材料力学实验指导书Word格式文档下载.docx
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（6）关闭送油阀，关闭油泵电机。
将描绘笔抬起取下拉伸曲线图。
（7）打开回油阀，将工作油缸中的油放回油箱。
注意当油将要放尽时，速度要缓慢，以免活塞受到冲击。
（8）取下试件。
测量拉断后的标距长L1，颈缩处最小直径d1。
并将测量结果填入表1-2。
2．铸铁的拉伸
其方法步骤完全与低碳钢相同。
因为材料是脆性材料，观察不到屈服现象。
在很小的变形下试件就突然断裂（图1-3），只需记录下最大载荷Fb即可。
的计算与低碳钢的计算方法相同。
六、试验结果及数据处理
根据试验记录，计算应力值。
屈服点
强度极限
断面收缩率
延伸率
表1-1试验前试样尺寸
材料
原始标距L0/mm
原始直径d0/mm
原始横截面面积
A0/mm2
截面Ⅰ
截面Ⅱ
截面Ⅲ
（1）
（2）
平均
低碳钢
铸铁
表1-2试验后试样尺寸和形状
断裂后标距长度L1/mm
断口（颈缩处最小直径d1/mm）
断口处最小横截面面积A1/mm2
试样断裂后简图
七、试验报告要求
材料力学实验报告中应写明专业、班级、姓名、试验日期和试验环境条件等。
其具体内容应有：
（1）试验名称；
（2）试验目的；
（3）试验设备和仪器；
（4）试验原理和方法的简述；
（5）试验数据记录（如表格、F-△L曲线）、试验数据处理和试样断口形貌图；
（6）试验误差和试验结果的讨论分析，回答本书中列出的思考题。
采用统一的实验报告纸。
八、思考题
1．根据实验画出低碳钢和铸铁的拉伸曲线。
2．根据实验时发生的现象和实验结果比较低碳钢和铸铁的机械性能有什么不同?
3．低碳钢试样在最大载荷D点不断裂，在载荷下降至E点时反而断裂，为什么？
实验二压缩实验
一、实验目的
1．测定低碳钢的压缩屈服极限和铸铁的压缩强度极限。
2．观察和比较两种材料在压缩过程中的各种现象。
电子万能材料试验机、游标卡尺。
三、实验试件
金属材料压缩试件一般制成圆柱形，高与直径的比是3：
1。
具体规定见国家标准GB6394-86。
四、实验方法
1．用游标卡尺量出试件的直径d和高度h。
2．根据低碳钢或铸铁的压缩极限
估计所需最大载荷，选择相应的测力度盘。
3．调整试验机，将试件置于活动中央的垫板上，并在试件与上下压头接触处涂少量腊油，以减少磨擦。
4．开动试验机，当工作台上升5mm左右时，指针调零。
然后使工作台继续上升，当试件接近于上压头时，速度应该放慢，以免造成冲击。
对低碳钢试件应注意观察屈服现象，并记录下屈服载荷Fs。
其越压越扁，压到一定程度即可停止试验。
对于铸铁试件，应压到破坏为止，记下最大载荷Fb。
5．卸下试件，观察试样的变形和破坏情况。
从图2-1a可以看出，低碳钢的压缩曲线与拉伸曲线在屈服以前是重合的。
所以在实用上可以认为低碳钢是拉压等强度材料。
低碳钢在受压过屈服点以后，愈压愈扁横截面面积逐渐增大，因此试件不可能压断。
由于变形大认为已失去工作能力，即等于破坏。
从图2-1b可以看出，铸铁的压缩曲线与拉伸曲线相似，但压缩的强度极限是拉伸的4~5倍。
一般脆性材料抗压能力都高于抗拉能力。
铸铁压缩时的断口与轴线约成
角，在
的斜截面上作用着最大的切应力，故其破坏方式是剪断。
五、试验结果及数据处理
表2-1压缩实验结果
直径
mm
屈服载荷
kN
最大载荷
屈服极限
MPa
强度极限
碳钢
铸铁
低碳钢压缩屈服点
铸铁压缩强度极限
五、试验报告要求
材料力学实验报告中应写明专业、班级、姓名、试验日期和试验环境条件等。
（1）简述实验名称、目的要求和实验过程。
（2）根据两种典型材料的压缩曲线，比较它们在压缩过程中的变形和破坏现象，给出强度指标和试样破坏简图。
（3）分析试验误差原因，对试验结果进行讨论。
回答本书中列出的思考题。
七、思考题
1.分析铸铁破坏的原因，并与其拉伸作比较。
