【力學(xué)課件】材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)課程的重要組成部分?？茖W(xué)史上許多重大發(fā)明是依靠科學(xué)實(shí)驗(yàn)而得到的，材料力學(xué)中的一些理論和公式也是建立在實(shí)驗(yàn)、觀察、推理、假設(shè)的基礎(chǔ)上，它們的正確性還必須由實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。學(xué)生通過做實(shí)驗(yàn)，用理論來解釋、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又以實(shí)驗(yàn)結(jié)果來證明理論，互相印證，以達(dá)到鞏固理論知識(shí)和學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)方法的雙重目的。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容。 一、測定材料的力學(xué)性質(zhì)。材料的力學(xué)性質(zhì)通常是通過拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、斷裂韌性測試等試驗(yàn)來測定的。通過這些試驗(yàn)，學(xué)會(huì)測量材料力學(xué)性能的基本方法。在工程上，各種材料的力學(xué)性能是設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)不可缺少的依據(jù)。 二、驗(yàn)證理論公式的正確性。在理論分析中，將實(shí)際問題抽象為理想模型，并做出某些科學(xué)假設(shè)（如彎曲中的平截面假定等），使問題簡化，從而推出一般性結(jié)論和公式，這是理論研究中常用的方法。但是這些假設(shè)和結(jié)論是否正確，理論公式能否應(yīng)用于實(shí)際之中，必須通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。 三、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析。在工程實(shí)踐中，很多構(gòu)件的形狀和受載情況比較復(fù)雜，單純依靠理論計(jì)算不易得到正確的結(jié)果，必須用實(shí)驗(yàn)的方法來了解構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律，從而解決強(qiáng)度問題，這種辦法稱為實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析。目前實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的方法很多，這里只介紹應(yīng)用較廣的電測法。 實(shí) 驗(yàn) 須 知1實(shí)驗(yàn)前必須預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中相關(guān)的內(nèi)容，了解本次實(shí)驗(yàn)的目的、要求及注意事項(xiàng)。2按預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間準(zhǔn)時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，不得無故遲到、早退、缺席。3進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，不得高聲喧嘩和擅自亂動(dòng)儀器設(shè)備，損壞儀器要賠償。4保持實(shí)驗(yàn)室整潔，不準(zhǔn)在機(jī)器、儀器及桌面上涂寫，不準(zhǔn)亂丟紙屑，不準(zhǔn)隨地吐痰。5實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守操作步驟和注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)中，若遇儀器設(shè)備發(fā)生故障，應(yīng)立即向教師報(bào)告，及時(shí)檢查，排除故障后，方能繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。6實(shí)驗(yàn)過程中，若未按操作規(guī)程操作儀器，導(dǎo)致儀器損壞者，將按學(xué)校有關(guān)規(guī)定進(jìn)行處理。7實(shí)驗(yàn)過程中，同組同學(xué)要相互配合，認(rèn)真測取和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；8實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將儀器、工具清理擺正。不得將實(shí)驗(yàn)室的工具、儀器、材料等物品攜帶出實(shí)驗(yàn)室。9實(shí)驗(yàn)完畢，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)教師認(rèn)可后方能離開實(shí)驗(yàn)室。10實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求字跡端正、繪圖清晰、表格簡明、實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確。目 錄一、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 4實(shí)驗(yàn)一 低碳鋼和鑄鐵拉伸實(shí)驗(yàn) .4 實(shí)驗(yàn)二 低碳鋼和鑄鐵壓縮實(shí)驗(yàn) .13實(shí)驗(yàn)三 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn) .16實(shí)驗(yàn)四 切變模量G的測定 24實(shí)驗(yàn)五 梁的彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn) .27實(shí)驗(yàn)六 主應(yīng)力實(shí)驗(yàn) .30實(shí)驗(yàn)七 壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn) .33二、綜合實(shí)驗(yàn) 37實(shí)驗(yàn)一 粘貼電阻應(yīng)變片實(shí)驗(yàn) .37 實(shí)驗(yàn)二 偏心拉伸實(shí)驗(yàn) .39實(shí)驗(yàn)三 沖擊實(shí)驗(yàn) .42實(shí)驗(yàn)四 靜不定梁實(shí)驗(yàn) 44實(shí)驗(yàn)五 等強(qiáng)度梁應(yīng)變測定實(shí)驗(yàn) .45實(shí)驗(yàn)六 測定彈性常數(shù)及未知重量實(shí)驗(yàn) .52實(shí)驗(yàn)七 動(dòng)應(yīng)力實(shí)驗(yàn) .56實(shí)驗(yàn)報(bào)告 57一、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)材料機(jī)械性能的最基本的實(shí)驗(yàn)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解試驗(yàn)設(shè)備萬能材料試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造和工作原理，掌握其操作規(guī)程及使用時(shí)的注意事項(xiàng)。2測定低碳鋼的屈服極限(流動(dòng)極限)s,強(qiáng)度極限b、伸長率、斷面收縮率。3測定鑄鐵的強(qiáng)度極限b。4觀察以上兩種材料在拉伸過程中的各種現(xiàn)象，并利用自動(dòng)繪圖裝置繪制拉伸圖 （P一曲線）。5比較低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）拉伸時(shí)的機(jī)械性質(zhì)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和量具1量具：游標(biāo)卡尺、鋼尺、分規(guī)。2設(shè)備：萬能材料試驗(yàn)機(jī)。