試驗(yàn)一 彈性模量和泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)

1、試驗(yàn)一 彈性模量和泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)彈性模量和泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)大綱1. 通過(guò)材料彈性模量和泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握測(cè)定材料變形的基本方法，學(xué)會(huì)擬定實(shí)驗(yàn)加載方案，驗(yàn)證虎克定律。2. 電測(cè)材料的彈性模量和泊松比，使學(xué)生學(xué)會(huì)用電阻應(yīng)變計(jì)和電阻應(yīng)變儀測(cè)量材料的變形。主要設(shè)備：材料試驗(yàn)機(jī)或多功能電測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置；主要耗材：低碳鋼拉伸彈性模量試樣，每次實(shí)驗(yàn)1根。拉伸彈性模量（E）及泊松比（）的測(cè)定指導(dǎo)書(shū)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 、用電測(cè)法測(cè)量低碳鋼的彈性模量 E 和泊 松比 2 、在彈性范圍內(nèi)驗(yàn)證虎克定律二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 、電子式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)2&#

2、160;、XL 2101C 程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀3 、游標(biāo)卡尺三、實(shí)驗(yàn)原理和方法測(cè)定材料的彈性模量 E ，通常采用比例極限內(nèi)的拉伸試驗(yàn)，材料在比例極限內(nèi)服從虎克定律，其關(guān)系式為 : （ 1-1）由此可得 （ 1-2 ）式中： E ：彈性模量P ：載荷S0 ：試樣的截面積： 應(yīng)變 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 。實(shí)驗(yàn)方法如圖 1-1所示，采用矩形截面

3、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(jì)，可以用半橋或全橋方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(jì)（簡(jiǎn)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(bǔ)償片接到應(yīng)變儀的 B、C 接線端上，然后給試件緩慢加載，通過(guò)電阻應(yīng)變儀即可測(cè)出對(duì)應(yīng)載荷下的軸向應(yīng)變值（或橫向應(yīng)變值）。再將實(shí)際測(cè)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(bǔ)償片按圖1-1中（a

4、)( 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(guò)電 阻應(yīng)變儀即可測(cè)出對(duì)應(yīng)載荷下的軸向應(yīng)變值（或垂直于軸向），將所測(cè)得的值代入（1-2）式中，即可求得彈性模量 E 之值。在實(shí)驗(yàn)中，為了盡可能減少測(cè)量誤差，一般采用等增量加載法，逐級(jí)加載，分別測(cè)得各相同載荷增量 P 作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽?#160;，并求出 的平均值，這樣由（ 1-2）式可以 寫(xiě)成 （ 

5、1-3）式中，  為實(shí)驗(yàn)中軸向應(yīng)變?cè)隽康钠骄?。這就是等量加載法測(cè) E 的計(jì)算公式。圖 1-9 測(cè)定  的貼片及接線方案等量加載法可以驗(yàn)證力與變形間的線性關(guān)系。若各級(jí) 載荷的增量 P 均相等，相應(yīng)的由應(yīng)變儀讀出的應(yīng)變?cè)隽?#160;也應(yīng)大致相等，這就驗(yàn)證了虎克定律。測(cè)定泊 松比值。受拉試件的軸向伸長(zhǎng)，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(duì)值即為材料的泊 松比，通常用表示。 （ 1-4）四、實(shí)驗(yàn)步驟1&

6、#160;、測(cè)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(jì)的試件安裝在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置上。2 、根據(jù)采用半橋或 全橋的測(cè)試方式，相應(yīng)地把要測(cè)的電阻應(yīng)變計(jì)和溫度補(bǔ)償片接在智能靜態(tài)應(yīng)變儀接線柱上。3 、打開(kāi)靜態(tài)應(yīng)變儀電源，預(yù)熱20分鐘，設(shè)定好參數(shù)。4 、實(shí)驗(yàn)采用試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)加載，先對(duì)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(duì)零位，然后分級(jí)遞增相等的載荷 P  20N ，分 5 級(jí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加載，從荷載

7、開(kāi)始，依次按 120N 、 140N 、 160N 、 180N 、 200N 進(jìn)行加載，記錄下每級(jí)加載后應(yīng)變儀上相應(yīng)的讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)至少進(jìn)行兩次，取線性較好的一組作為本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別算出算術(shù)平均值，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 N180 N200 N100N橫向應(yīng)變載荷120 N140 N160 N180 N200 N100N實(shí)驗(yàn)二 圓柱狀金屬拉伸試樣硬化現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)對(duì)預(yù)

