試驗一彈性模量和泊松比的測定試驗

1、試驗一彈性模量和泊松比的測定實驗彈性模量和泊松比的測定實驗大綱1. 通過材料彈性模量和泊松比的測定實驗，使學(xué)生掌握測定材料變形的基本方法，學(xué)會擬定 實驗加載方案，驗證虎克定律。2. 電測材料的彈性模量和泊松比，使學(xué)生學(xué)會用電阻應(yīng)變計和電阻應(yīng)變儀測量材料的變形。 主要設(shè)備：材料試驗機或多功能電測實驗裝置；主要耗材：低碳鋼拉伸彈性模量試樣，每次 實驗1根。拉伸彈性模量（E）及泊松比（”）的測定指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康? 、用電測法測量低碳鋼的彈性模量E和泊松比“2 、在彈性范圍內(nèi)驗證虎克定律二、實驗設(shè)備1 、電子式萬能材料試驗機2 、XL 2101C程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀3 、游標(biāo)卡尺三、實驗原理和方法測定

2、材料的彈性模量E ，通常釆用比例極限內(nèi)的拉伸試驗，材料在比例極限內(nèi)服從虎克定 律，其關(guān)系式為：Pc7= Ee = 一易（1-1）由此可得場 4幾（_2 ）式中：E :彈性模量P :載荷So :試樣的截面積£ : 應(yīng)變A P和£分別為載荷和應(yīng)變的增量。由公式（1-2）即可算出彈性模量E o實驗方法如圖1-1所示，釆用矩形截面的拉伸試件，在試件上沿軸向和垂直于軸向的兩 面 各貼兩片 電阻應(yīng)變計，可以用半橋或全橋方式進行實驗。1、半橋接法：把試件兩面 各粘貼的沿軸向（或垂直于軸向）的兩片電阻應(yīng)變計（簡稱工作 片）的兩端分別接在應(yīng)變儀的A、B接線端上，溫度補償片接到應(yīng)變儀的B、C接

3、線 端上，然后給試件緩慢加載，通過電阻應(yīng)變儀即可測出對應(yīng)載荷下的軸向應(yīng)變值（或橫 向應(yīng)變值6橫）。再將實際測得的值代入（1-2）式中，即可求得彈性模量E之值。2、全橋接法：把兩片軸向（或兩片垂直于軸向）的工作片和兩片溫度補償片按圖1-1中（a）（或（b）的接法接入應(yīng)變儀的A 、 B 、 C 、 D接線柱中，然后給試件 緩慢加載，通過電 阻應(yīng)變儀即可測出對應(yīng)載荷下的軸向應(yīng)變值6軸（或垂直于軸向橫）， 將所測得的£值代入（1-2）式中，即可求得彈性模量E之值。在實驗中，為了盡可能減少測量誤差，一般采用等增量加載法，逐級加載，分別測得各相同載荷增量 AP作用下產(chǎn)生的應(yīng)變增量 £，

4、并求出的平均值，這樣由（1-2）式可以寫成氐丁瓦 （1-3）式中，忑為實驗中軸向應(yīng)變增量的平均值。這就是等量加載法測E的計算公式。LJ!r圖1-9測定E、典的貼片及接線方案等量加載法可以驗證力與變形間的線性關(guān)系。若各級載荷的增量AP均相等，相應(yīng)的由 應(yīng)變儀讀出的應(yīng)變增量 £也應(yīng)大致相等，這就驗證了虎克定律。測定泊 松比“值。受拉試件的軸向伸長，必然引起橫向收縮。在彈性范圍內(nèi)，橫向線應(yīng)變£橫和軸向應(yīng)變£軸的比值為一常數(shù)，其比值的絕對值即為材料的泊 松比，通常用“表示。（1-4）四、實驗步驟1 、測量試件的尺寸，將試件兩面沿縱向和橫向各貼一片 電阻應(yīng)變計的試件安裝在電

