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材料力学实验指导书

材料力学实验指导书

连星耀编

西北农林科技大学水利与建筑工程学院

2008.9

实验一：

低碳钢拉伸实验

WEW-600B/1000B微机控制液压万能试验机

一、概述

WEW-600B/1000B微机控制液压万能试验机如图一所示。

该试验机具有准确的加力速度和测力系统，通过与微机连接，可直接显示并打印出拉伸图。

测量精度高，操作方便、可靠，所能开出的实验项目有：

1.低碳钢拉伸试验；

2.铸铁压缩试验；

3.测定材料弹性模量E与波桑比μ试验。

图一WEW-600B/1000B微机控制液压万能试验机

二、组成

1．试验机主机；

2．油压机控制箱；

3．微型计算机与打印机；

三、实验指导书

1.实验目的

测定低碳钢的屈服极限

，强度极限

，伸长率

，断面收缩率

。

2.实验装置和仪器

1）WEW-600B/1000B微机控制液压万能试验机；

2）拉伸试件；（图二）

3）游标卡尺等。

（图三）

图二低碳钢拉伸试件

图三测量试件直径与标距工具

3.实验原理和方法

试验前，首先测量试件的原始直径d和标距l.然后加持试件，开机并拉断试件。

数据采集系统会直接得到下屈服力

最大拉力

。

测量拉断试件的断后标距

和断口直径

。

最后按以下公式计算低碳钢的屈服极限

，强度极限

，伸长率

，断面收缩率

。

4．注意事项

l）WEW-600B/1000B微机控制液压万能试验机操作规程（见后）

2）不要在工作台上涂写或刻划。

5．思考题

1、颈缩过程中，颈缩截面上的实际应力是增加还是减少？

2、为什么把试件的伸长率不能称作试件的轴向塑性线应变？

附：

WEW-600B/1000B微机控制液压万能试验机操作规程

一.试验前

打开HLTEST软件，然后再打开主机电源和控制箱电源。

如打开顺序不对，则必须重启计算机，关闭主机和控制箱电源。

然后按照开机顺序打开即可。

1.检查各连接线是否连接，无松，掉。

2.正确选择试验类型，试样尺寸，以及是否选用引伸计。

3.将油缸上升5mm然后夹持上夹头，并对负荷清零，此步骤只是在第一次做试验的时候执行,相同尺寸试样不在清零，如果试样改变才要重新清零。

4.移动中横梁调整到下夹头能很好的夹持试样为止，并夹好试样。

注：

试样在钳口中的距离要大于等于钳口长度的三分之二，否则会造成横梁的钳口部位倦边损坏。

5.如选用引伸计，则夹好引伸计，并对变形清零。

6.如果用引伸计则曲线类型选为应力-应变。

二.试验开始

打开送油阀，关闭回油阀，然后点击软件上试验开始，位移自动清零，在软件界面上选取正确的曲线显示坐标（负荷-位移，负荷-变形，负荷-时间），在试验时通过软件上的速率显示，调整送油阀的开口大小。

注：

1.送油阀不能开得太大，开得太大会使试样很快拉断，影响试验结果的准确性。

2.如果使用引伸计，则要在试验过程中（拉伸过程进入强化段以后）取下引伸计（按键盘上的空格键或者软件提示时），否则会使引伸计损坏。

三.试验结束

1.试样拉断后，关闭送油阀，取下拉断的试样，打开回油阀。

注：

如在试样拉断后直接打开回油阀，会造成钳口损坏。

2.如未在试验以前输入试样尺寸和试样类型，试验结束后也可以输入。

3.量出断后标距输入后，可在软件上点击全部计算。

4.选择所要打印的试验数据，打印即可。

5.关闭软件后才允许关闭计算机（否则会造成系统软件破坏），然后再关闭控制箱电源和主机电源。

实验二：

剪切弹性模量测定实验

NPU-1622剪切弹性模量测定实验装置

一、概述

NPU-1622剪切弹性模量测定实验装置是西北工业大学在“国家基础力学教学基地”建设项目中自行研制和开发的力学实验教学装置之一。

材料的剪切弹性模量是计算构件扭转变形的基本参数，该装置采用电测和引伸计百分表两种方法测定材料的剪切弹性模量，结构精巧实用，测量精度高，操作方便、可靠，所能开出的实验项目有：

