为 120，那么，使用的应变片也要是 120。2、测点表面的清洁处理：为使应变计能与被测试件贴牢，对测点表面要进行清洁处理。首先把测点表面用砂纸打磨；使测点表面平整、光洁。然后用棉花球蘸丙酮擦洗表面的油污，到棉花球不黑为止。打磨好的表面，如
19、暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。3、贴片：在测点位置和应变片的底基面上，涂上薄薄一层胶水，一手捏住应变片引出线，在应变片上面盖一层聚乙烯塑料膜作为隔层，用手指在应变片的长度方向滚压，挤出片下气泡和多余的胶水，直到应变片与被测物紧密粘合为止。手指保持不动按压抑段时间后再放开，注意按压时不要使应变片移动，轻轻掀开薄膜检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则需重贴。注意粘结剂不要用得过多或过少，过多则胶层太厚影响应变片性能，过少则粘结不牢不能准确传递应变。4、干燥处理：应变计粘贴好后应有足够的粘结强度以保证与试件共同变形。此外，应变计和试件间应有一定的绝缘度，以保证应变读数的稳定。为此，在贴好片后就
20、需要进行干燥处理，气温在 20以上，相对湿度在 55左右时用 502 胶水粘贴，采用自然干燥即可。5、接线：由于应变片的两条连线很细，所以要应使用“转接片”连接导线（如图所示），避免测量时拉短应变片的连线。6、防潮处理：为避免胶层吸收空气中的水分而降低绝缘电阻值，应在应变片接好线并且绝缘电阻达到要求后，立即对应变计进行防潮处理。防潮处理应根据实验的要求和环境采用不同的防潮材料。一般选用 703、704 硅胶即可。7、应变桥盒的接线方法：（1）应变仪面板 7 针信号输入插头接线方14应变桥（桥压：1V）接线方法：桥压-1V 桥压-1V 桥压+1V 信号+桥压+1V 信号-屏蔽地说明：7 针插头接
21、线方法：针 1：信号-针 2：信号+针 3：桥压-1V针 4：桥压-1V针 5：桥压+1V针 6：桥压+1V针 7：屏蔽地应变仪面板（7 针插头）电压信号（对于输出为电压的传感器）输入接线方法：信号+信号-信号地接线说明：应变仪(针插头)测量端（电压信号）信号信号 信号信号 信号地（2）应变桥盒使用方法桥盒内部电路见后附电路图。一个应变片桥盒（1/4 桥）使用方法15单应变片桥路逻辑图2 线制(1/4 桥)1 个测量应变片应变片贴法1/4 桥桥盒接线图示按“1/4 桥盒接法图示”把一个应变片接到两条线的另一端，注意桥盒上要有 3 个短接插片。二个应变片桥盒（半桥）使用方法1 个测量应变片1 个
22、补偿应变片(静止)2 个测量应变片 R1 和 R2(半桥)同面垂直粘贴逻辑应变片贴法半桥桥盒接线图示图按“半桥盒接法图示”把两个应变片分辨接到“红-黑”线和“蓝-黑”线的另一端，其中黑线为两个应变片的共用线，注意桥盒上要去掉 1 个短接插片，保留 2 个短接插片。8、测试量程和滤波设置打开 Vib SYS 信号采集、处理和分析软件，从菜单“信号采集”选择“动、静应变采集”进入应变测量界面，如下图所示。16对于应变或其它传感器信号的测量，应选择比较适合的测量量程，选择测量量程时应尽量选择比较小的量程，仪器的量程越小精度越高；（该仪器已将测试值标称为微应变（），标定系数为 1，即测试值 1 代表
23、1 个）。（1）应变量程设置当测量应变时，对于应变片灵敏度系数 K=2 和桥压为1 伏的情况下，每个微应变（）对应于 1 个微伏（V），这时应变测量有两挡选择，应变量程设置：量程 1：4000量程 2：40000设置方法：进入量程及滤波设定界面，选择量程和要设置的通道，点击“设置”。相应通道量程即被设定，也可直接点击界面中的“”，单独设置各通道量程，对应通道变为“”；（2）滤波频率设置仪器中设计了低通滤波器，当测量应变时，由于存在各种干扰，所以在进行测试时，先要设置滤波频率，滤波频率范围（2Hz50KHz）；（通常设置为 20Hz 即可）。设置方法：进入量程及滤波设定界面，点击“滤波设置”，输
24、入相应通道滤波频率，点击“确定”，退出滤波设置；量程和滤波频率设置就绪后，点击“设置到仪器”，将所需量程和滤波频率设置到仪器。9、仪器校准首次测试或经过长时间不用时，需对仪器进行校准，该仪器具有自动校准功能；校准的目的是使测试值更加精确。校准方法：断开各通道，即拔下桥合接头；设置各校准通道的量程和滤波频率；一切就绪后，进“仪器校准”栏点击“自动校准”，仪器开始进行校准，该过程需要持续若干秒时间，当然也可中途退出校准；校准完成，校准结果（一般都在左右）显示于对应通道栏17中；校准结果可保存，点击“存校准值”，输入文件名，校准结果保存于文件中，下次测试时可直接读入，点击“读校准值”，选择校准文件，
