材料力学实验.doc

1、1 / 61材料力学实验任永臻 编集美大学机械工程学院机械基础实验室 年月目 录第一章 绪论 材料力学实验的内容 材料力学实验的标准及方法 材料力学实验规则及要求第二章 材料的力学性能测定 液压式万能材料实验机2.1.1 、-100A 型液压式万能实验机2.1.2 型微机显示液压万能实验机 机械式引伸仪 低碳钢、铸铁的拉伸实验 2 / 61 低碳钢、铸铁压缩演示实验 低碳钢弹性模量的测定 扭转实验机2.6.1 -100A 型扭力 实验机2.6.2 型扭转实验机 扭转实验 低碳钢剪变模量的测定 冲击实验 疲劳实验第三章 电测应力分析 概述 组合式材料力学多功能实验台 电阻应变片 应变电桥 电阻应

2、变仪 应用 弯曲正应力实验 弯扭组合变形的主应力的测定 叠梁复合梁弯曲正应力实验 材料弹性模量、泊松比 的测定 偏心拉伸实验 压杆稳定实验 电阻应变片灵敏系数标定 悬臂梁实验附录 实验数据的线性拟和附录 有效数后第一位数的修约规定的关系附录 力学量国际单位制单位及换算第一章 绪 论 材料力学实验的内容材料力学实验是材料力学的重要组成部分，包含以下三方面的内容：一、材料的力学性能的测定 材料的力学性能是指在外力的作用下，材料在变形、强度等方面表现出的一些特性，如弹性极限、屈服极限（屈服点） 、强度极限、弹性模量、疲劳极限、冲击韧性等。这些强度指标或参数都是构件强度、刚度和稳定性计算的依据，而它们

3、一般要通过实验来测定。随着材料科学的发展，各种新型合金材料、合成材料不断涌现，力学性能的测定，3 / 61是研究每一种新型材料的重要任务。二、验证已建立的理论 材料力学的一些理论是以假设为基础而导出的，杆件的弯曲理论就以平面假设为基础。用实验验证这些理论的正确性和使用范围，有助于加深对理论的认识和理解。至于对新建立的理论和公式，用实验来验证更是必不可少的。实验是验证、修正和发展理论的必要手段。三、应力分析实验 某些情况下，例如因构件集合形状不规则或受力复杂等，应力计算并无适用理论。这时，用诸如电测、光弹性等实验应力分析方法直接测定构件的应力，便成为有效的方法。对经过较大简化后得出的理论计算或数

4、值计算，其结果的可靠性更有赖于实验应力分析的验证。材料力学实验的标准及方法材料的强度指标如屈服极限、强度极限、持久极限等，虽是材料的固有属性，但往往与试样的形状、尺寸、表面加工精度、加载速度、周围环境（温度、介质）等有关。为使实验结果能相互比较，国家标准对试样的取材、形状、尺寸、加工精度、实验手段和方法以及数据处理等都作了统一规定。我国国家标准的代号。其他国家也有各自的标准，如美国标准的代号，国际标准的代号。国际间需要作仲裁实验时，以国际标准为依据。对破坏性实验，如材料强度指标的测定，考虑到材料质地的不均匀性，应采用多根试样，然后综合多根试样的结果，得出材料的性能指标。对非破坏性实验，如构件的

5、变形测量，因为要借助于变形放大仪表，为减小测量系统引入的误差，一般也要多次重复进行，然后综合多次测量的数据得到所需结果。实验应力分析除前面提到的电测法及光弹性法外，还有激光全息光弹性法、散斑干涉法、云纹法、声弹法等。采用何种方法取决于实验的目的和对实验精度的要求。一般说，如仅需了解构件某一局部的应力分布，电测法比较合适；如需了解构件的整体应力分布，则以光弹性法为宜。有时也可把几种方法联合使用，例如可用光弹性法判定构件危险截面的位置，再使用电测法测出危险截面的局部应力分布。关于实验应力分析，本书主要介绍电测法，至于其他方法，如有需要可参考实验应力分析方面的著作。材料力学实验规则及要求一、 作好实

6、验前的准备工作（）按各次实验的预习要求，仔细阅读实验指导复习有关理论知识，明确实验目的，掌握实验原理，了解实验的步骤和方法。（）对实验中所使用的仪器、实验装置等应了解其工作原理，以及操作注意事项。（）必须清楚地知道本次实验须记录的数据项目及其数据处理的方法。4 / 61二、 严格遵守实验室的规章制度（）课程规定的时间准时进入实验室。保持实验室整洁、安静。（）未经许可，不得随意动用实验室内的机器、仪器等一切设备。（）作实验时，应严格按操作规程操作机器、仪器，如发生故障，应及时报告，不得擅自处理。（）实验结束后，应将所用机器、仪器擦拭干净，并恢复到正常状态。三、 仔细做好实验（）接受教师对预习情况