2.放置压缩试样的支承垫板底部都制作成球形，为什么？
3.为什么铸铁试样被压缩时，破坏面常发生在与轴线大致成
的方向上？
4.试比较塑性材料和脆性材料在压缩时的变形及破坏形式有什么不同？
5.低碳钢和铸铁在拉伸与压缩时的力学性质有什么不同？
电测应力实验方法简介
（此节供实验三、四预习用，不必写入报告）
构件在外力作用下，其内部出现应力，并产生一定的变形，电测应力是利用电阻应变片，把非电量——应变量换成电量——电阻的变化来测得应力的方法。
这种实验方法具有准确性较高，稳定性好，能用于高温、高压下等优点，还能测量动态应力，实现自动记录、快速测量遥控，并能与电子计算机配合。
因此，在实验应力分析中获得了广泛的应用。
电测应力的主要特点是，只能测量试件表面的近似于一点上的应变。
在大应变下，误差较大。
电测应力系统一般分为应变片、应变仪和显示器三部分。
一、应变片
把一段细的金属丝，夹贴在两张绝缘纸之间，就构成一个最简单的应变片,如图3-1所示。
应变片用特制的胶水，贴在构件的测点上。
当构件在外力的作用下伸长或缩短，应变片相应变形，其电阻也随着增加或减少。
在一定条件下，电阻的改变量
与应变
成正比，即
式中：
R是应变片的原始电阻；
ΔR是变形后R的改变量；
L是应变片的长度；
ΔL是变形后L的改变量；
称为应变；
K是应变片的灵敏系数；
显然，如测出应变片电阻的改变量，就可得到该点的应变，进而推算出应力。
应变片上
的数值是很微小的，另外，我们最终要求的是ε，而不是
，电阻应变仪是把微弱的信号放大，并直接读出ε读数的仪器。
电阻应变仪的基本原理，是采用惠斯登电桥作为测量电路（如图3-2）。
当四个桥臂满足下述条件：
时电桥平衡，检流计G中无电流通过。
当R1（应变片）由于变形而使电阻变化时，电桥就失去平衡，用偏位法读数时，可直接从G上读取ε,用平衡法读数时，需将电桥调回平衡，然后从调节钮上读取ε读数。
二、温度补偿片
实验时不仅受力使应变片的电阻发生变化，当温度变化时，也会使应变片的电阻变化，从而引起测量上的误差。
为此，要采取下述措施：
设R1为贴在构件上的应变片，R2应选用与R1规格型号完全相同的应变片，贴在与R1相同材料的构件上，只是R1受力的作用，R2不受力。
当温度变化时，由于温度变化而引起的电阻变化在R1和R2上相同。
由惠斯登电桥原理可知，这时读数ε就不再受温度变化的影响，故R2就叫做补偿片。
三、横向效应
应变片是沿着长度方向工作的，当垂直于长度的方向有变形时，也会使应变片输出读数，从而引起误差，这种现象叫做横向效应。
产生横向效应的原因，是因为应变片系由许多金属丝并联而成的。
在并联处，也就是沿横向也出现了“工作段”。
横向效应越小越好，但不可能全无。
在精密的测量中，要根据应变片的横向效应系数，用指定的公式对读数进行修正。
四、半桥和全桥
当用两个贴在测点上的应变片代替电桥上的两个桥臂，另两个桥臂由仪器内部的固定电阻来担任时，称为半桥接法。
当贴在四个测点上的应变片，组成测量电桥时，称为全桥接法。
五、应变片和应变花
1．在单向应力场中，可贴一片应变片。
应变片的长度方向与应力方向一致。
可用单向拉压胡克定律求出应力，即σ=Eε。
2．在平面应力场中，若主应力方向已知，可贴两片应变片，分别与两个主应力方向重合。
如图3-3a所示。
注意，此时分别输出的ε1和ε2，每一个读数都是由应变片长度方向应变和另一个主应力作用于横向效应而产生的应变的代数和。
因此，还需要用一定的公式换算，才能得到真正的ε1和ε2。
3．在平面应力中，若主应力方向亦未知，可按一定的角度贴三个应变片。
如图3-3b、c、d所示通常把三个应变片做在一个基底上，叫应变花。
根据应变花输出三个读数，可用一定的公式算出主应力的大小和方向。
六、电阻应变仪介绍
（一）YJ-28-P10R静态数字应变仪。
1．用途和概述