1．用电测法测定材料的剪切弹性模量G；

2．用引伸计百分表法测定材料的剪切弹性模量G。

二、组成

1．实验台架：

合金钢构件（变截面实心、空心为一体）、台座、加力装置；

2．引伸计百分表；

3．荷载祛码：

1000g；

4．防护处理的应变片；

5.JDY-2型数字式静态电阻应变仪；

6．钢木结构工作台

图1NPU一1622剪切弹性模量测定实验装置

三、实验指导书

1.实验目的

用引伸计百分表法测定低碳钢的剪切弹性模量G。

2.实验装置和仪器

1）实验台架；

2）百分表；

3）游标卡尺。

3.实验原理和方法

由材料力学可知，在材料剪切比例极限内，圆轴扭转角的计算公式为：

由上式可得：

（1）

在图1所示的剪切弹性模量测定实验装置中，圆截面试件一端固定，另一端可绕其轴线自由转动。

转角仪固定在标距为L的A、B二个截面上。

当祛码盘上施加重量为F的祛码时，圆轴横截面便产生T=FL的扭矩。

图2

从图2可以看出，固定在A截面上的刚性臂由初始位OA转到OA1位置，固定在B截面上的刚性臂由初始位置OB转到OB1位置。

A、B两截面间的相对扭转角，在小变形条件下，等于二个刚性臂端头间的相对位移△（此值可以从百分表上读出），除以百分表表杆到试件轴线间的距离R，即

（2）

实验时，采用等量逐级加载法，测出与每级载荷相对应的扭转角φi。

由

（1）式算出Gi。

在按算术平均值

作为材料的剪切弹性模量G。

上式中n为加载级数。

这种数据处理方法，实质上是端直法。

当二个物理量（此处是T与φ）的线性关系很好时，用端直法比最小二乘法简便，而结果相差无几。

4．实验步骤

l）测量试件直径d，百分表触头到试件轴线间距离R以及力臂长度L；

2）用手轻按砝码盘，检查转角仪及百分表是否正常工作；

3）用砝码逐级加载。

对应着每级载荷Fi，记录相应的百分表读数

求出

，。

由式

（2）得到

。

实验重复三次。

5.实验结果处理

从三组试验数据中，挑选较好的一组，处理数据表格见试验报告。

6．注意事项

l）祛码要轻拿轻放，不要冲击加载。

不要在加力臂或祛码盘上用手施加过大力气。

2）不要拆卸或转动百分表，保证表杆与刚性臂间稳定、良好地接触。

3）注意爱护贴在试件上的电阻应变片和导线。

7．思考题

l）利用该装置测AB两个截面间的相对扭转角时为什么要有小变形的限制？

2）对于本实验所采用的试件，初载荷、终载荷多大合适？

实验分几级加载比较合适？

附注：

本实验装置相关尺寸为L=24Omm,d=10mm,l=100mm,R＝100mm。

实验三：

组合叠梁纯弯曲正应力实验

NPU——1625组合叠梁纯弯曲实验装置

一、概述

NPU——1625组合叠梁弯曲实验装置是西北工业大学“国家基础力学教学基地”建设项目中自行研制和开发的新型力学实验教学装置之一。

该装置在一个支架上同时安装有3组梁，梁的种类和叠合形式实验时可选；每种梁上贴有两组应变片，供学生分组实验；采用丝杠手轮加力，传感器测力，数字式测力仪显示力值；此外还将电测法测定材料弹性模量E和泊松比μ的实验综合到该实验装置中。