圖1-1 液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)外形圖 下面將萬能材料試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造、工作原理及操作規(guī)程介紹如下：在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，最常用的機(jī)器是萬能材料試驗(yàn)機(jī)。它可以做拉伸、壓縮、剪切、彎曲等試驗(yàn)，故習(xí)慣上稱它為萬能材料試驗(yàn)機(jī)，簡稱為全能機(jī)。全能機(jī)有多種類型。這里僅對(duì)常用的兩種類型介紹如下： 1）WE10型液壓擺式萬能材料試驗(yàn)機(jī)WE10型液壓擺式萬能材料試驗(yàn)機(jī)的外形如圖11，它的構(gòu)造原理示意圖如圖圖1-2 液壓擺式萬能材料試驗(yàn)機(jī)原理示意圖（1）加力部分 在試驗(yàn)機(jī)的底座上，裝有兩根固定立柱2，立柱支承著固定橫梁3及工作油缸4。當(dāng)開動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)后，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵5，將油箱里的油，經(jīng)送油閥23送至工作油缸4，推動(dòng)其工作活塞6，使上橫梁7、活動(dòng)立柱8和活動(dòng)平臺(tái)9向上移動(dòng)。如將拉伸樣裝于上夾頭10和下夾頭11內(nèi)，當(dāng)活動(dòng)平臺(tái)向上移動(dòng)時(shí)，因下夾頭不動(dòng)，而上夾頭隨著平臺(tái)向上移動(dòng)，則試樣受到拉伸；如將試樣裝于平臺(tái)的承壓座12內(nèi)，平臺(tái)上升時(shí)，則試樣受到壓縮。做拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了適應(yīng)不同長度的試樣，可開動(dòng)下夾頭的電動(dòng)機(jī)使之帶動(dòng)蝸桿、蝸桿帶動(dòng)蝸輪、蝸輪再帶動(dòng)絲桿，可控制下夾頭上、下移動(dòng)，調(diào)整適當(dāng)?shù)睦炜臻g。（2）測力部分 裝在試驗(yàn)機(jī)上的試樣受力后，它受力大小，可在測力盤上直接讀出。試樣受了載荷的作用，工作油缸內(nèi)的油就具有一定的壓力。這壓力的大小與試樣所受載荷的大小成比例。而測力油管將工作油缸與測力油缸14聯(lián)通，則測力油缸就受到與工作油缸相等的油壓。此油壓推動(dòng)測力活塞15，帶動(dòng)測力拉桿，使擺桿21和擺錘16繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。試樣受力愈大，擺的轉(zhuǎn)角也愈大。擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它上面的推桿便推動(dòng)水平齒條17，從而使齒輪帶動(dòng)測力指針旋轉(zhuǎn)，這樣便可從測力度盤上讀出試樣受力的大小。擺錘的重量可以調(diào)換，一般試驗(yàn)機(jī)可以更換三種錘重，故測力度盤上也相應(yīng)有三種刻度，這三種刻度對(duì)應(yīng)著機(jī)器的三種不同的量程。WE10型萬能試驗(yàn)機(jī)有020KN、060KN、0100KN三種測量量程。（3）操作步驟加載前，測力指針應(yīng)指在度盤的“零”點(diǎn)，否則必須加以調(diào)整。調(diào)整時(shí)，先開動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)，將活動(dòng)平臺(tái)升起35mm左右，然后稍旋動(dòng)擺桿上的平衡鉈20，使擺桿保持鉛直位置，再轉(zhuǎn)動(dòng)水平齒條使指針對(duì)準(zhǔn)“零”點(diǎn)。其所以先升起活動(dòng)平臺(tái)才調(diào)整零點(diǎn)的原因，是由于上橫梁、活動(dòng)立柱8和活動(dòng)平臺(tái)等有相當(dāng)大的質(zhì)量，要有一定的油壓才能將它升起。但是這部分油壓并未用來給試樣加載，不應(yīng)反映到試樣載荷的讀數(shù)中去。選擇量程，裝上相應(yīng)的錘重。再一次按方法，校準(zhǔn)“零”點(diǎn)。調(diào)好回油緩沖器的旋鈕，使之與所選的量程相同。 安裝試樣。壓縮試樣必須放置墊板。拉伸試樣則須調(diào)整下夾頭位置，使拉伸區(qū)間與試樣長短適應(yīng)。注意：試樣夾緊后，絕對(duì)不允許再調(diào)整下夾頭，否則會(huì)造成燒毀下夾頭電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重事故。 調(diào)整好自動(dòng)繪圖儀的傳動(dòng)裝置和筆、紙等。 檢查送油、回油閥，一定要注意它們均應(yīng)在關(guān)閉位置。 開動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)，緩緩打開送油閥，用慢速均勻加載。 實(shí)驗(yàn)完畢，立即停車取下試樣。這時(shí)關(guān)閉送油閥，緩慢打開回油閥，使油液泄回油箱，于是活動(dòng)平臺(tái)到原始位置。最后將一切機(jī)構(gòu)復(fù)原，并清理機(jī)器。 （4）注意事項(xiàng) 開車前和停車后，送油閥、回油閥一定要在關(guān)閉位置。加載、卸載和回油均應(yīng)緩慢進(jìn)行。加載時(shí)要求測力指針勻速平穩(wěn)地走動(dòng)，應(yīng)嚴(yán)防送油閥開得過大，測力指針走動(dòng)太快，致使試樣受到?jīng)_擊作用。 拉伸試樣夾住后，不得再調(diào)整下夾頭的位置，以使帶動(dòng)下夾頭升降的電動(dòng)機(jī)燒壞。 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，操縱者必須集中注意力，中途不得離開，以免發(fā)生安全事故。 試驗(yàn)時(shí)，不得觸動(dòng)擺錘，以免影響試驗(yàn)讀數(shù)。 在使用機(jī)器的過程中，如果聽到異聲或發(fā)生任何故障應(yīng)立即停車（切斷電源），進(jìn)行檢查和修復(fù)。三、實(shí)驗(yàn)原理 1為了檢驗(yàn)低碳鋼拉伸時(shí)的機(jī)械性質(zhì)，應(yīng)使試樣軸向受拉直到斷裂，在拉伸過程中以及試樣斷裂后，測讀出必要的特征數(shù)據(jù)（如；PS、Pb、L1、dl）經(jīng)過計(jì)算，便可得到表示材料力學(xué)性能的四大指標(biāo)：s、b、。 2鑄鐵屬脆性材料，軸向拉伸時(shí)，在變形很小的情況下就斷裂，故一般測定其抗拉強(qiáng)度極限b。四、實(shí)驗(yàn)試樣 試樣的各部分名稱如圖l4。 夾持部分用來裝入試驗(yàn)圖1-4 圓形截面試件機(jī)夾具中以便夾緊試樣，過渡部分用來保證標(biāo)距部分能均勻受力，這兩部分的形狀和尺寸，決定于試樣的截面形狀和尺寸以及機(jī)器夾具類型。 標(biāo)距10是待試部分，也是試樣的主體，其長度通常簡稱為標(biāo)距，也稱為計(jì)算長度。 試樣的尺寸和形狀對(duì)材料的塑性性質(zhì)影響很大。為了能正確地比較材料的機(jī)械性質(zhì)，國家對(duì)試樣尺寸作了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定。 拉伸試樣分比例試樣和非比例試樣兩種。比例試樣系按公式計(jì)算而得。式中10為標(biāo)距，A0為標(biāo)距部分原始截面積，系數(shù) K通常為5.65和11.3（前者稱為短試樣，后者稱為長試樣）。據(jù)此，短、長圓形試樣的標(biāo)距長度10分別等于5d010d0。非比例試樣的標(biāo)距與其原橫截面間無上述一定的關(guān)系。 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB22876）將比例試樣尺寸列表如下：試樣標(biāo)距長度L0（mm）橫截面積A0（mm）圓形試樣直徑表示伸長率的 符 號(hào)比例長10d0任意的任意的短5d0 表中d0表示試樣標(biāo)距部分的原始直徑，分別表示標(biāo)距長度L0為d0的10倍或5倍的試樣伸長率。 常用試樣的形狀尺寸、光潔度等可查國家標(biāo)準(zhǔn)GB22876中的附錄一、二。