5、子拉 伸試驗機實驗裝置上。2 、根據(jù)釆用半橋或全橋的測試方式，相應(yīng)地把要測的電阻應(yīng)變計和溫度補償片接在智能 靜態(tài)應(yīng)變儀接線柱上。3 、打開靜態(tài)應(yīng)變儀電源，預(yù)熱20分鐘，設(shè)定好參數(shù)。4 、實驗釆用試驗機自動加載，先對試件預(yù)加初載荷100N左右，用以消除連接間隙等初 始因素的影響，然后記下應(yīng)變儀初始讀數(shù)，當(dāng)作相對零位，然后分級遞增相等的載荷 P = 20N ,分5級進行實驗加載，從荷載開始，依次按120N 、140N 、160N 、180N 、200N進行加載，記錄下每級加載后應(yīng)變儀上相應(yīng)的讀數(shù)。實驗至少進行兩次，取線性較好的一組作為本次實驗的數(shù)據(jù)。五、實驗結(jié)果處理根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，分別算出算術(shù)平均值

6、，再由式 （1-5）和式（1-6）算出相應(yīng)的彈性 模量和泊松比值。表格軸向應(yīng)變載荷120 N140 N160 N180N200 N6。100N橫向應(yīng)變載荷120 N140 N160N180 N200 N6。100N5實驗二圓柱狀金屬拉伸試樣硬化現(xiàn)象、實驗?zāi)康耐ㄟ^對預(yù)變形的試件進行正向加載，使學(xué)生加深理解包申格效應(yīng)。二、實驗原理很多金屬材料因為有高的強度和韌性而被大量應(yīng)用于承載結(jié)構(gòu)，例如輸送石油或天然氣 的管道。結(jié)構(gòu)的尺寸及使用效率跟其材料的強度直接相關(guān)，一般都按材料強度進行工程構(gòu)件 設(shè)計。在工程實際中，屈服強度是描述金屬材料力學(xué)性能的重要參數(shù)。然而，屈服強度會隨 著加載歷史的不同而有所變化。許

7、多金屬材料經(jīng)過某一個方向加載變形后，卸載，再加載， 變形與原方向相同，但其屈服強度有增加現(xiàn)象，這就是包申格效應(yīng)。包申格效應(yīng)是金屬材料 所具有的普遍現(xiàn)象，了解包申格效應(yīng)對于產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和設(shè)計有重要指導(dǎo)意義。三、實驗儀器和材料1、電子式萬能材料試驗機2 、圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣2根3 、游標(biāo)卡尺為了容易進行軸向拉伸及壓縮實驗，把試件加工成如圖1所示的形狀。圖2-1試件標(biāo)距長度為100 nun的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，直徑大約為lOnmi , 圖1.試件形狀及尺 寸（mm）四、實驗方法和步驟將試樣打標(biāo)距，測量截面尺寸。首先將一根試件在軸向拉伸作用下獲得情況下的載荷一伸長曲線。獲得相應(yīng)的力學(xué)性能指 標(biāo)，屈服強度、

8、抗拉強度。然后裝上第二根試樣，根據(jù)第一根試樣加載情況選擇在均勻塑性 變形階段（即強化階段）的某一載荷（利用總預(yù)變形量預(yù)變形量分別為0.5%, 1.2%兩種情況 計算，由第一根的載荷一伸長曲線獲得），對第二根和第三根試樣加載，然后卸載，再加載， 觀察其屈服現(xiàn)象并記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線。五、實驗報告1. 試件的應(yīng)力應(yīng)變-曲線；2. 分析試件在沒有預(yù)變形和有不同預(yù)變形后的屈服強度的變化；六、問題討論討論減小或消除包申格效應(yīng)的方法。實驗表格2-1截面1截面2截面3試樣1直徑12直徑12直徑12平均平均平均試樣2試樣3直徑直徑直徑平均平均平均屈服強度試樣1試樣2試樣3實驗三材料切變模量G的測定材料的切變模量