这不仅扩大了实验组数，而且实验安全、方便、准确；所能开出的实验项目有：

1．用应变电测法分别测定3种不同形式组合叠梁横截面上纯弯曲段沿梁高度方向上的应力分布；

2．用应变电测法分别测定上述各种梁的曲率半径；

3．用电测法测定材料弹性模量E和泊松比μ。

二、组成

图一NPU——1625组合叠梁弯曲实验装置

图二实验装置主体部分

1．实验台架：

3组矩形截面的组合叠梁（钢-铝叠梁、钢-钢叠梁、钢-钢楔块叠梁），钢材选用合金钢，铝材选用超硬铝（LY12CZ）；用于测材料弹性模量E和泊松比μ的试件；台座；丝杠手轮加力装置；

2．力传感器；

3.SCLY——II数字式测力仪；

4．防护处理的应变片；

5.JDY——III型静态电阻应变仪（2台）；

6．钢木结构工作台。

组合叠梁弯曲正应力实验指导书

1.实验目的

1）学习使用电阻应变仪，掌握测试技能。

2）测量纯弯曲梁上应变随高度的分布规律，验证平面假设的正确性。

3）用应变电测法测定三种不同形式组合叠梁横截面上的应力分布情况。

下面以钢-钢叠梁为例说明。

2．实验设备与仪器

实验台架；

力传感器；

SCLY——II数字式测力仪；

JDY——III型静态电阻应变仪（2台）。

如图1所示，从上至下依次为钢-铝叠梁、钢-钢叠梁、钢-钢楔块叠梁。

3．实验原理和方法

图2钢-钢组合叠梁受力简图、贴片位置图与理论应力分布图

在梁的某一横截面沿梁的高度分布8枚电阻应变片，贴片位置如图2所示。

电阻片长向与梁的轴线方向一致。

梁受力时，测出每个测点的应变值

，然后利用胡克定律

求出各测点的应力值。

4．实验步骤

1）测量梁的有关尺寸h、b、a、L；

2）卸掉钢-铝叠梁、钢-钢楔块叠梁加力板上的插销，使所加力仅作用在钢-钢叠梁上；

3）接通应变仪和测力仪电源，按照使用说明书分别校正和调零；

4）搞清各测点应变片引线颜色，把测点1——8的应变片和任一根不受力梁上的应变片（做为温度补偿片）按照单臂桥的接法接通应变仪，并逐点调整应变仪零点；

5）预加荷载F0，记下8个测点初始应变值

；

6）按照一定的加载梯度加载至F1，切换转换开关，记下各测点的应变值

；

7）按照同样的加载梯度加载至Fn，切换转换开关，记下各测点的应变值

；

8）按以上同样方法，可对其余二组梁进行测试；

9）卸去载荷，检查数据，恢复仪器。

5．试验结果处理

1）用电阻应变仪上读出的线应变读数，通过虎克定律：

σ=Eε

求出纯弯梁各测点正应力的试验值。

2）再按纯弯梁横截面上的正应力分布式：

求出纯弯梁各测点正应力的理论值。

3）最后对试验值与理论值进行误差分析。

6．注意事项

1）检查叠梁叠放是否整齐；

2）不得用力拉扯应变片引线，不得触摸应变片；

3）测点位置通过引线的颜色辨认；

4）初载荷F0和终载荷Fn的值要适当；建议初始载荷200N，最大载荷2200N，载荷递增梯度：

5OON。

5）应变片灵敏度系数K=2.13。

7．思考题

l）如何建立钢-铝叠梁、钢-钢叠梁和钢-钢楔块叠梁横截面上正应力的理论计算公式（同学们可展开讨论）。

2）估计那种梁试验误差要大些，误差大的主要原因是什么？

附注：

本实验装置相关尺寸为a=200mm,L＝600mm,b=10mm,h=25mm,钢和铝的弹性模量Est=210GPa，Eal=70GPa。

附：

JDYS—Ⅱ静态电阻应变仪使用说明书

、概述

JDYS－

型静态电阻应变仪是在JDY－

应变仪基础上新开发研制的新型应变仪，具有稳定性好、精度高、灵敏度系数方便可调等特点；校正桥能对仪器进行校准，保正了仪器的正确性；对不同阻值的应变片具有自动补偿功能；示值应变就是被测点的真实应变，不需修正。