五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟 1低碳鋼試樣的拉伸實(shí)驗(yàn) 1）測定試樣的截面尺寸圓試樣測定其直徑d0的方法是：在試樣標(biāo)距長度的兩端和中間三處予以測量，每處在兩個(gè)相互垂直的方向上各測一次，取其算術(shù)平均值，然后取這三個(gè)平均數(shù)的最小值作為d0；矩形試樣測三個(gè)截面的寬度b與厚度a，求出相應(yīng)的三個(gè)A0，取最小的值作為A0。A0的計(jì)算精確度：當(dāng)A0100mm2時(shí)A0取小數(shù)點(diǎn)后面一位，當(dāng)A0100mm2時(shí)A0取整數(shù)。所需位數(shù)以后的數(shù)字按四舍五入處理。 2）試樣標(biāo)距長度10除了要根據(jù)圓試樣的直徑d0或矩形試樣的截面積A0來確定外，還應(yīng)將其化整到5mm或10mm的倍數(shù)。小于1.5mm的數(shù)值舍去之；等于或大于2.5mm但小于7.5者化整為5mm；等于或大于7.5mm者進(jìn)為10mm。在標(biāo)距長度的兩端各打一小標(biāo)點(diǎn)，此二點(diǎn)的位置，應(yīng)做到使其聯(lián)線平行于試樣的軸線。兩標(biāo)點(diǎn)之間用分劃器等分10格或20格，并刻出分格線，以便觀察變形分布情況，測定延伸率。 3）根據(jù)低碳鋼的強(qiáng)度極限，估計(jì)加在試樣上的最大載荷，據(jù)此選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)器量程（也稱載荷級(jí)）。 每臺(tái)全能機(jī)都有幾個(gè)載荷級(jí)，其刻度范圍均自零至該級(jí)載荷的最大值。由于機(jī)器測力部分本身精確度的限制，每級(jí)載荷的刻度范圍只有一部分是有效的。有效部分的規(guī)律如下： 下限不小于該載荷級(jí)最大值的10，且不小于整機(jī)最大載荷的4。 上限不大于該載荷級(jí)最大值的90。 實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證全部待測載荷均在此范圍之內(nèi)。就本次實(shí)驗(yàn)來說，也就是須保證屈服載荷Ps和極限載荷Pb均在該范圍之內(nèi)。假使機(jī)器有兩個(gè)載荷級(jí)都能滿足要求，則應(yīng)取較小的載荷級(jí)以提高載荷測讀精度。 選定好機(jī)器量程，掛好相應(yīng)擺錘之后就可按一般程序調(diào)整試驗(yàn)機(jī)，安裝試樣，并試車一次，即預(yù)加少量載荷然后卸載，至零點(diǎn)附近。試車的目的是檢查包括自動(dòng)繪圖裝置在內(nèi)的試驗(yàn)機(jī)工作是否正常。 4）試車正常后，正式實(shí)驗(yàn)即可開始。 用慢速加載，使試樣的變形勻速增長。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸速度是：屈服前，應(yīng)力增加速度為10Nmm2s（1kgfmm2s），屈服后，試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)夾頭在負(fù)荷下的移動(dòng)速度不大于0.510min。在試樣勻速變形的過程中，測力盤上的指針起初也是勻速前進(jìn)的，但是，當(dāng)指針停止前進(jìn)或來回?cái)[時(shí)就表明試樣進(jìn)入屈服階段，讀出此時(shí)的最小載荷Ps。借助于試驗(yàn)機(jī)上自動(dòng)繪出的載荷變形曲線可以幫助我們更好的判斷屈服階段的到達(dá)。對(duì)于A3鋼來說，屈服時(shí)的曲線如圖15(a)所示，其中PS上叫做上屈服載荷，與鋸齒狀曲線段最低點(diǎn)相應(yīng)的最小載荷PS下叫下屈服載荷。由于上屈服載荷隨試樣過度部分的不同而有很大差異，而下屈服載荷則基本一致，因此一般規(guī)定以下屈服載荷來計(jì)算屈服極限。有些材料，屈服時(shí)的曲線基本上是一個(gè)平臺(tái)的曲線而不是呈現(xiàn)出鋸齒形狀，如圖15(b)所示。 屈服階段終了以后，要使試樣繼續(xù)變形，就必須加大載荷。這時(shí)載荷變形曲線將開始上升。圖1-5 不同鋼材的屈服圖 材料進(jìn)入強(qiáng)化階段。如果在這一階段的某一點(diǎn)處進(jìn)行卸載，則可以在自動(dòng)繪圖儀上得到一條卸載曲線，實(shí)驗(yàn)表明，它與曲線的起始直線部分基本平行。卸載后若重新加載，加載曲線則沿原卸載曲線上升直到該點(diǎn)，此后曲線基本上與未經(jīng)卸載的曲線重合，這就是冷作硬化效應(yīng)。圖1-6 低碳鋼拉伸圖 隨著實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，載荷變形曲線將前因后果趨平緩。當(dāng)載荷達(dá)到最大Pb之后，測力指針也相應(yīng)地由慢到快地回轉(zhuǎn)。最后試樣斷裂。根據(jù)測得的Pb可以按 計(jì)算出強(qiáng)度極限。 試樣斷后標(biāo)距部分長度11的測量：將試樣拉斷后的兩段在拉斷處緊密對(duì)接起來，盡量使其軸線位于一條直線上。拉斷處由于各種原因形成縫隙，則此縫隙應(yīng)計(jì)入試樣拉斷后的標(biāo)距部分長度內(nèi)。11用下述方法之一測定。 直測法：如拉斷處到鄰近標(biāo)距端點(diǎn)的距離大于103時(shí)，可直接測量兩端點(diǎn)間的長度。 移位法：如拉斷處到鄰近標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于103時(shí)，則可按下法確定11： 在長段上從拉斷處0取基本等于短段格數(shù)，得B點(diǎn)，接著取等于長段所余格數(shù)（偶數(shù)，圖 l7a）之半，得C點(diǎn)；或者取余格數(shù)（奇數(shù)，圖1一7b）減 1與加 1之半，分別得C與C1點(diǎn)，移位后的11分別為AOOB2BC或AOOBBCBC1。 測量了 11，按下式計(jì)算伸長率，即 短、長比例試樣的伸長率分別以5、10表示。 拉斷后縮頸處截面積A1的測定：圓形試樣在縮頸最小處兩個(gè)相互垂直方向上測量其直徑，用二者的算術(shù)平均值作為斷口直徑d1，來計(jì)算其A1。斷面收縮率按下式計(jì)算：圖1-7 斷口移位法示意圖最后，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，按有效數(shù)字的選取和運(yùn)算法則確定所需的位數(shù)，所需位數(shù)后的數(shù)字，按四舍六入五單雙法處理。 2灰鑄鐵試樣的拉伸實(shí)驗(yàn) 灰鑄鐵這類脆性材料拉伸時(shí)的載荷一變形曲線如圖18所示。它不象低碳鋼拉伸那樣明顯可為分線性、屈服、頸縮、斷裂等四個(gè)階段而是一根非常接近直線狀的曲線，并沒有下降段?；诣T鐵試樣是在非常微小的變形情況下突然斷裂的，斷裂后幾乎測不到殘變形。注意到這些特點(diǎn)，可知灰鑄鐵不僅不具有，而且測定它的和也沒有實(shí)際義。這樣，對(duì)灰鑄鐵只需測定它的強(qiáng)度極限就可以了。測定可取制備好的試樣，只測出其截面積A0，然后裝在試驗(yàn)機(jī)上逐漸緩慢加載直到試樣斷裂，記下最后載荷Pb，據(jù)此即可算得強(qiáng)度極限六：思考題 1、由拉伸試驗(yàn)所確定的材料機(jī)械性能數(shù)值有何實(shí)用價(jià)值？ 2、為什么拉伸試驗(yàn)必須采用標(biāo)準(zhǔn)試樣或比例試樣？材料和直徑相同而長短不同的試樣，它們的延伸率是否相同？圖1-8 鑄鐵拉伸圖實(shí)驗(yàn)二 壓縮實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1測定壓縮時(shí)低碳鋼的屈服極限和鑄鐵的強(qiáng)度極限。二、設(shè)備和量具 1萬能材料試驗(yàn)機(jī) 2游標(biāo)卡尺三、實(shí)驗(yàn)原理及步驟 低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試樣一般制成圓柱形，高h(yuǎn)o與直徑do之比在13 的范圍內(nèi)。目前常用的壓縮試驗(yàn)方法是兩端平壓法。這種壓縮試驗(yàn)方法，試樣的上下兩端與試驗(yàn)機(jī)承墊之間會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，它們阻礙著試樣上部及下部的橫向變形，導(dǎo)致測得的抗壓強(qiáng)度較實(shí)際偏高。當(dāng)試樣的高度相對(duì)增加時(shí)，摩擦力對(duì)試樣中部的影響就變得小了，因此抗壓強(qiáng)度與比值hodo有關(guān)。由此可見，壓縮試驗(yàn)是與試驗(yàn)條件有關(guān)的。