9、G,是計算構(gòu)件扭轉(zhuǎn)變形的基本參數(shù)，測定切變模量的方法有很多種，我們主要介紹電測 法測定切邊模量G一、實驗?zāi)康?、了解電阻應(yīng)變測試方法測定材料扭轉(zhuǎn)時的剪切彈性模量G的方法2、測定試件材料的剪切彈性模量3、理解剪切彈性模量的定義和變形方式二、實驗設(shè)備1、XL2101C程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀靜態(tài)電阻應(yīng)變儀一臺2、電子扭轉(zhuǎn)試驗機三、實驗原理和方法依照國標(biāo)GB10128-88的規(guī)定，材料扭轉(zhuǎn)時，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變成線性比例關(guān)系范闈內(nèi)剪應(yīng)力r ,與剪應(yīng)變 丫之比稱剪切彈性模量或切邊模量，以G表示即G = -/上式中的r和/均由實驗測定，其方法如卞：1、r的測定在圓柱形試樣的前后表面A、C兩點處分別貼應(yīng)變片270&

10、#39;E式中：用卩為圓管的抗扭截面系數(shù)2、/的測定選擇全橋接線使得應(yīng)變儀產(chǎn)生的讀數(shù)應(yīng)變均由扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力引起則有6 = 2 =，薄臂圓筒上任意一 點均為純剪切應(yīng)力狀態(tài)如圖根據(jù)廣義虎克定律7_45 =巧=Y， %。= 6 =右備專一"（一從詈由此，7=5由g = £可得AT/實驗采用等量逐級加載法，設(shè)各級扭矩增量為/；,應(yīng)變儀讀數(shù)增量為乙，從每級加載G,=采用同樣的方法測試材料的剪切模量n四、實驗步驟1、組橋接線2、采用分級加載法，先預(yù)加lOONm的初載荷檢查裝置和應(yīng)變儀是否正常工作。3、將應(yīng)變儀調(diào)零，然后以 M = lOONm進行分級加載，直至Pmax = 500Nm4、分別

11、記錄島和進行數(shù)據(jù)處理，整理實驗報告。實驗四金屬材料布氏硬度實驗五 金屬材料洛氏、維氏硬度實驗一、【實驗?zāi)康摹?. 了解布氏、洛氏、維氏硬度測定的基本原理及應(yīng)用范圍。2. 了解布氏、洛氏硬度機的主要結(jié)構(gòu)，初步掌握操作方法。3. 根據(jù)不同金屬材料的零件性能特點，選定測定硬度的方法。二、【實驗設(shè)備及試樣】設(shè)備：HBRV-187.5型布洛維硬度計試樣：45#050x1220#015x13T10020x1265M11030x1040cr016x14灰口鑄鐵010x151）載物臺放置試樣的地方；2）升降絲桿使載物臺能上升或下降；3）手輪使絲桿產(chǎn)生上下移動；4）壓頭壓頭由淬火后的鋼球制成，鋼球的直徑有2.5

12、, 5, 20mm三種;5）指示燈用于表示加載荷過程；6）加荷按鈕用于施加載荷；7）壓緊螺釘用于固定時間定位器；8）時間定位器用于控制加載時間9）載荷舷碼用祛碼可組成187.5、250、750、1000、3000kgf的載荷。三、布氏硬度試驗（一）試驗原理用一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面，并在規(guī)定載荷下保持 一定的時間后卸除壓力，于是在試件表面留下壓痕，單位壓痕表面積4上所承受 的平均壓力即定義為布氏硬度值，用冊表示，（圖省略）HP _ P _¥人勁 t£）D- ylD2-d2式中P施加的載荷，單位為切;D壓頭直徑，單位為加叫d壓痕直徑，單位為"上