7、的抽查、质疑，仔细听教师对实验内容的讲解。（）实验时，要严肃仔细、相互配合，仔细地按实验步骤、方法逐步进行。（）实验过程中，要密切注意观察实验现象，记录好全部所需数据，并交指导老师审阅。四、 实验报告的一般要求实验报告是对所完成的实验结果整理成书面形式的综合资料。通过实验报告的书写，培养学习者准确有效地用文字来表达实验结果。因此，要求学习者在自己动手完成实验的基础上，用自己的语言扼要地叙述实验目的、原理、步骤和方法，所使用的设备仪器的名称与型号、数据计算、实验结果、问题讨论等内容，独立地写出实验报告，并做到字迹端正、绘图清晰、表格简明。整理实验结果时，应剔除明显不合理的数据，并以表格或图线表明

8、所得结果。数据运算一般只保留三位有效数字。第二章 材料的力学性能测定 液压式万能材料实验机材料实验机是对试样或模型施加载荷的专用设备。实验机按施加载荷性质可分为静荷实验机和动荷实验机。静荷实验机按施加载荷形式又可分拉力、压力和扭转等材料实验机。如果一台实验机可以兼做拉力、压力和弯曲等多种实验，则称为万能材料实验机。随着力学实验需要和科技水平的发展，电子万能实验机和电液伺服实验机等正扩大使用，它把精密控制和精确测量融为一体，大大提高了实验机性能。各类实验机，一般由两大部分组成：加载系统和测量系统。多数测量系统中包括绘图装置。实验机的驱动方式可分机械传动方式和液压方式两种，本实验室五台实验机都是液

9、压式的，现简要介绍如下：2.1.1 、100A 型液压式万能实验机一、工作原理5 / 61、加载系统在底座上由两根固定立柱和固定横梁组成承载框架。工作油缸固定于框架上。在工作油缸的活塞上，支承着由上横梁、活动立柱和活动平台组成的活动框架。启动油泵，关闭回油阀门，打开送油阀门，油箱中的油液就会通过送油阀，经进油管进入工作油缸，把活塞连同活动平台一同顶起。这样，如把试样安装于上夹头和下夹头之间，由于下夹头固定，上夹头随活动平台上升，试样将受到拉伸；若把试样置放于两个承压垫板之间或将受弯试样置放于两个弯曲支座上，则因固定横梁不动而活动平台上升，试样将分别受到压缩或弯曲。此外，实验开始前如欲调整上、下

10、夹头之间的距离，则可开动下夹头升降电机，驱动螺杆，便可使下夹头上升或下降。但电机不能用来给试样施加拉力。、测力系统老式实验机的测量系统主要是测量试样所受载荷大小，因此也称测力系统。测力系统的核心是摆锤系统。对试样加载是高压油作用的结果，而高压油作用柱塞的测力计主机底座；固定立柱；固定横梁；工作油缸；上横梁；活动立柱；活动平台；上夹头；下夹头；螺杆；送油阀；、油管；回油阀；示力指针；示力度盘；滚筒；油泵电机开关；下夹头升降按扭；油箱，放油阀图 2.1 A 型万能材料实验机6 / 61图 型万能材料实验机同时，还通过回油管推动测力柱塞，它向下推动测力拉杆使摆锤偏摆一定角度。油压越高试样受力越大，摆

11、锤偏摆角度也越来越大。摆锤偏摆时，与其同轴偏转的拨杆推动测力齿杆移动，齿杆推动测力小齿轮，从而使测力指针转动，试样所受载荷即显示在力盘上。为了适应不同的测力范围，摆锤测力系统都配有几种不同重量的配重。配重越大测力范围越大，因此使用不同量程测力刻度盘时，必须配挂相应的配重。绘图装置：记录纸安放在滚筒上。试样的变形可以近似地看作是活动平台加载时的位移量，这个位移量可以通过传动绳绕过导向小滑轮拖动滚筒转动，使得滚筒的圆周方向反映试样的变形。而测力齿杆移动时，记录笔也随着移动，因此滚筒轴线方向直接记录试样的载荷。这样机器运行时就在图纸上绘出试样的载荷变形特性曲线。这条曲线不够精确，一般只作参考使用。图

12、 2.2 A 型万能材料实验机结构原理图7 / 61二、操作要点、按需要选择合适力盘并配置相应配重。需要自动绘图时，事先应将滚筒上的纸和笔装妥。、在确认油门关闭状态下，启动油泵，适量打开进油阀门，将活动平台升高约1cm，以消除其自重，然后关闭送油阀，此时调整力盘零点，并把被动针靠近主动针，以便记录峰值。、根据拉伸试样长度，利用调节装置迅速把下夹头调至合适位置，并把试样夹紧。压缩试样过短时必须垫以专用压块，少量的间隙则依靠活动平台上升消除。注意：不能用下夹头升降电机给试样加载。、加载时缓慢打开进油阀门，以能使指针缓慢离开零点为宜，然后根据指针偏转快慢，调至合适的加载速度，达到预期的实验载荷值。实