8、變形的試件進(jìn)行正向加載，使學(xué)生加深理解包申格效應(yīng)。 二、實(shí)驗(yàn)原理 很多金屬材料因?yàn)橛懈叩膹?qiáng)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(qiáng)度直接相關(guān)，一般都按材料強(qiáng)度進(jìn)行工程構(gòu)件設(shè)計(jì)。在工程實(shí)際中，屈服強(qiáng)度是描述金屬材料力學(xué)性能的重要參數(shù)。然而，屈服強(qiáng)度會(huì)隨著加載歷史的不同而有所變化。許多金屬材料經(jīng)過(guò)某一個(gè)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(qiáng)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(duì)于產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義。 三、實(shí)驗(yàn)儀器和材料 1、電子式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)2 、圓

9、柱狀標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣2根3 、游標(biāo)卡尺為了容易進(jìn)行軸向拉伸及壓縮實(shí)驗(yàn)，把試件加工成如圖1 所示的形狀。圖2-1試件標(biāo)距長(zhǎng)度為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，直徑大約為10mm ， 圖1.試件形狀及尺寸(mm) 四、實(shí)驗(yàn)方法和步驟 將試樣打標(biāo)距，測(cè)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伸長(zhǎng)曲線。獲得相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(jì)算，由第一根的載荷伸長(zhǎng)曲線獲得），對(duì)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

10、記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1試件的應(yīng)力應(yīng)變-曲線； 2分析試件在沒(méi)有預(yù)變形和有不同預(yù)變形后的屈服強(qiáng)度的變化； 六、問(wèn)題討論討論減小或消除包申格效應(yīng)的方法。 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度試樣1試樣2試樣3實(shí)驗(yàn)三 材料切變模量G的測(cè)定材料的切變模量G，是計(jì)算構(gòu)件扭轉(zhuǎn)變形的基本參數(shù)，測(cè)定切變模量的方法有很多種，我們主要介紹電測(cè)法測(cè)定切邊模量G一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解電阻應(yīng)變測(cè)試方法測(cè)定材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的剪切彈性模量G的方法2、 測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備1

11、、 XL 2101C 程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀一臺(tái)2、 電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)三、 實(shí)驗(yàn)原理和方法依照國(guó)標(biāo)GB1012888的規(guī)定，材料扭轉(zhuǎn)時(shí)，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變成線性比例關(guān)系范圍內(nèi)剪應(yīng)力，與剪應(yīng)變之比稱剪切彈性模量或切邊模量，以G表示即上式中的和均由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其方法如下：1、的測(cè)定在圓柱形試樣的前后表面A、C兩點(diǎn)處分別貼應(yīng)變片式中：為圓管的抗扭截面系數(shù)2、的測(cè)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，薄臂圓筒上任意一點(diǎn)均為純剪切應(yīng)力狀態(tài)如圖根據(jù)廣義虎克定律 由此，由可得實(shí)驗(yàn)采用等量逐級(jí)加載法，設(shè)各級(jí)扭矩增量為，應(yīng)變儀讀數(shù)增量為，從每級(jí)加載采用同

12、樣的方法測(cè)試材料的剪切模量n次，則四、 實(shí)驗(yàn)步驟1、 組橋接線2、 采用分級(jí)加載法，先預(yù)加100Nm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4、 分別記錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)四 金屬材料布氏硬度實(shí)驗(yàn)五 金屬材料洛氏、維氏硬度實(shí)驗(yàn)一、【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1.了解布氏、洛氏、維氏硬度測(cè)定的基本原理及應(yīng)用范圍。2.了解布氏、洛氏硬度機(jī)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(diǎn)，選定測(cè)定硬度的方法。二、【實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試樣】設(shè)備： HBRV-187.5型布洛維硬度計(jì)試樣：45#50×1220#15×13T1020×1265

13、Mn30×1040cr16×14灰口鑄鐵10× 載物臺(tái)放置試樣的地方；2) 升降絲桿使載物臺(tái)能上升或下降；3) 手輪使絲桿產(chǎn)生上下移動(dòng)；4) 壓頭壓頭由淬火后的鋼球制成，鋼球的直徑有2.5，5，20mm三種；5) 指示燈用于表示加載荷過(guò)程；6）加荷按鈕用于施加載荷； 7）壓緊螺釘用于固定時(shí)間定位器；8) 時(shí)間定位器用于控制加載時(shí)間9) 載荷砝碼用砝碼可組成187.5、250、750、1000、3000kgf的載荷。三、布氏硬度試驗(yàn)（一）試驗(yàn)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(shí)間后卸除壓力，于是在試