YJ-28-P10R型静态数字应变仪是在静力强度研究中测量结构材料任意点变形的应力分析仪器，配合相应的传感器，可以测力、压力、扭矩、位移、温度等物理量变化，它是机械、土建、水利、车辆、船舶、桥梁、铁路、矿井等专业的科研机构、工矿企业和高等院校在科研、设计、生产和施工中进行非破坏性的静态应变测量的一种精密仪器。
YJ-28-P10R型静态数字应变仪采用直流电桥，低漂移放大器和大规模集成电路。
具有数字显示，测量精度高，稳定性好，测试简便，速度快，准确可靠，体积小，重量轻，维护方便等优点。
YJ-28-P10R型静态数字应变仪本身带有10点预调平衡装置可作多点测量。
2．主要技术指标
1）应变测量范围：
0~19999με
2）主辨率：
1με/每个字
3）基本误差：
不大于测量值的±
0.1%（±
2个字）
4）稳定性：
（1）静稳定性（零点漂移）：
4小时内不大于±
2με
（2）动稳定性（灵敏度变化）：
2小时内不大于测量上限值的±
0.1%
5）灵敏系数：
K=2，使用不同应变片K值，可根据表3-1在测量前进行校正。
6）电阻平衡范围：
±
0.6Ω（应变片阻值为120Ω时）
7）供桥电质：
约2.5V
8）电源：
仪表供电电源频率为50Hz，电质为220V的交流电
9）外形尺寸：
300×
280×
120
10）质量：
约3.5kg
3．仪器面板结构
仪器前、后面板结构见图3-4。
4．测量桥接法
测量桥接法，分全桥接法和半桥接法二种。
在一般测量中，多数采用半桥接法，在半桥接法时必须把前面板上D1DD2接线柱旋紧，并且短接好。
后面板上每一路测量点和前面转换开点位置必须对应，在半桥测量时RS1、RS2作为半桥测量时内半桥，用户可以很方便在A1~A10、B1~B10接测量片，B1~B10、C1~C10接补偿片如图3-5所示。
在全桥测量时必须把前面板上D1DD2接线柱松开，取掉短接片，然后把全桥对角线分别接到A1~A10、C1~C10接线端和B1~B10、D1~D10接线端就可使用如图3-6所示。
1—
显示屏；
2—主电桥电阻平衡电位器；
3—选点开关；
4—主电桥接线端子；
5—分电桥接线端子；
6—分电桥电阻平衡电位器；
7—外接预调平衡箱接口；
8—标定开关；
9—灵敏系数调节电位器；
10—电源开关；
11—电源线
a.半桥接法：
A1~A10
B1~B10
C1~C10
D1~D10
b.全桥接法：
5．工作条件：
1）正常工作条件：
（1）环境温度：
20±
5℃，温度变化速率不超过1℃/小时。
（2）环境湿度：
相对湿度不超过85%。
（3）环境无腐蚀气体。
（4）环境无工频强磁场干扰。
（5）电源电质范围为195~231伏。
2）允许使用环境温度：
0~40
，每变化10
显示，附加误差不超过±
0.5%，零漂附加2με。
3）仪器在使用前需预热30分钟。
6．使用说明
（1）将后面板上的电源开关，标定开关都向下（关闭位置），前面板上测量点选择开关置于R档。
（2）将前面板D1DD2三个接线用三点联接片连接起来，并将接线柱旋紧，把标准电阻接到前面板A、B、C接线柱上旋紧。
（3）把电源线引向220V电源，开启电源开关，这时前面板上数码管应有数字显示，调节前面板上R0电位器，使之显示为00000。
R电位器顺时针旋转时为正，逆时针旋转时数字为负。
（4）预热30分钟后，后面板上标定开关拨向上，调节后面板上灵敏度电位器使显示为10000，灵敏度调整好后，把标定开关拨向下（断开）。
（5）仪器是按K=2设计的当使用的应变片K值不为2时，必须在测量前进行校正，校正方法：
根据应变片的K值，查表3-1，再根据表内K值所对应的标定值，调节灵敏度电位器。
如：
当应变片K=2.1时，查表3-1，K=2.1时标定值为9524，调好后此时K值已经校准，在实测中，所显示的数据不必再进行K值修正。
表3-1灵敏系数与标定值关系
K值
桥
臂电阻
1.9
1.95
2.0
2.05
2.10
2.15
2.20
2.25
120Ω