25、读入校准值；点击“不校准”，不对仪器进行校准。10、动态应变数据采集对于随时间变化比较快的应变信号，要用动态应变数据采集。当进行动态应变数据采集时，动态采集的应变数据直接记录到计算机硬盘中，采集的数据量由计算机硬盘容量定，采集结束以后，把采集得到应变数据调出进行分析处理。（1）非定时动态应变采集该数字式应变仪采集总采样频率为 100KHz，在进行动态应变采集时可根据实际测试情况选择，但通道采样频率总和不能超过 100 KHz，（通常应变测试采样频率不宜设得过高，一般每通道 1000Hz 即可）。点击“设置采集参数”在采样频率栏中输入采样频率；在采集时间栏中输入所需时间值单位（秒），选择采集开始
26、通道和结束通道，选择显示通道，一切就绪后；点击“开始示波”，此时可以观测各通道采集数据波形，采集数据不保存，当你认为采集数据需要保存时，点击“开始记录”，选择保存数据文件“*.YB”开始记录，采集数据开始记录于硬盘中，直到采集时间结束，也可中途退出采集；采集结束数据文件自动转换为“*.TIM”格式，便于后续处理绘图等；如果中途发生断电等意外情况，数据也能自动保存，但只有“*.YB”文件，后续处理时，需将该文件转换为“*.TIM”格式文件，具体操作是：点击“打开应变数据文件”，选择需要转换的“*.YB”文件，再点击“转换为 VibSYS 格式”，选择要转换为的“*.TIM”文件即可转换完成。（2
27、）定时动态应变采集定时动态采集是指：每间隔一段时间采集一段时间数据，一旦点击开始采集，该过程将一直持续下去，直到点击停止采集；数据文件名自动加上每次开始采集时刻分别保存；具体操作是：选中“定时采集”，输入定时采集时间间隔，注意不能小于每次采集时间，其余参数设置同非定时动态应变采集，一切就绪后，点击“开始记录”，开始定时采集，直到点击“停止记录”，结束定时采集。18（3）采集清零对于应变的测量，桥路一般有一定的不平衡，那么在没有加载之前，仪器测量的电压不是零，有一定的偏移量，所以在采集之前要进行清零操作，然后开始采集和对被测试件进行加载，点击“修改零值”可以指定各通道零值。11、静态数据采集当被
28、测信号随时间变化比较缓慢时，可用静态数据采集。当进行静态数据采集时，采集的数据直接记录到计算机硬盘中。（1）静态采集进入定时静态采集界面：输入采集采样频率（一般为 1000Hz）和采集时间间隔，选择开始通道和结束通道，一切就绪后，点击“开始采集”，提示是否保存数据，如保存需选择保存文件“*.TXT”（该文件以文本格式保存，便于直接查看）后开始采集，数据实时显示于界面中，同时各通道曲线显示于波形显示界面中，直到点击“停止采集”结束本次操作。（2）采集清零对于应变的测量，桥路一般有一定的不平衡，那么在没有加载之前，仪器测量的电压不是零，有一定的偏移量，所以在采集之前要进行清零操作，然后开始采集和对
29、被测试件进行加载，点击“修改零值”可以指定各通道零值。12、记录实验数据五、五、思考题思考题1、应变桥接法中的半桥盒接法和 1/4 桥盒接法在应用上有什么差别答：半桥盒接法是用来测量同面垂直粘贴的 2 个测量应变片 R1 和 R2 的；而 1/4桥盒接法是用来测量单个应变片的。2、使用应变仪进行应变采集之前为什么要进行清零操作清零操作和之前的仪器校准操作的作用有何不同19答；对于应变的测量，桥路一般有一定的不平衡，那么在没有加在之前，仪器测量的电压不是零，有一定的偏移量，所以在采集之前要进行清零操作。而校准的作用是使测试值更加准确。202122三、实验数据及处理梁试件的弹性模量E 2.1101
30、1Pa梁试件的横截面尺寸h 41，b 21支座到集中力作用点的距离d 97各测点到中性层的位置：y1 y2y3 0y4y5 y6载 荷(N)静态电子应变仪读数(106)241 点2 点读数20-103 点增量304 点读数40135 点增量5-116 点读数604增量64F0604读数F16040-23640增量1-23增量读数32-1000-11增量读数45130-1113-23-46-21-28-74-35112612402 点3-6-1813-8-26265912447441988-1414133 点00 06F121 点44 点885 点656 点65应变片位置实验应力值/MPa理论应力值/MPa相对误差/%泊松比值 注：表中读数注：表中读数1、2、3、4、5、6为两次实验所得读数的平均值。为两次实验所得读数的平均值。F为荷载增量的平均值。为荷载增量的平均值。1、2、3、4、5、6为各点应变增量的平均值为各点应变增量的平均值25四、应力分布图四、应力分布图(理论和实验的应力分布图画在同一图上)26五、思考题五、思考题1.为什么要把温度补偿片贴在与构件相同的材料上2.影响实验结果的主要因素是什么27