14、件表面留下壓痕，單位壓痕表面積上所承受的平均壓力即定義為布氏硬度值，用表示，（圖省略）式中 P施加的載荷，單位為；D壓頭直徑，單位為；d壓痕直徑，單位為上式表明，當(dāng)壓力和壓頭直徑一定時(shí)，壓痕直徑越大，則布氏硬度越低，即材料的變形抗力越?。环粗?，布氏硬度值越高，材料的變形抗力越高。試驗(yàn)時(shí)，如果壓頭直徑、載荷根據(jù)試樣選擇故已知，只要測(cè)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(guò)程中，應(yīng)盡量避免試樣受熱及冷加工對(duì)硬度測(cè)試的影響。4. 布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，壓痕中心到試樣邊緣

15、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?yàn)規(guī)范】 表1.1布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范金屬類別布氏硬度(HB)試件厚度(mm)壓頭直徑D(mm)載荷P(kgf)K載荷保持時(shí)間(S)注鋼鐵>140>663<31052.53000750187.53010<140>663<31052.5100025062.51010有色金屬及其合金>130>663<31052.53000750187.5301036130>663<31052.5100025062.51030銅、黃銅、青銅、鋁、鎂合金等835>663&

16、lt;31052.525062.515.6252.560純銅、鉛、錫合金、軸承合金等（三）實(shí)驗(yàn)步驟 據(jù)試驗(yàn)材料和試樣厚度按表 1-1布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范選擇球體直徑D、試驗(yàn)力F的大小和試驗(yàn)力作用保持的時(shí)間。并用無(wú)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(tái)上，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)升降手輪，使試樣測(cè)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(kāi)電源開(kāi)關(guān)，待電源指示燈亮后，再啟動(dòng)按鈕開(kāi)關(guān)，當(dāng)加荷指示燈明亮?xí)r，表示試驗(yàn)力開(kāi)始加上，此時(shí)立即擰緊定時(shí)壓緊螺釘，即自動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，達(dá)到預(yù)定加力時(shí)間后，轉(zhuǎn)動(dòng)即自行停止。 驗(yàn)證壓痕對(duì)組織

17、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(jìn)行比較。關(guān)閉電源，反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)手輪，使工作臺(tái)下降，取下試樣。用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量壓痕直徑d，用所得結(jié)果從有關(guān)對(duì)照表中查找相應(yīng)的硬度值。 四、洛氏硬度試驗(yàn) （一）試驗(yàn)原理洛氏硬度實(shí)驗(yàn)是將壓頭在一定壓力下壓入被測(cè)材料的表面，直接測(cè)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(diǎn)。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(cè)洛氏硬度時(shí)先加預(yù)載荷(一般為)，然后再加主載荷，所加的總載荷大小，視被測(cè)材料的軟硬而定;洛氏硬度的計(jì)算公式為（圖省略） (4.6)其中 洛氏硬度；常數(shù)，用金剛石圓錐壓頭時(shí)為

18、，用鋼球壓頭時(shí)為；加預(yù)載荷時(shí)產(chǎn)生的壓痕深度；卸除主載荷但保留預(yù)載荷時(shí)的壓痕深度；常數(shù)，為，即壓頭每壓入深度，相當(dāng)于個(gè)計(jì)量單位。（二）試樣技術(shù)條件洛氏硬度試驗(yàn)因壓痕小，故試樣要求表面光滑、無(wú)氧化皮、凹坑和明顯的加工痕跡，試驗(yàn)面的粗糙度不應(yīng)低于0.8um。同樣，試樣在加工過(guò)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(yàn)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(shí)驗(yàn)規(guī)范標(biāo)尺硬度符號(hào)壓頭類型初始載荷主載荷總載荷測(cè)量硬度范圍應(yīng)用舉例頂角為的金剛石圓錐體2088硬質(zhì)合金、硬化薄鋼板、表面薄層硬化鋼鋼球20100低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵頂角為的金剛石圓錐體2070淬火鋼、高硬度鑄件、珠光體可鍛鑄鐵（三）實(shí)驗(yàn)步驟 1、試驗(yàn)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(tái)的選擇及安裝：根據(jù)試樣形狀及尺寸選用合適的試臺(tái)；（3） 總試驗(yàn)力的預(yù)選：試驗(yàn)力的變換務(wù)必在試驗(yàn)前完成；2、洛氏硬度計(jì)的測(cè)試程序（1） 插上電源，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，使其在投影屏上能看到清晰的影像；（2） 根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)需要選擇試驗(yàn)力，轉(zhuǎn)動(dòng)變換旋鈕使所需試驗(yàn)力對(duì)正標(biāo)記；（4） 將手柄推向后方，再將試樣放在石臺(tái)上，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使試樣的試面與壓頭接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使試樣繼續(xù)升高，讓基線與左邊刻度