15526
10256
10000
9756
9524
9302
9091
8889
（6）仪器的前面板选择开关1~10与电位器1~10是相对应的，同时与后面板接线端子1~10测点也是相对应的。
如果测量点在10点之内，使用本机就可以了，如果测点也多于10点，可配用华东电子仪器厂生产的P20R—5型平衡箱。
（7）以上工作完毕，用户可根据需要进行测量，把应变片组成半桥测量或全桥测量，接到后面板的接线端上去。
a.半桥测量：
如图3-5所示，把标准电阻从仪器的A、B、C接线柱上拆下来，因为多点测量时接线柱A、B、C不接任何电阻或应变片，然后把应变片接到后面板对应接线端子中去。
A1~A10、B1~B10接测量片。
B1~B10、C1~C10接补偿片，仪器内RS1，S2作为仪器内半桥，调节对应电桥电位器，使电桥平衡，然后进行测量。
b.全桥测量：
把标准电阻拆下，取下D1DD2三点连接片，把四片应变片组成的测量电桥，如图3-6所示，分别接到后面板接线端子上去，分别调节各路平衡电位器，调好每一个测量点平衡，然后进行测量。
（二）YJ－31型静态电阻应变仪
YJ－３1型静态电阻应变仪主要用于实验应力分析及静态强度研究中测量结构及材料在任意点的应变,其主要特点是将应变仪与平衡箱二者合为一体,携带方便,是大中专院校实验室应力测试仪器最理想的选择。
配上相应的传感器,可以测力、压力、扭矩、位移、温度等物理量,是在研究设计中作非破坏性实验的静态应变及上述各种物理量的测量分析的一种重要工具。
1）应变测量范围：
0～19999με
2）分辨力：
1με/1个字
3）基本误差：
小于测量的±
0.1%±
2个字
4）稳定性:
a.静稳定性（零点漂移）4小时内±
5με
b.动态稳定性（灵敏度变化）2小时内不大于测量上限值的±
0.1%。
3.结构与工作原理
YJ－３1型静态电阻应变仪是利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量变化的测量仪器，应变测量的转换仪器－应变片，若用粘贴剂将应变片牢固地贴在试件上，当被测试件受到外力作用长度发生变化时，粘贴在试件上的应变片的电量值也随着发生了∆Ｒ的变化，这样就把机械量―变形转换成电量（电阻值的变化）。
这个变化量经放大器放大后，通过A/D转换后，就可以直接读出应变值，完成了非电量的测量。
放大器
A/D数字显示
滤波器
测量桥
电压变换器
电源
图3-7静态电阻应变仪原理框图
4.仪表各部分功能说明
1）电源开关---开关向上拨动，表示仪器接通电源，否则关闭（此开关在后面板上）。
2）三芯直流插座-----在直流供电时使用，插座的1#脚为＂＋＂电源、２#脚为＂－＂电源。
3）五芯切换插座--------在测试点大于10点以上时可通过该插座和预调平衡相连接，注意1、2、3、4脚分别与桥路A、B、C、D连接。
4）标定、基零、测量是三位一体琴键互锁开关，按其中一键，表示一种作用，而其它键不起作用。
5）灵敏度电位器：
根据应变片灵敏系数不同，可调节该电位器使仪器灵敏系数与应变片灵敏系数一致。
当灵敏系数为2时，标定值为－10000με，灵敏系数与标定值关系如表3-2所示，当应变片灵敏系数为表1中列出的数值，则用户可根据Kε=K`ε`原理求得相应的标定值，由上述可知。
当K=2.00时,ε=-10000με,在已知K`情况下可得:
表3-2灵敏系数与标定值关系
1.80
1.90
2.00
2.30
2.40
2.50
2.60
11111
10526
9523
8696
8333
8000
7692
调节灵敏度电位器，使仪器显示为ε`值则此时仪器的灵敏系数为K`值。
6）调零电位器:
当测量桥路处于不平衡状态时,调节该电位器使仪器显示为0000或－0000。
7）本机切换开关：
在本机测量时开关置“本机”状态，当10点测量时开关置切换状态。
8）10点转换开关：
当开关置“1”状态，表示第“1”点测量。