抗干扰能力强，使用方便，是高等院校和科研部门进行力学量测试所必备的理想测试仪器。

、主要技术指标

1.量程范围：

±19999με

2.示值误差：

0.2%±1个字

3.零点漂移：

≤3με/6小时（仪器预热10分钟且电桥上接120Ω标准电阻）

4.灵敏系数：

K值任意连续可调

5.测量点数：

单点

6.平衡范围：

±5000με

7.分辨率：

1με

8.供桥电压：

直流2V

9.应变片阻值：

60～700Ω

10.面板显示：

4位半7段LED数码

11.电源：

AC220V±10%

12.环境温度：

0—40℃

、结构及原理

JDYS—Ⅱ型静态电阻应变仪的工作原理与结构框图如图1。

主要由测量电桥，校正桥，测量校正开关，直流放大器，有源滤波，A/D转换，数码显示等。

根据电桥原理，当贴在构件上的应变片受力作用而产生变形时，其阻值也随之而变化。

在线弹性范围内，应变片阻值的相对变化量与其长度的相对变量成正比，即

，K为应变片的灵敏系数。

把应变片组成电桥，当应变片阻值变化时，电桥就有相应的电压输出，即

（E为供桥电压）。

再把电桥输出电压经放大，滤波，调整，A/D转换后用数码管显示，最后，数码管显

示的数字就是被测点的真实应变值。

数码管显示的数字即应变仪读数记作

。

四、面板功能及使用方法

1.面板功能

2.测量电桥的连接方式

仪器的测量电桥如图2所示。

（1）当R1为测量应变片，R2为温度补偿片，R3，R4（R3，R4为仪器自带，分别连接在后面板CC1及AA1两个接线拄里面）为固定电阻时，为

桥或单臂桥。

即

。

（2）当R1、R2都为测量应变片，R3、R4为两个固定电阻时，称为半桥。

即

。

（3）当R1、R3为测量应变片，R2、R4为两个温度补偿片时，称为对桥。

反之亦然。

即

或

。

（4）当R1、R2、R3、R4都为测量应变片时，称为全桥。

即

。

3.使用方法

（1）先将仪器前面板上“校正∕测量”开关打到校正位置，再打开电源开关，数码管就有数字出现，进入工作状态。

（2）根据测量应变片的受力特点及个数选择相应的桥路连接方式。

（3）应变片K值的调节

注意，K值调节前一定要在桥路连接后进行，即接好测量桥。

应变片K值的调节是通过数码管所显示的数值来进行的，数码管的具体数值是按公式10000∕K来计算。

具体方法为，先将前面板上“校正∕测量”开关打到校正位置，由公式10000∕K计算出校正值，用螺丝刀调节“K值调节”电位器，使数码管显示相应的数值。

例如K=2.00时，10000∕2.00=5000，调节“K值调节”电位器，使仪器显示为5000即可（允许有3-5个字的偏差），对其它K值调节方式同上。

（4）应变测量

把“校正∕测量”开关打到测量，调节电阻平衡电位器的粗调，使表头读数减小，大约剩几数个字时再用细调让数字为0000。

加载之前，记录初始值。

加载后，数码管的数值为被测点应变值（με）。

五、注意事项

1．仪器的使用顺序应该是接桥，K值调接，测量。

2．“K值调节”是用螺丝刀来旋转可变电位器，当旋转到头时请不要再用力去拧。

调节时，用螺丝刀轻轻地向左或右转动，更不能用力向里推，以免损坏电位器。

如果遇到K值太大或太小时，K值调节调不到设定值，此时可按K=2.00即5000来调，然后用公式K仪•ε仪=K片•ε片来换算。

3．仪器长期不用时，应定期通电，通电时无须接桥，只需将“校正∕测量”开关打到校正位置即可，否则仪器会出现零闪烁现象。

4．测量时，不要晃动引线。

附：

JDY——III型静态电阻应变仪使用说明书

一、简介

JDY—III型静态电阻应变仪是在JDY—II型静态电阻应变仪的基础上经改进而新开发研制的一种新型应变仪。

其稳定性好、精度高；对不同阻值的应变片具有自动补偿功能，且示值应变为被测点应变的真实值，不需修正；测点转换时的误差小，整机抗干扰能力强，使用方便，是高等院校和科研部门进行力学量测试所必备的理想测试仪器。