為了在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)不同材料的抗壓性能進(jìn)行比較，應(yīng)對(duì)hodo的值作出規(guī)定。實(shí)踐表明，此值取在13的范圍內(nèi)為宜。若小于l，則摩擦力的影響太大；若大于3，雖然摩擦力的影響減小，但穩(wěn)定性的影響卻突出起來。 為了保證正確地使試樣中心受壓，試樣兩 端面必須平行及光滑，并且與試樣軸線垂直。實(shí)驗(yàn)時(shí)必須要加球形承墊，如圖21所示，它可位于試樣上端，也可以位于下端。球形承墊的作用是，當(dāng)試樣兩端稍不平行，它可起調(diào)節(jié)作用。低碳鋼試樣壓縮時(shí)同樣存在彈性極限、圖2-1 球型承墊圖比例極限、屈服極限而且數(shù)值和拉伸所得的相應(yīng)數(shù)值差不多，但是在屈服時(shí)卻不象拉伸那樣明顯。 從進(jìn)入屈服開始，試樣塑性變形就有較大的增長，試樣截面面積隨之增大。由于截面面積的增大，要維持屈服時(shí)的應(yīng)力，載荷也就要相應(yīng)增大。因此，在整個(gè)屈服階段，載荷也是上升的，在測力盤上看不到指針倒退現(xiàn)象，這樣，判定壓縮時(shí)的Ps要特別小心地注意觀察。在緩慢均勻加載下，測力指針是等速轉(zhuǎn)動(dòng)的，當(dāng)材料發(fā)生屈服時(shí)，測力指針的轉(zhuǎn)動(dòng)將出現(xiàn)減慢，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的載荷即為屈服載荷Ps。由于指針轉(zhuǎn)動(dòng)速度的減慢不十分明顯，故還要結(jié)合自動(dòng)繪圖裝置上繪出的壓縮曲線中的的拐點(diǎn)來判斷和確定Ps。低碳鋼的壓縮圖（即P一1曲線）如圖22所示，超過屈服之后，低碳鋼試樣由原來的圓柱形逐漸被壓成鼓形，即如圖24。繼續(xù)不斷加壓，試樣將愈壓愈扁，但總不破壞。所以，低碳鋼不具有抗壓強(qiáng)度極限（也可將它的抗壓強(qiáng)度極限理解為無限大），低碳鋼的壓縮曲線也可證實(shí)這一點(diǎn)。圖2-2 低碳鋼壓縮圖 圖2-3 鑄鐵壓縮圖灰鑄鐵在拉伸時(shí)是屬于塑性很差的一種脆性材料，但在受壓時(shí)，試件在達(dá)到最大載荷Pb前將會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，最后被壓成鼓形而斷裂。鑄鐵的壓縮圖（P一1曲線）如圖23所示，灰鑄鐵試樣的斷裂有兩特點(diǎn)：一是斷口為斜斷口，如圖25所示。圖2-4 壓縮時(shí)低碳鋼變形示意圖 圖2-5 壓縮時(shí)鑄鐵破壞斷口二是按Pb/A0求得的遠(yuǎn)比拉伸時(shí)為高，大致是拉伸時(shí)的 34倍。為什么象灰鑄鐵這脆性材料的抗拉坑壓能力相差這么大呢？這主要與材料本身情況（內(nèi)因）和受力狀態(tài)（外因）有關(guān)。鑄鐵壓縮時(shí)沿斜截面斷裂，其主要原因是由剪應(yīng)力引起的。假使測量鑄鐵受壓試樣斜斷口傾角，則可發(fā)現(xiàn)它略大于45o而不是最大剪應(yīng)力所在截面，這是因?yàn)樵嚇觾啥舜嬖谀Σ亮υ斐傻?。四、試?yàn)步驟 1低碳鋼試樣的壓縮實(shí)驗(yàn) l）測定試樣的截面尺寸用游標(biāo)卡尺在試樣高度中央取一處予以測量，沿兩個(gè)互相垂直的方向各測一次取其算術(shù)平均值作為do來計(jì)算截面面積Ao。用游標(biāo)卡尺測量試樣的高度。 2）試驗(yàn)機(jī)的調(diào)整估算屈服載荷的大小，選擇測力度盤，調(diào)整指針對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)，并調(diào)整好自動(dòng)繪圖儀。 3）安裝試樣將試樣準(zhǔn)確地放在試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)平臺(tái)承墊的中心位置上。 4）檢查及試車試車時(shí)先提升試驗(yàn)活動(dòng)平臺(tái)，使試樣隨之上升。當(dāng)上承墊接近試樣時(shí)，應(yīng)大大減慢活動(dòng)臺(tái)上升的速度。注意：必須切實(shí)避免急劇加載。待試樣與上承墊接觸受力后，用慢速預(yù)先加少量載荷，然后卸載接近零點(diǎn)，檢查試驗(yàn)機(jī)包括自動(dòng)繪圖部分）工作是否正常。 5）進(jìn)行試驗(yàn)緩慢均勻地加載，注意觀察測力指針的轉(zhuǎn)動(dòng)情況和繪圖紙上曲線，以便及時(shí)而正確地確定屈服載荷，并記錄之。屈服階段結(jié)束后繼續(xù)加載，將試樣壓成鼓形即可停止。 2鑄鐵試樣的壓縮實(shí)驗(yàn) 鑄鐵試樣壓縮試驗(yàn)的步驟與低碳鋼壓縮試驗(yàn)基本相同，但不測屈服載荷而測最大載荷。此外，要在試樣周圍加防護(hù)罩；以免在試驗(yàn)過程中試樣飛出傷人。五、思考題 1鑄鐵的破壞形式說明了什么？2低碳鋼和鑄鐵在拉伸及壓縮時(shí)機(jī)械性質(zhì)有何差異？ 實(shí)驗(yàn)三 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1測定低碳鋼的剪切屈服極限及剪切強(qiáng)度極限。 2測定鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限。 3觀察并比較低碳鋼及鑄鐵試件扭轉(zhuǎn)破壞的情況。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和量具 1游標(biāo)卡尺 2扭力試驗(yàn)機(jī) 扭力試驗(yàn)機(jī)是一種可對(duì)試樣施加扭矩并能指示出扭矩大小的機(jī)器。它的類型有好多種，構(gòu)造也各有不同。下面介紹兩種常見的扭力機(jī)。 1）K50型扭力試驗(yàn)機(jī) 此種試驗(yàn)機(jī)采用機(jī)械傳動(dòng)加載，用擺式機(jī)構(gòu)測示扭矩。它的量程隨所用擺錘的不同重量而分三種：100Nm（10Kgm）、200Nm（20Kgm）500Nm（50Kgm）；相應(yīng)的精度分別為 0.5N m（0.05Kgm）、1.0N p（0.10Kg m）、2.0N m（020Kg m）。它適用于直徑為 1025mm長度為 100700mm的試件。圖4-1 K50型扭力試驗(yàn)機(jī)外形圖試驗(yàn)機(jī)的外形如圖41所示，其傳動(dòng)系統(tǒng)如圖42所示。其操作步驟如下：圖4-2 K50型扭力試驗(yàn)傳動(dòng)系統(tǒng)圖 （1）檢查試驗(yàn)機(jī)夾頭1、2的形式與試件是否配合；測角度盤15置“0”；檢查自動(dòng)繪圖器工作是否正常。（2）估計(jì)試件所需的最大扭矩，選擇適宜的測力度盤12并配置相應(yīng)的擺錘13。 （3）當(dāng)擺桿保持鉛直時(shí)，測力指針12應(yīng)對(duì)準(zhǔn)“零”點(diǎn)。否則，松開度盤上的螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)度盤使指針對(duì)準(zhǔn)“零”點(diǎn)。再擰緊螺母。 （4）安裝試件先將試件的一端放在固定夾頭2中，搖動(dòng)調(diào)距手柄3，使活動(dòng)夾頭1連同與它在一起的齒輪箱17沿傳動(dòng)主軸8和水平導(dǎo)軸4移動(dòng)，使試件另一端插入活動(dòng)夾頭中后，再予以夾緊。 （5）加載有手搖加載與電動(dòng)加載之分。 手搖加載：將變速桿5放在“空轉(zhuǎn)”位置，搖動(dòng)手搖柄6，帶動(dòng)變速箱中的軸II，使傳動(dòng)主軸8、活動(dòng)夾頭I旋轉(zhuǎn)。通過試件使固定夾頭2也跟著旋轉(zhuǎn)。這樣，與固定夾頭連在一起的擺桿11和擺錘13也就跟著擺起來了，以平衡活動(dòng)夾頭加在試件上的力偶，于是試件便發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，隨受扭矩作用。因此，擺錘力矩就等于試件所承受的扭矩。擺錘在擺起時(shí)推動(dòng)與測力度盤相聯(lián)的齒桿，使齒輪和指針轉(zhuǎn)動(dòng)，于是指針便在測力度盤12上指出試件所受扭矩的大小。電動(dòng)加載：將變速桿5放在“0.3轉(zhuǎn)分”或 1轉(zhuǎn)分”處，此時(shí)，軸I上的兩個(gè)齒輪之一，便通過滑鍵與軸I聯(lián)在一起，開動(dòng)電機(jī)10，經(jīng)三角皮帶動(dòng)軸I、II等傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)試件快速加載。