13、验进行中，注意不要触动摆杆和摆锤。、加载完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。破坏性实验先取下试样，再缓慢打开回油阀将油液放回油箱。非破坏性实验，自然应先开回油阀卸载，才能取下试样。另外，本室的、两台实验机其结构及工作原理和上述型相近，不再介绍。下面再简要介绍一下型微机显示液压万能实验机。2.1.2 型微机显示液压万能实验机一 、主要结构8 / 61实验机由主机、操纵台、测量单元和计算机（内带专用实验软件） 、打印机等部分组成（见图） 。主机由机座（内装主工作油缸） 、试台、下横梁、夹持部分、丝杠、光杠等组成，夹持部分采用液压驱动；操纵台的下部有液压源，左侧设有配电箱，总电源开关，台面上设置有控制阀

14、旋扭，油泵的启动与停止按钮及横梁升降按钮，另外控制试样的夹紧与松开的按钮，设置在一个掌中按钮盒上；测量单元包括液压传感器、编码器测长仪、引伸计、多功能实验卡。二、工作原理本机是液压施加实验力、电子测量、计算机显示及储存数据的实验仪器。其工作原理是：油泵打出的高压油经控制阀（顺时针旋转手轮送油量大，反量小直至泄油）进行流量及压力的调节后送给油缸推动活塞向上运动实现整机的施加实验力。本实验机为手动施加实验力方式。应力速度满足实验要求即可以。本机采用液压传感器测量实验力，用夹式引伸计测量试样变形，编码器测量活塞位移，各测量信号经相应的放大器放大后送入相应的测控单元最终由计算机窗口显示。9 / 61测

15、控单元中的控制检测器可实现整机的超限保护。即实验力超出最大值的时，就将关闭油泵电源停机。三、操作规程、调整实验空间：本机的拉伸、压缩空间为 900mm，其中拉伸空间包括250mm 的活塞行程。为常规实验的操作方便，其上横梁又设置了两个固定位置，即拉压空间 900mm 的高位，拉压空间 620mm 的低位。、实验参数。、将主机活塞升起约 20mm 后，将实验力及变形参数复零位。、将油路转换开关旋到“夹头”位置， ）操纵掌中按钮盒装夹试样。、旋转控制阀施加实验力。、打印实验报告。 机械式引伸仪材料力学实验中，除测定试样或构件的承载能力外，还经常要测定它们的变形。变形一般很小，要用高精度、高放大倍数

16、的仪器才能测出，这类仪器即为变形仪。机械式引伸仪是变形仪中的一种。安装于试样上的引伸仪，只能感受试样上长为 的一段的变形。称为标距。引伸仪测出的是的长度变化即总变形。由此算出的应变 ，其实是范围内的平均应变。由于引伸仪上的读数是经放大系统放大后的数值，应除以引伸仪的放大倍数才是变形，即 （）仪器能测量的最大范围称为量程。量程、标距和放大倍数是引伸仪的主要参数。下面简要介绍球铰式引伸仪。一、千分表及百分表千分表利用齿轮放大原理制成（图） ，主要用于测量位移。工作时将细轴的触头紧靠在被测量的物体上，物体的变形将引起触头的上下移动，大齿轮带动指针齿轮，图千分表10 / 61图 球铰式引伸仪于是大指针

17、相随转动。如大指针在刻度盘上每转动一格，表示触头的位移为1000mm，则放大倍数为，称为千分表。若大指针每转动一格表示触头的位移为 100mm ，则称为百分表。大指针转动的圈数可由量程指针予以记忆。百分表的量程一般为10mm，千分表则为mm 左右。安装千分表时，应使细轴的方向（亦即触头的位移方向）与被测点的位移方向一致。对细轴应选取适当的预压缩量。测量前可转动刻度盘使指针对准零点。二、球铰式引伸仪图是球铰式引伸仪的结构和安装示意图。上、下标距叉由球铰杆和表座板（也是标距板）连接起来，并用弹簧拉紧，组成变形传递架。装于表座板上的千分表的触头与下标距叉接触。旋紧固定顶尖和活动顶尖便可把引伸仪安装于

18、试样上。试样变形时，上标距叉基本不动，但试样变形带动顶尖螺钉位移，从而使下标距叉绕球铰中心轻微转动。这样，下标距叉形成一个以球铰为支点的杠杆。按照图的尺寸千分表触头的位移是活动顶尖位移（亦即试样变形）的两倍。即千分表指针每转动一格，表示触头的位移为，而试样的变形为。安装球铰式引伸仪的注意事项是：（）根据试样尺寸调整定位块和顶尖，使小轴的尾部向上，限制上、下标距叉相对错动，把引伸仪套在试样上，使定位块与试样靠紧，旋紧活动顶尖，使顶尖嵌入试样约为.1mm；（）调整接触螺钉，使千分表的量程指针指在量程的一半左右，用锁紧螺母锁紧接触螺钉，把千分表大指针调整到零位，把小轴尾部旋转向下，即可开始实验。 低碳钢、铸铁的拉伸实验拉压实验是材料的力学性能实验中最基本最重要的实验，是工程上广泛使用的测定材料力学性能的方法之一。一、实验目的：、了解万能材料实验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确使用方法。