二、主要技术指标

1．量程范围：

±19999με

2．示值误差：

0.2％±1个字

3．零点漂移：

≤3με／6小时（仪器预热10分钟且电桥上接1200标准电阻）

4．灵敏系数：

K值任意连续可调

5．测量点数：

10点

6．平衡范围：

±5000με

7．分辨率：

lμε

8．供桥电压：

直流2V

9．应变片阻值：

60-700

10．面板显示：

4位半7段LED数码

11．电源：

AC220V±10%

12．环境温度：

O-40℃

三、结构及原理

JDY-III型静态电阻应变仪的工作原理与结构框图如图1所示。

主要由测量电桥、校正电桥、测点转换、测量校正开关、直流放大器、有源滤波、A/D转换、数码显示等组成。

根据电桥原理，当贴在构件上的应变片受力作用而产生变形时，其阻值也随之而变化。

在线弹性范围内，应变片阻值的相对变化量与其长度的相对变量成正比，即

K为应变片的灵敏系数。

把应变片组成电桥，当应变片阻值变化时，电桥就有相应的电压输出，即

（E为供桥电压）。

再把电桥输出电压经放大，滤波，调整，A/D转换后用数码管显示，最后，数码管显示的数字就是被测点的真实应变值。

数码管显示的数字即应变仪读数,记作

。

图1JDY-III型静态电阻应变仪的工作原理与结构框图

四、面板功能及使用方法

1.面板功能

前面板照片

前后面板图片

2．测量电桥

仪器的测量电桥如图2所示。

图2惠斯登电桥

（1）当R1为测量应变片，R2为温度补偿片，R3,R4为固定电阻时，称为

桥或单臂桥。

（2）当R1,R2都为测量应变片，R3,R4为两个固定电阻时，称为半桥。

（3）当R1，R2,R3,R4都为测量应变片时，称为全桥。

3．使用方法

（1）先将仪器前面板上“校正／测量”开关打到校正位置，再打开电源开关，数码管就有数字出现，进入工作状态。

（a）．

桥连接方式

把仪器后面板上的“连接器”插头插好，在零号桥AB之间接上补偿片，1——10个测量桥AB之间接测量应变片即可。

此时应变读数

（b）半桥连接方式把仪器后面板上的“连接器”插头拔掉，用短接片将零号桥B、C、D三点短接，1——10个测量桥AB,BC之间分别接测量应变片即可。

此时应变读数

（c）全桥连接方式

把仪器后面板上的“连接器”插头拔掉，零号桥A、B、C、D之间什么都不接，1——10个测量桥AB,BC,AD,CD之间分别接测量应变片即可。

此时应变读数

（2）应变片K值的调节

应变片K值的调节是通过数码管所显示的数值来进行的，数码管的具体数值是按公式10000/K来计算。

具体方法为，先将前面板上“校正／测量”开关打到校正位置，由公式10000/K计算出校正值，用螺丝刀调节“K值调节”电位器，使数码管显示相应的数值。

例如K=2.00时，10000/2.00=5000，调节“K值调节”电位器，使仪器显示为5000即可，对其它K值调节方式同上。

注意，K值调节一定要在桥路连结后进行。

（3）应变测量

把“校正／测量”开关打到测量，前面板“测点转换”开关1——10个位置及调零电位器和1——10个小红灯与后面板上1——10个测量桥一一对应。

调节各电位器，使各点的表头读数改变。

加载之前，记录下各点的初始值，加载后，转动“测点转换”开关，读取并记录下各点的读数（με）。

五、注意事项

1．仪器的使用顺序应该是接桥，K值调接，测量。

2．仪器的“测点转换”采用波段开关，1和10为两个左右极端，当达到1或10时，千万不要再用力去拧，以免损坏开关。