（6）測扭轉(zhuǎn)角傳動(dòng)主軸8除帶動(dòng)活動(dòng)夾頭轉(zhuǎn)動(dòng)外，在它的一端還裝有一個(gè)測角度盤15，用它指示試件轉(zhuǎn)動(dòng)端的絕對(duì)扭轉(zhuǎn)角。測角度盤上的測角指標(biāo)16與試件被動(dòng)端聯(lián) 動(dòng)，因此指標(biāo)桿在度盤上所指數(shù)值便是試件兩端的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。度盤最小刻度為1o，因此只適用于測量大變形。測角度盤上還附有一個(gè)計(jì)數(shù)裝置，可以指出試件扭轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)。 （7）自動(dòng)繪圖如果需要記錄試驗(yàn)過程中扭矩和扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，應(yīng)在加載荷前 調(diào)好自動(dòng)繪圖器的傳動(dòng)裝置、圖紙、筆尖和墨水。筆尖由推動(dòng)測力指針的齒桿帶動(dòng)，而圖紙滾動(dòng)則與傳動(dòng)主軸8聯(lián)動(dòng)。這樣，隨著試驗(yàn)過程的進(jìn)行，筆尖便在圖紙上自動(dòng)地繪出Mn一曲線。曲線上各點(diǎn)的縱坐標(biāo)為扭矩，橫坐標(biāo)為試件轉(zhuǎn)動(dòng)端的絕對(duì)扭轉(zhuǎn)角。 （8）注意事項(xiàng) 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，操作者不得離開。所見異聲或發(fā)生故障，應(yīng)立即停車。 在實(shí)驗(yàn)時(shí)，不得觸動(dòng)擺錘，以免影響測讀扭矩精度。 采用電動(dòng)加載時(shí)，手搖柄必須先取掉，以免其飛出造成事故。 2）NN100A型扭力試驗(yàn)機(jī) 此機(jī)是一種機(jī)械傳動(dòng)加載，擺式機(jī)構(gòu)測扭矩的扭力試驗(yàn)機(jī)。它有三種量程：200Nm（20Kgm）、500Nm（50Kgm）、1000Nm（100Kgm）；相應(yīng)的精度分別為0.4Nm（0.04Kgm）、1.0Nm（0.10Kgm）、2.0Nm（0.20Kgm）。它適用于直徑為1020mm，長度為100600mrn的試件。 試驗(yàn)機(jī)的外形如圖43所示，其測力機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖44所示。其操作步驟如下： （1）檢查試驗(yàn)機(jī)夾頭1、2的形式是否與試件配合，離合器桿4是否放在正確位置上。 （2）根據(jù)試件所需的最大扭矩，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)輪10至相應(yīng)位置，以選擇適當(dāng)?shù)臏y力度盤5。 （3）安裝試件先將試件一端裝在固定夾頭1中，向左移動(dòng)活動(dòng)車頭12并轉(zhuǎn)動(dòng)加載夾頭2，使試件的另一端插人夾頭2中。 （4）旋動(dòng)調(diào)零手輪使測力度盤上的指針對(duì)“零”。 （5）加載也有手動(dòng)和電動(dòng)之分。手動(dòng)加載：將離合器桿調(diào)到中央位置上（即“空車”位置），用手轉(zhuǎn)動(dòng)手輪11加載。圖4-3 NN100型扭力試驗(yàn)機(jī)外形圖 電動(dòng)加載：選用離合器桿可使加載夾頭具有四種轉(zhuǎn)速：7度分、21度分、60度分、180度分。電動(dòng)加載時(shí)，先將離合器桿4調(diào)到所欲用的轉(zhuǎn)速位置上，按下開關(guān)按扭（“正向”、“反向”均可），開動(dòng)電動(dòng)機(jī)6通過變速箱5、齒輪箱3等傳動(dòng)系統(tǒng)，使加載夾頭2順時(shí)針（或逆時(shí)針）傳動(dòng)，試件便產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。試件受力后，固定夾頭就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)不大的角度（不超過 27），與固定夾頭團(tuán)結(jié)在一起的大杠桿也就跟著旋轉(zhuǎn)。無論這種旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針的還是反時(shí)針的，通過反向杠桿、變支點(diǎn)杠桿，總使拉桿下行。拉桿下行的結(jié)果，一方面揚(yáng)起擺錘來平衡加載夾頭加在試樣上的力偶，使試件受到扭矩的作用，另一方面帶動(dòng)撥桿、推桿，使指針旋轉(zhuǎn)，從而在圖4-4 NN100型扭力試驗(yàn)機(jī)測力機(jī)構(gòu)圖1反向杠桿，2變支點(diǎn)杠桿，3拉桿，4擺錘，5撥桿，6推桿，7指針，8限位開關(guān)，9大杠桿，10擺桿，11平衡鉈，12滑架，13調(diào)節(jié)輪，14調(diào)零手輪，15輪，16繩輪表盤上顯示試樣所受的扭矩。如所加扭矩超過了所用的測力量程，則揚(yáng)起的擺桿上的一個(gè)彈簧片就會(huì)使限位開關(guān)動(dòng)作，切斷電源，自動(dòng)停車。（8）注意事項(xiàng)一旦試樣承受了扭矩，即測力指針已經(jīng)走動(dòng)之后，就不允許再改變量程。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，不得觸動(dòng)活動(dòng)車頭。如發(fā)生異常現(xiàn)象，應(yīng)立即停車。三、實(shí)驗(yàn)原理本試驗(yàn)使用圓形截面試件。將試件裝在扭力試驗(yàn)機(jī)上，開動(dòng)機(jī)器，給試件加扭矩。利用機(jī)器上的自動(dòng)繪圖裝置，可以得到Mn一曲線。這Mn一曲線也叫扭轉(zhuǎn)圖。低碳鋼試件的Mn一曲線，如圖45所示。圖中起始直線段OA表明試件在這階段中的Mn與成比例， 截面上的剪應(yīng)力呈線性分布，如圖 46（a）。在 A點(diǎn)處，圖4-5 低碳鋼試件扭轉(zhuǎn)圖Mn 與的比例關(guān)系開始破壞，此時(shí)截面周邊上的剪應(yīng)力達(dá)到了材料的剪切屈服極限，相應(yīng)的扭矩記為MP。 由于這時(shí)截面內(nèi)部的剪應(yīng)力尚小于，故試件仍具有承載能力，Mn曲線呈繼續(xù)上升的趨勢。扭矩超過 MP后，截面上的剪應(yīng)力分布發(fā)生變化，如圖 46（b）。在截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀塑性區(qū)，并隨著Mn的增長，塑性區(qū)逐步向中心擴(kuò)展，Mn曲線稍微上升，直到B點(diǎn)趨于平坦，截面上各材料完全達(dá)到屈服，扭矩度盤上的指針幾乎不動(dòng)或擺動(dòng)，此時(shí)測力度盤上指示出的扭矩或指針擺動(dòng)的最小值即為屈服扭矩Ms。如圖46（C），根據(jù)靜力平衡條件，可以求得與Ms的關(guān)系為：將式中dA用環(huán)狀面積元素表示，則有（41）故剪切屈服極限式中是試件的抗扭截面模量。圖4-6 截面上剪應(yīng)力分布圖 繼續(xù)給試件加載，試件再繼續(xù)變形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化。當(dāng)達(dá)到Mn一曲線上的C點(diǎn)時(shí)，試件被剪斷。由測力度盤上的被動(dòng)計(jì)可讀出最大扭矩Mb，與公式（41）相似，可得剪切強(qiáng)度極限 （42） 鑄鐵的Mn一曲線如圖4一7所示。從開始受扭，直到破壞，近似為一直線，按彈性應(yīng)力公式，其剪切強(qiáng)度極限： （43）圖4-7 鑄鐵的扭轉(zhuǎn)圖 試件受扭，材料處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)，在垂直于桿軸和平行于桿軸的各平面上作用著剪應(yīng)力，而與桿軸成45角的螺旋面上。則分別只作用著、的正應(yīng)力，如圖圖4-8 試沖受扭的應(yīng)力分布圖48所示。 由于低碳鋼的抗拉能力高于抗剪能力，故試件沿橫截面剪斷，而鑄鐵的抗拉能力低于抗剪能力， 故試件從表面上某一最弱處，沿與軸線成45方向拉斷成一螺旋面。四、試驗(yàn)步驟 1用游標(biāo)卡尺測量試件直徑，求出抗扭截面模量Wn。