当开关置“2”状态，表示第“2”测量。
依次类推，可测量“10”点当开关置“切换”状态可与外接预调平衡箱相连并测试。
5.操作说明
1）半桥测量时将D1DD2接线柱用连接片连接起来并旋紧。
2）将标准电阻分别与A、B、C接线柱相连。
3）接通电源开关。
4）按下“基零”键仪表显示“0000”或“－0000”（仪表内部已调好）。
5）按下“测量”键，显示测量值，将测量值调到“0000”或“－0000”。
6）按下“标定”键仪表显示-10000附近值（内部已调好）。
7）将“本机、切换”开关置“切换”状态。
8）进行多点测量时将被测量应变片分别与对应的A、B、C接线柱相连，而主机的A、B、C接线柱上的标准电阻去掉。
9）多点测量：
切换开关按次序所有点的平衡都调节在0000或-0000值上。
10）测量值记录：
采用逐点测量逐点记录方式。
6．注意事項
1）要求被测量的应变片和温度补偿片的电阻值尽量选用一致，测量片和补偿片上所用的连接导线的线径希望相同，温度特性尽量相同。
2）测量片和补偿片不受阳光暴晒，高温辐射和空气剧烈流动的影响，补偿片应贴在与试件相同的材料上，与测量上保持在相同环境温度，应变片对地，绝缘电阻应在500mλ以上。
3）仪器在测量多点时，接线柱A、B、C上的标准电阻要拆下，以免与各测量桥上应变片相并联而影响测量精度。
4）仪器作全桥测量或者长导线使用时为了提高标定精度，最好使用外标定。
七、测量桥的接法
1.半桥接法：
工作应变片接A、B，温度补偿片接B、C。
用短路铜片将D1DD2三点连接。
2.全桥接法：
将短路铜片取下。
将四个应变分别接到AB、BC、CD、DA上。
八、预调平衡箱
作多点测量时，为切换方便，并且能在加载前对各点都能预调平衡，电阻应变仪通常都配有“预调平衡箱”。
实验三纯弯曲梁正应力测定
1．测定梁在纯弯曲时横截面上的正应力分布，验证平面假设理论和弯曲正应力公式。
2．学习电测应力实验方法。
二、实验设备
1．简支梁及加载装置。
2．YJ-28-P10R型静态数字应变仪；
或YJ-31型静态电阻应变仪。
3．游标卡尺。
三、实验原理
如图3-1所示，求纯弯曲梁上某一截面上各点的应力。
其中
y1=0（中性层）;
y2=10;
y3=10;
y4=15;
y5=15;
y6=20;
y7=20（单位：
mm）
根据弯曲梁的平面假设沿着梁横截面高度的正应力分布规律应当是直线。
为了验证这一假设，我们在梁的纯弯曲段内粘贴7片电阻应变片：
1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#，离中性层的距离在图中已标出，由应变仪测出读数即知道沿着梁横面高度的正应力分布规律。
材料力学中还假设梁的纯弯曲段是单向应力状态，为此在梁的上或下表面粘贴8#应变片，可测得
，根据
，式中μ—梁材料的泊松比。
可由
计算得到μ'
当μ近似等于μ'
时,则证明梁在弯曲时是近似于单向应力状态的。
即梁的纵向纤维间无挤压的假设成立。
四、实验步骤
1．用游标卡尺测量尺寸，将梁放在实验台的两个支点上，用钢尺量梁的支点至力点的距离d。
2．将各点的应变片和温度补偿片以半桥的形式接入YJ-28-P10R型静态数字应变仪。
被测应变片接在AB上，补偿片接在BC上。
3．仪器操作步骤：
根据选择的仪器型号在实验三中见电阻应变仪介绍。
1）用半桥单臂接法，接入被测试件的导线，Y1~Y7，被测试件导线接A1~A7、B1~B7补偿片接B1~B7、C1~C7。
被测点6421357
接线端子1234567
2）分别调（1~7点）电阻平衡。
面板显示为0000（每次转换一个测量点，必须稳定2分钟后再调平衡或读出测量值）。
3）采用增量法加载，每次0.5kN。
注意不能超载。
0.5kN初载荷调零
1.0kN
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