3.“K值调节”和平衡调节都是用螺丝刀转可变电位器，当转到头时请不要再用力去拧。

调节时，用螺丝刀轻轻地向左或右转动，更不能用力向里推，以免损坏电位器。

4．仪器长期不用时，应定期通电，通电时无须接桥，只需将“校正／测量”开关打到校正位置即可，否则仪器会出现零闪烁现象。

5．测量时，不要晃动引线。

实验四：

弯扭组合实验

NPU-1626弯扭组合实验装置

一、概述

NPU-1626弯扭组合实验装置是西北工业大学在“国家基础力学教学基地”建设项目中自行研制和开发的15种类型力学实验教学装置之一。

在复杂受载情况下，测定构件某一点的主应力和主方向，进而进行强度分析，是工程中经常遇到的问题。

此外，单独测出处于组合变形情况下构件截面上的某一个内力，对于分析或调整构件的受力也是必要的。

该装置以工程实际中广泛使用的薄壁圆筒为对象，采用丝杠手轮加力，传感器测力，数字式测力仪显示力值，结构精巧实用，测量精度高，操作方便、可靠，所能开出的实验项目有：

1.测定薄壁圆筒四个指定点上的主应力大小和主方向，并与理论值比较；

2.测定材料的弹性常数E、G、μ。

（选作）

二、组成

图1NPU一1626弯扭组合实验装置

1.实验台架：

薄壁圆筒；台座；丝杠手轮加力装置；

2.力传感器；

3.SCLY-Ⅱ数字式测力仪；

4.防护处理的应变片；

5.两台JDY-Ⅲ型静态电阻应变仪；

6.钢木结构工作台。

三、实验指导书

1．实验目的

测定薄壁圆筒四个指定点上的主应力大小和主方向，并与理论值比较；

2．实验装置和仪器

1）实验台架；

2）力传感器；

3）SCLY-Ⅱ数字式测力仪；

4）防护处理的应变片；

5）2台JDY-Ⅲ型静态电阻应变仪。

3.实验原理和方法

薄壁圆筒弯扭组合实验装置如图1所示。

圆管试件的一端固定在支座上，另一端通过直角拐臂、钢丝绳和手轮施加载荷。

手轮下的力传感器与数字式测力仪连接，可测出施加载荷的大小。

在试件的统一横截面上贴有4枚应变花，贴片位置见图2。

各应变片的实测应变值由静态电阻应变仪读出。

图2贴片位置（A,B,C,D）图

圆筒横截面上的内力如图3（a）所示，内力为：

T-扭矩，M-弯矩,FQ-剪力

（a）（b）

图3圆轴横截面上的内力及应变片黏贴方位图

筒壁上任一点均为复杂应力状态，且主方向未知。

为了测出主应力和主方向，在各测点贴上45度应变花。

图3（b）为应变花黏贴方位图。

由材料力学可知，圆筒表面上的任意的主应变为：

主应变或主应力方向为：

由广义胡克定律，可求得主应力大小为：

以上关系可查阅有关材料力学理论。

4.实验步骤

l）测量圆筒试件的外径D、内径d、直角拐臂长度L和所测截面到直角拐臂的距离a；

2）根据引线的编组和颜色，仔细识别引线与应变片的对应关系，按照单臂桥的接法接入应变仪；

3）接通应变仪和测力仪电源，按照使用说明书分别校正和调零；

4）通过加载手轮施加一定的载荷，逐点检测个各测点（也可只测某2个点）应变花3个应变片的应变值

，求出该测点主应力及其主方向；

5）卸去载荷，检查数据，恢复仪器。

5.实验结果处理

1）按理论解计算ABCD各点的应力分量与主应力；

2）根据实验数据，计算ABCD各点的主应力和主方向；

3）比较其误差。

6．注意事项

l）加力要缓慢，避免冲击；

2）注意爱护贴在试件上的电阻应变片和导线。

7．思考题

比较各测点主应力的理论解与实测值的差异，简要分析产生差异的原因。