在試件的中央和兩端共三處，每處測一對(duì)正交方向，取平均值作該處直徑，然后取三處直徑最小者，作為試件直徑d，并據(jù)此計(jì)算Wn。 2根據(jù)求出的Wn、估計(jì)試件材料的，求出大致需要的最大載荷，確定所需的機(jī)器量程。3將試件兩端裝入試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)，調(diào)整好繪圖裝置，將指針對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)，并將測角度盤調(diào)整到零。4用粉筆在試件表面上畫一縱向線，以便觀察度件的扭轉(zhuǎn)變形情況。 5對(duì)于低碳鋼試件，可以先用手動(dòng)（或慢速電動(dòng)加載）緩慢而均勻地加載，當(dāng)測力指針前進(jìn)速度漸漸減慢以至停留不動(dòng)或擺動(dòng)，這時(shí)，它表明的值就是Ms（注意：指針停止不動(dòng)時(shí)間很短，因此要留心觀察）。然后卸掉手搖柄，用電動(dòng)加載（或換成快速電動(dòng)加載）直至試件破壞并立即停車。記下被動(dòng)指針?biāo)傅淖畲笈ぞ?，注意觀察測角度盤的讀數(shù)。 6鑄鐵試件的試驗(yàn)步驟與低碳鋼相同，可直接用電動(dòng)加載，記錄試件破壞時(shí)的最大扭矩值。五、思考題 1低碳鋼與鑄鐵試樣破壞等情況有何不同？為什么。2根據(jù)拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)三種試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析低碳鋼與鑄鐵的機(jī)械性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)四 切變模量G的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測定低碳鋼材料的切變模量G。2驗(yàn)證材料受扭時(shí)在比例極限內(nèi)的剪切虎克定律。二、實(shí)驗(yàn)原理圓軸受扭時(shí)，材料處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)。在比例極限以內(nèi)，材料的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變成正比，即滿足剪切虎克定律：由此可得出圓軸受扭時(shí)的虎克定律表達(dá)式：式中Mn為扭矩10是試件的標(biāo)距長度Ip為圓截面的極慣性矩。通過扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試件逐級(jí)增加同樣大小的扭矩Mn，相應(yīng)地由扭角儀測出相距為10的兩個(gè)截面之間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角增量I。如果每一級(jí)扭矩增量所引起的扭轉(zhuǎn)角增量 i基本相同，這就驗(yàn)證了剪切虎克定律。根據(jù)測得的各級(jí)扭轉(zhuǎn)角增量的平均值，可用下式算出切變模量三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和量具1扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。它的構(gòu)造、工作原理及使用方法見實(shí)驗(yàn)四。2游標(biāo)卡尺。3扭角儀。 鋼在彈性范圍內(nèi)，兩截面間的相對(duì)扭角是非常微小的，用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上的測角裝置是難以精確測讀的。需要具有放大倍數(shù)大、精度高的專門儀器，這種儀器一般稱為側(cè)角儀。 測角儀的種類很多，按其結(jié)構(gòu)來分，有機(jī)械式、光學(xué)式和電子式等。但它們的基本原理是相同的， 都是將試件某截面圖5-1 機(jī)械式扭角儀圓周繞其形心旋轉(zhuǎn)的弧長與其另一截面圓周繞其形心旋轉(zhuǎn)的弧長之差進(jìn)行放大后再測讀。 圖51所示的是一種機(jī)械式測角儀。在試件的A、B兩截面處，分別裝上了測角儀的兩根臂桿AC和BDE，以放大A、B兩截面圓周繞其形心旋轉(zhuǎn)的弧長。如果用千分表來放大、測讀兩臂桿的相對(duì)旋轉(zhuǎn)弧長，那就是機(jī)械式測角儀（如果用鏡片來代替二臂桿，分別用光杠桿放大A、B兩截面圓周旋轉(zhuǎn)的相對(duì)弧長，就成為鏡式測角儀。如果差動(dòng)變壓器替代千分表，可將二臂桿的相對(duì)旋轉(zhuǎn)弧長，以電量訊號(hào)輸出，再接上二次顯示儀表，就是電子式測角儀）。 當(dāng)試件受扭時(shí)，固夾在試件上的AC，BDE桿就會(huì)繞試件軸轉(zhuǎn)動(dòng)，曲桿BDE就會(huì)使安裝在AC桿上的千分表指針走動(dòng)。設(shè)指針走動(dòng)的位移為，千分表推桿頂針處E到試樣的軸線的距離為b，則A、B截面的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為（注意：這樣計(jì)算出來的的單位為弧長）四、實(shí)驗(yàn)步驟1測量試件直徑d。在試件的標(biāo)距內(nèi)，用游標(biāo)卡尺量測中間和兩端等三處直徑，每處測一對(duì)正交方向，取平均值，作為計(jì)算截面極慣性矩IP之用。2擬定加載方案。根據(jù)試樣的直徑d，求出抗扭截面模量Wn，估計(jì)試件材料的剪切比例極限，按下式求出應(yīng)加在試樣上的最小和最大扭矩值：（Mn）min（0.100.20）Wn（Mn）max（0.750.85）Wn材料的強(qiáng)度越高，（Mn）min越應(yīng)取得接近上限，（Mn）max越應(yīng)取得接近下限。對(duì)低碳鋼來說，可?。∕n）min0.10Wn，（Mn）max0.80Wn。至于能從有關(guān)手冊(cè)中查得更好，否則可按=0.80來估計(jì)。根據(jù)擬定的（Mn）min和（Mn）max來選擇扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的使用量程。在（Mn）min和（Mn）max的范圍內(nèi)分45級(jí)進(jìn)行加載，確定每級(jí)的扭矩增量Mn，這增量要使扭角儀有明顯的讀數(shù)變化。3安裝扭角儀和試件。在試件的標(biāo)距兩端，裝上扭角儀。先將試件的一端裝入扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的固定夾頭，然后，將另一端裝入主動(dòng)夾頭，用扳物擰緊夾緊螺栓，防止試驗(yàn)時(shí)打滑。4用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上的手搖裝置，施加扭矩到（Mn）max，與此同時(shí)，檢查扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)和扭角儀的運(yùn)行是否正常，然后卸載到（Mn）min以下少許，處于待令工作狀態(tài)。5測讀數(shù)據(jù)。加載到（Mn）min，讀取扭角儀上的相應(yīng)初讀數(shù)。此后，每加載一級(jí)扭矩增量Mn，讀取相應(yīng)的扭角儀讀數(shù)，直到扭矩加到（Mn）max為止。6結(jié)束工作。測讀完畢，首先取下試件，然后卸下扭角儀。 實(shí)驗(yàn)五 梁的彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測定梁純彎曲時(shí)的正應(yīng)力分布規(guī)律，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證彎曲正應(yīng)力公式。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1、萬能試驗(yàn)機(jī)。 2、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與預(yù)調(diào)平衡箱。 3、游標(biāo)卡尺、鋼尺。三、實(shí)驗(yàn)原理 已知梁受純彎曲時(shí)的正應(yīng)力公式為 式中M為作用在截面上的彎矩，JZ為橫截面對(duì)中性軸Z的慣矩，Y為由中性軸到欲測點(diǎn)的距離。本實(shí)驗(yàn)采用低碳鋼制成的矩形截面梁，在梁承受純彎曲的某一截面上，沿軸向貼上五個(gè)電阻變應(yīng)片，如圖71所示，Rl和R5分別貼在梁的頂部和低部，R2、R4貼在 的位置，R3在中性軸上。