13、式表明，當(dāng)壓力和壓頭直徑一定時，壓痕直徑越大，則布氏硬度越低，即材 料的變形抗力越小；反之，布氏硬度值越高，材料的變形抗力越高。試驗時，如果壓頭直徑、載荷根據(jù)試樣選擇故已知，只要測出壓痕的直徑便可以求出材 料的布氏硬度值。（二）試樣技術(shù)條件1. 試樣表面應(yīng)平整光潔，不得有氧化皮或油污及明顯的加工痕跡。2. 試樣厚度應(yīng)大于壓入深度的8倍。3. 在試樣制備過程中，應(yīng)盡量避免試樣受熱及冷加工對硬度測試的影響。4. 布氏硬度試驗時，壓痕中心到試樣邊緣的距離不應(yīng)小于壓痕直徑的2.5倍， 相鄰的壓痕中心距離不應(yīng)小于壓痕直徑的3倍?！驹囼炓?guī)范】表1.1布氏硬度試驗規(guī)范金屈類別布氏硬度試件M度圧頭直徑載荷P仏

14、K/）K裁荷保持時注（呦(nun)D(mm)間鋼鐵>140>6<5-3<31052.53000750187.53010<140>6<5-3<31052.5100025062.51010>6103000>130<5-357503010<32.5187.5>6101000銅、黃銅、青有色金屈及36730<5-352501030銅、鋁、鍥合其合金<32.562.5金等>610250純銅、鉛、錫835<5-3562.52.560介金、軸承合<32.515.625金等（三）實驗步驟 據(jù)試驗材料和試

15、樣厚度按表1布氏硬度試驗規(guī)范選擇球體直徑D、試驗力F 的大小和試驗力作用保持的時間。并用無酸汽油清洗其鋼球附著的防銹油，用 棉花或質(zhì)地較軟的紗布擦拭干凈，裝入主軸襯套內(nèi)。 將試樣平穩(wěn)地放在工作臺上，順時針轉(zhuǎn)動升降手輪，使試樣測試表面垂直于 鋼（硬質(zhì)合金）球加力方向，直至試樣與球體緊密接觸手輪空轉(zhuǎn)為止。 打開電源開關(guān)，待電源指示燈亮后，再啟動按鈕開關(guān)，當(dāng)加荷指示燈明亮?xí)r, 表示試驗力開始加上，此時立即擰緊定時壓緊螺釘，即自動開始計時，達到預(yù) 定加力時間后，轉(zhuǎn)動即自行停止。 驗證壓痕對組織硬化的影響，即在規(guī)定兩壓痕中心距離范圍內(nèi)和范圍外打硬 度進行比較。 關(guān)閉電源，反時針方向轉(zhuǎn)動手輪，使工作臺下降

16、，取下試樣。用讀數(shù)顯微鏡 測量壓痕直徑d,用所得結(jié)果從有關(guān)對照表中查找相應(yīng)的硬度值。四、洛氏硬度試驗（一）試驗原理洛氏硬度實驗是將壓頭在一定壓力下壓入被測材料的表面，直接測量壓痕 深度，并根據(jù)壓痕深度定出材料的硬度。這是與布氏硬度定義的主要不同之點。 壓痕越深則硬度值越低，反之則硬度值越高。為保證壓頭與試樣表面接觸良好, 測洛氏硬度時先加預(yù)載荷（一般為98O7N（1OR”），然后再加主載荷，所加的總載荷大小，視被測材料的軟硬而定;洛氏硬度（欣）的計算公式為（圖省略）HR = K-嘰一 XS（4.6）其中HR洛氏硬度；K常數(shù)，用金剛石圓錐壓頭時為I。，用鋼球壓頭時為130;兀加1°如預(yù)

17、載荷時產(chǎn)生的壓痕深度（加叭心卸除主載荷但保留預(yù)載荷時的壓痕深度（詢；S常數(shù)，為00。如，即壓頭每壓入00。如”深度，相當(dāng)于1個計量單位。（二）試樣技術(shù)條件洛氏硬度試驗因壓痕小，故試樣要求表面光滑、無氧化皮、凹坑和明顯的加工 痕跡，試驗面的粗糙度心不應(yīng)低于0.8umo同樣，試樣在加工過程中，不應(yīng)因 受熱或冷加工硬化而改變材料的性能。試樣或試驗層最小厚度應(yīng)不小于壓痕深 度的8倍。表1-2常用三種洛氏硬度實驗規(guī)范標(biāo)尺硬度符號壓頭類型初始載荷F&N主載荷F&N總載荷F&N測呈硬度范圍應(yīng)用舉例AHRA頂角為】2曠的金剛石圓錐體4903588.420 88硬質(zhì)合金、碩化薄鋼板、表而