當(dāng)梁受彎曲時(shí)，即可測出各點(diǎn)處的軸向應(yīng)變（i=1、2、3、4、5）。由于梁的各層纖維之間無擠壓，根據(jù)單向應(yīng)力狀態(tài)的虎克定律，求出各點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力 為：= E（i=1、2、3、4、5）式中E是梁材料的彈性模量。 這里采用的增量法加載，每增加等量的載荷P，測得各點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽繛?，求出的平均值，依次求出各點(diǎn)的應(yīng)力增量為： = E （71）把與理論公式算出的應(yīng)力增量： = （72）加以比較從而驗(yàn)證理論公式的正確性。從圖 7l的試驗(yàn)裝置可知，M應(yīng)為： （73）四、實(shí)驗(yàn)步驟1、根據(jù)材料的屈服極限，擬定加載方案。 2、選用試驗(yàn)機(jī)測力盤，復(fù)習(xí)試驗(yàn)操作規(guī)程。3、將各工作片、補(bǔ)償片接入預(yù)調(diào)平衡箱，各點(diǎn)預(yù)調(diào)平衡。 圖71 4、檢查及試車 請(qǐng)指導(dǎo)教師檢查后，開始試車。上升試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)。當(dāng)試驗(yàn)機(jī)壓頭接近橫梁時(shí)，減慢上升速度，以防急劇加載，損壞試件。加載至預(yù)定載荷的最大值時(shí)，慢慢卸載，檢查試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)變儀是否處于正常狀態(tài)。 5、進(jìn)行試驗(yàn) 再次預(yù)調(diào)平衡，分級(jí)加載，逐次逐點(diǎn)進(jìn)行測量，記下讀數(shù)，直至最大載荷，測量完畢后，卸載。上述過程重復(fù)兩次，以獲得具有重復(fù)性的可靠試驗(yàn)結(jié)果。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理 1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，逐點(diǎn)算出應(yīng)變?cè)隽科骄荡牍剑?1）求出。 2、根據(jù)公式（73）、（72）計(jì)算各點(diǎn)的理論彎曲應(yīng)力值。 3、實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行比較，求出百分誤差。六、思考題 1、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算是否一致？如不一致，其主要影響因素是什么？2、彎曲正應(yīng)力的大小是否會(huì)受材料彈性系數(shù)E的影響？實(shí)驗(yàn)六 主應(yīng)力實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膌、用實(shí)驗(yàn)方法測定平面應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力的大小及方向。2、學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1、電阻應(yīng)變儀及預(yù)調(diào)平衡箱。2、帶有橫臂的空心圓軸，見圖81。3、游標(biāo)卡尺及鋼尺。 圖81三、原理平面應(yīng)力狀態(tài)下任一點(diǎn)的應(yīng)力有三個(gè)未知數(shù)（主應(yīng)力大小及方向）。應(yīng)用電阻應(yīng)變儀及應(yīng)變花可測得一點(diǎn)沿不同方向的三個(gè)應(yīng)變值，例如圖82所示的三個(gè)方向已知的應(yīng)變、及。根據(jù)這三個(gè)應(yīng)變值可以計(jì)算出主為及的大小和方向。因而主應(yīng)力的方向亦可確定（與主應(yīng)變方向重合）。主應(yīng)力的大小可從各向同性材料的廣義虎克定律求得： （81） 為了方便起見，把三個(gè)已知方向的應(yīng)變、和間隔一定的角度。組成所謂“應(yīng)變花”圖8一3即為常見的“直角應(yīng)變花”。所測得的應(yīng)變分別的、及，即可由下式計(jì)算出主應(yīng)變及的大小和方向： （82）若所測部位主應(yīng)力的方向已知，則只須用兩個(gè)電阻片，使其方向與已知主應(yīng)力方向重合，即可測出主應(yīng)變和，如圖84所示，再用公式（8一1）計(jì)算出主應(yīng)力的大小。圖82 圖83本實(shí)驗(yàn)以圖8一1所示空心圓軸為測量對(duì)象一端固定，另一端裝一固定橫桿，軸與桿的軸線彼此垂直，并且位于水平之內(nèi)。今在橫桿自由端加碼，使軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)與彎曲的組合變形。由扭彎組合理論可知，AA截面的上表面A點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。如圖85所示，其主應(yīng)力與主方向的理論值分別為： 圖85 （83）和 然后將計(jì)算所得主應(yīng)力及主方向理論值與實(shí)測值進(jìn)行比較。四、實(shí)驗(yàn)步驟 1、試件準(zhǔn)備 測量空心圓軸的內(nèi)、外直徑D及d長度L及1，見圖8-1，擬定加載方案。 2儀器準(zhǔn)備 將各電阻片的導(dǎo)線接到應(yīng)變儀的預(yù)調(diào)平行箱上，依次將各點(diǎn)預(yù)調(diào)平衡。 3、進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 根據(jù)加載方案，逐級(jí)加載，逐級(jí)逐點(diǎn)測量并記錄測得數(shù)據(jù)，測量完畢，卸載。以上過程可重復(fù)一次，檢查兩次數(shù)據(jù)是否相同，必要時(shí)對(duì)個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)復(fù)測，以得可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理將整理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填寫在試驗(yàn)報(bào)告的“試驗(yàn)記錄”一欄中。由這些數(shù)據(jù)的、及應(yīng)用（82）和（81）式即可求出A點(diǎn)的主應(yīng)力，并與理論結(jié)果進(jìn)行比較。Error! No bookmark name given.實(shí)驗(yàn)七 壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 觀察和了解細(xì)長桿軸向受壓時(shí)喪失穩(wěn)定的現(xiàn)象.2. 用電測法確定兩端鉸支壓桿的臨界載荷,并與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較. 二、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)歐拉小撓度理論，對(duì)于兩端鉸支的大柔度桿（低碳鋼p=100），壓桿保持直線平衡最大的載荷，保持曲線平衡最小載荷即為臨界載荷，按照歐拉公式可得： 式中，E-材料的彈性模量; I-試件截面的最小慣性矩; L-壓桿長度; -和壓桿端點(diǎn)支座情況有關(guān)的系數(shù)，兩端鉸支桿 =1.當(dāng)壓桿所受的荷載P小于試件的臨界力,壓桿在理論上應(yīng)保持直線形狀，壓桿處于穩(wěn)定平衡狀態(tài).當(dāng)P =時(shí)，壓桿處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定平衡之間的臨界狀態(tài)稍有干擾,壓桿即失穩(wěn)而彎曲,其撓度迅速增加.若以荷載P為縱坐標(biāo),壓桿中點(diǎn)撓度為橫坐標(biāo)，按歐拉小撓度理論繪出的P-圖形即為折線OAB，如圖(b)所示. (a) (b) 圖由于試件可能有初曲率，荷載可能有微小的偏心，以及材料的不均勻等因素,壓桿在受力后就會(huì)發(fā)生彎曲，其中點(diǎn)撓度隨荷載的增加而逐漸增大.當(dāng)P<<時(shí), 增加緩慢。當(dāng)P接近時(shí)，雖然P增加很慢，而卻迅速增大，如OAB。曲線OAB與折線OAB的偏離，就是由于初曲率載荷偏心等影響造成，此影響越大，則偏離也越大。若令桿件軸線為x坐標(biāo)軸，桿件下端為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，則在處橫截面上的內(nèi)力如 圖-(a)為： = 壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書橫截面上的應(yīng)力為 當(dāng)用半橋溫度自補(bǔ)償?shù)姆椒▽㈦娮钁?yīng)變片接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀后，可消除由軸向壓力產(chǎn)生的應(yīng)變讀數(shù)，在應(yīng)變儀上讀數(shù)就是測點(diǎn)處由彎矩M產(chǎn)生的真實(shí)應(yīng)變的兩倍，把應(yīng)變儀讀數(shù)寫為，把真實(shí)應(yīng)變寫為，則=2。桿上測點(diǎn)處的正應(yīng)力為： 由彎矩產(chǎn)生的測點(diǎn)處的正應(yīng)力可表達(dá)為： =所以 =即 由上式可見，在一定的荷載P作用下，應(yīng)變儀讀數(shù)的大小反映了壓桿撓度的大小。所以可用電測應(yīng)變的方法來確定臨界載荷。這只要在壓桿中間截面兩邊貼上電阻應(yīng)變片 圖(a) 按互補(bǔ)償半橋接法接到應(yīng)變儀上，隨著荷載P的增加測得相應(yīng)的應(yīng)變值，繪得P-曲線 圖-(b)，根據(jù)試驗(yàn)曲線作漸近線即得臨界載荷。 (a) (b) 圖二三、試驗(yàn)儀器、裝置與工具 1壓桿試驗(yàn)臺(tái)。 2壓桿試件。 3靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。4游標(biāo)卡尺及鋼皮尺。四、試驗(yàn)方法與步驟 1量取試件尺寸：厚度t ；寬度b ；長度L。量取截面尺寸時(shí)至少要沿長度方向量三個(gè)截面，取其平均值.2計(jì)算試件的臨界載荷，擬定分級(jí)加載方案.3安裝試件.4將電阻應(yīng)變片接入電阻應(yīng)變儀，按電阻應(yīng)變儀操作規(guī)程，調(diào)整儀器及“零”位.5分級(jí)加載，每加一級(jí)載荷，記錄一次應(yīng)變值，當(dāng)應(yīng)變突然變得很大時(shí)，停止加載.重復(fù)試驗(yàn)23次.6測畢，取下試件，整理現(xiàn)場.7根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制P-曲線，作曲線的漸近線確定臨界載荷Pcr值.五、注意事項(xiàng)由于采用杠桿加載，砝碼盤上所加的荷載令其為P*，則試件上所受的荷載P等于P*乘以杠桿比H,加上支座自重（0.7N）.可先繪制P*-曲線，得到P*cr值，然后再換算到值.為了保證試件和試件上所貼的電阻應(yīng)變片都不損壞，可以反復(fù)使用，故本試驗(yàn)要求試件的彎曲變形不可過大，應(yīng)變讀數(shù)控制在1500左右.加載時(shí)，砝碼輕取輕放，嚴(yán)禁用手隨意撳壓加力桿和試件，不允許拿走和旋轉(zhuǎn)限位桿.六、預(yù)習(xí)要求復(fù)習(xí)有關(guān)理論，明確臨界載荷的意義，了解其測試方法.試驗(yàn)中應(yīng)記錄哪些數(shù)據(jù)？如何選取載荷增量？在接近值時(shí)要注意什么？七、問題討論歐拉公式的應(yīng)用范圍.本試驗(yàn)裝置與理想情況有何不同？試驗(yàn)誤差分析.二、綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 粘貼電阻應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.初步掌握常溫用電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)。2.為后續(xù)電阻應(yīng)變測量的實(shí)驗(yàn)做好在試件上粘貼應(yīng)變片、接線、防潮、檢查等準(zhǔn)備工作。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和器材1.常溫用電阻應(yīng)變片，每小組一包20枚。2.數(shù)字式萬用表。3.502粘結(jié)劑（氰基丙烯酸酯粘結(jié)劑）。4.電烙鐵、鑷子、鐵沙紙等工具。5.等強(qiáng)度梁試件，溫度補(bǔ)償塊。6.丙酮、藥棉等清洗器材。7.防潮用硅膠。8.測量導(dǎo)線若干。三、實(shí)驗(yàn)方法和步驟1.選片：在確定采用那種類型的應(yīng)變計(jì)后，用肉眼或放大鏡檢查絲柵是否平行，有否霉點(diǎn)、銹點(diǎn)、用數(shù)字式萬用表測量各應(yīng)變片電阻值，選擇電阻值差在土05歐姆內(nèi)的810枚應(yīng)變片供粘貼用。2.測點(diǎn)表面的清潔處理：為使應(yīng)變計(jì)與被測試件貼得牢,對(duì)測點(diǎn)表面要進(jìn)行清潔處理。首先把測點(diǎn)表面用砂輪，銼刀或砂紙打磨；使測點(diǎn)表面平整并使表面光潔度達(dá)。然后用棉花球蘸丙酮擦洗表面的油污，到棉花球不黑為止。然后用劃針在測片位置處劃出應(yīng)變計(jì)的座標(biāo)線。打磨好的表面，如暫時(shí)不貼片，可涂以凡士林等防止氧化。 如果測量對(duì)象為混凝土構(gòu)件，則須用噴漿方法把表面墊平。然后同樣進(jìn)行表面打磨清洗等工作。此外，在貼片部位，還得先涂一層隔潮層,可采用環(huán)氧樹脂膠或用鋁箔紙，應(yīng)變計(jì)就貼于隔潮底層上。3.貼片：在測點(diǎn)位置和應(yīng)變計(jì)的底基面上，涂上薄薄一層膠水，一手捏住應(yīng)變片引出線，把應(yīng)變計(jì)軸線對(duì)準(zhǔn)座標(biāo)線,上面蓋一層聚乙烯塑料膜作為隔層，用手指在應(yīng)變計(jì)的長度方向滾壓，擠出片下汽泡和多余的膠水，直到應(yīng)變計(jì)與被測物緊密粘合為止。手指保持不動(dòng)約1分鐘后再放開，注意按住時(shí)不要使應(yīng)變片移動(dòng)，輕輕掀開薄膜檢查有無氣泡、翹曲、脫膠等現(xiàn)象，否則需重貼。注意粘結(jié)劑不要用得過多或過少，過多則膠層太厚影響應(yīng)變片性能，過少則粘結(jié)不牢不能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變。圖1 應(yīng)變計(jì)的保護(hù)4.干燥處理：應(yīng)變計(jì)粘貼好后應(yīng)有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度以保證與試件共同變形。此外，應(yīng)變計(jì)和試件間應(yīng)有一定的絕緣度，以保證應(yīng)變讀數(shù)的穩(wěn)定。為此，在貼好片后就需要進(jìn)行干燥處理，處理方法可以是自然干燥或人工干燥。如氣溫在20以上，相對(duì)濕度在55左右時(shí)用502膠水粘貼，采用自然干燥即可。人工干燥可用紅外線燈或電吹風(fēng)進(jìn)行加熱干燥，烘烤時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制距離，注意應(yīng)變計(jì)的溫度不得超過其允許的最高工作溫度,以防應(yīng)變計(jì)底基烘焦損壞。5.接線：應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變儀之間用導(dǎo)線連接。需根據(jù)環(huán)境與試驗(yàn)的要求選用導(dǎo)線。通常靜應(yīng)變測定用雙蕊多股平行線。在有強(qiáng)電磁干擾及動(dòng)應(yīng)變測量時(shí)，需用屏蔽線。焊接導(dǎo)線前，先用萬用電表檢查導(dǎo)線有否斷路，然后在每根導(dǎo)線的兩端貼上同樣的號(hào)碼標(biāo)簽，避免測點(diǎn)多時(shí)造成差錯(cuò)。在應(yīng)變計(jì)引出線下，貼上膠帶紙，以免應(yīng)變計(jì)引出線與被測試件(如被測試件是導(dǎo)電體的話)接觸造成短路。然后把導(dǎo)線與應(yīng)變計(jì)引線焊接在一起，焊接時(shí)注意防止假焊。焊完后用萬用電表在導(dǎo)線另一端檢查是否接通。為防止在導(dǎo)線被拉動(dòng)時(shí)應(yīng)變計(jì)引出線被拉壞，可使用接線端子,接線端子相當(dāng)于接線柱，使用時(shí)先用膠水把它粘在應(yīng)變計(jì)引出線前端,然后把應(yīng)變計(jì)引出線及導(dǎo)線分別焊于接線