18、薄層硬化鋼HRB鋼球98.07882.6980.720 100低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵CHRC頂角為】2曠的金剛石圓錐體588.4147120 70淬火鋼、高硬度鑄件、珠光體可鍛鑄鐵（三）實驗步驟1、試驗前的準(zhǔn)備工作（1）試樣的準(zhǔn)備：必須設(shè)法處理使其表面潔凈，光滑；（2）試臺的選擇及安裝：根據(jù)試樣形狀及尺寸選用合適的試臺;（3）總試驗力的預(yù)選：試驗力的變換務(wù)必在試驗前完成；2、洛氏硬度計的測試程序（1）插上電源，打開電源開關(guān)，使其在投影屏上能看到清晰的影像;（2）根據(jù)試驗要求選用壓頭，使其小心安裝在主軸的孔中，再擰緊緊固螺絲釘;（3）根據(jù)試驗需要選擇試驗力，轉(zhuǎn)動變換旋鈕使所需試驗力對正標(biāo)

19、記；（4）將手柄推向后方，再將試樣放在石臺上，轉(zhuǎn)動手輪使試樣的試面與壓頭接 觸，轉(zhuǎn)動手輪，使試樣繼續(xù)升高，讓基線與左邊刻度TOO”接近重合；（5）旋轉(zhuǎn)投影屏下的旋鈕使分化板上的刻度TOO”與投影屏基線重合；（6）拉動手柄，使主試驗力緩緩施加在試樣上，屏上的刻線回行而停在一定位 置；（7）將手柄推向后方，使主力卸除，屏上基線對準(zhǔn)標(biāo)尺的數(shù)字即為洛氏硬度；（8）降下試臺，取出試樣。五、維氏硬度試驗（一）試驗原理將頂部兩相對面具有規(guī)定角度的金剛石正四棱錐壓頭用試驗力壓入試樣表面， 保持規(guī)定時間后，卸除試驗力，測量壓痕對角線長度，以壓痕單位面積的壓力表示（圖省略）（二）試樣技術(shù)條件試樣表面粗糙度：Ra0

20、.4/；試樣最小厚度應(yīng)為壓痕對角線的1.5倍;試驗后試樣背面不應(yīng)出現(xiàn)可見痕跡;小試樣可以鑲嵌；試樣表面應(yīng)平坦，光滑、無氧化皮及外來物。試驗力按規(guī)定選用；試驗力保持時間10S15S,特殊材料可以適當(dāng)延長;任一壓痕中心距試樣邊緣的距離材料與對角線d的關(guān)系鋼、銅、銅合金>2.5d輕金屬、鉛、錫、及其合金>3d相鄰兩壓痕中心的距離材料與對角線d的關(guān)系鋼、銅、銅合金>3d輕金屬、鉛、錫、及其合金>6d兩對角線之差應(yīng)不超過5%,如超過，應(yīng)在報告中注明。（三）實驗步驟維氏硬度與布氏硬度的測試操作方法相同，但取下試樣后須用讀數(shù)顯微對角線的長度（維氏法），再在表中查出硬度值。六、實驗報告要求1確定所給試樣的布氏、洛氏硬度值，并進行誤差分析。2.選用不同的載荷和壓頭，根據(jù)你所測的結(jié)果解釋布氏硬度的相似性原理。七、實驗思考根據(jù)你的實驗結(jié)果，是否可以建立布氏硬度與洛氏硬度之間的關(guān)系，為什么？僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。For personal use only in study and research； not for commercial use.Nur fur den person lichen fur Studien, Forsch u