材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教材

1、內(nèi)容簡介為適應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新，本書把材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)分為材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、電測實(shí)驗(yàn)、綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和光彈性實(shí)驗(yàn)四個(gè)部分。材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)主要是破壞性實(shí)驗(yàn)，其中包括材料拉伸彈性模量測定的機(jī)測實(shí)驗(yàn)；電測實(shí)驗(yàn)部分主要為電測實(shí)驗(yàn)方法和配合更新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備所做的常用的電測實(shí)驗(yàn)，其中包括用電測方法測定拉伸彈性模量和泊松比的實(shí)驗(yàn)；綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要介紹復(fù)合材料的基本實(shí)驗(yàn)方法、電測實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用和殘余應(yīng)力的測試技術(shù)；光彈性實(shí)驗(yàn)主要介紹光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識。本書可作為高等學(xué)校工科本科材料力學(xué)課程的配套教材，作為不單獨(dú)開設(shè)實(shí)驗(yàn)課學(xué)校 使用，也可用于開放實(shí)驗(yàn)室，作為獨(dú)立開課的學(xué)校選用。刖言為提高本科

2、大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和工作實(shí)踐能力，適應(yīng)教育部關(guān)于工科高等學(xué)?；A(chǔ)課力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也為力學(xué)實(shí)驗(yàn)課獨(dú)立開課作準(zhǔn)備，編寫了這本教材。全書共分五章和附錄。第一章為緒論，闡述材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)和地位以及今后的發(fā)展 方向。第二章主要講述材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的材料試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，尤其把最新的電子萬 能材料試驗(yàn)機(jī)的操作納入本教材， 把傳統(tǒng)的由人操作材料試驗(yàn)機(jī)的操作方式改為由人和計(jì)算 機(jī)共同控制材料試驗(yàn)機(jī)的方式， 真正能夠達(dá)到嚴(yán)格按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 另外詳細(xì)介紹了材 料力學(xué)性能測試的實(shí)驗(yàn)方法和幾種破壞性實(shí)驗(yàn)。 第三章主要介紹電測實(shí)驗(yàn)方法， 也主要根據(jù) 學(xué)校自己研制的多功能電測實(shí)驗(yàn)裝置的性能， 編寫所能做的實(shí)驗(yàn)及

3、操作方法。 如果力學(xué)實(shí)驗(yàn) 單獨(dú)開課， 這些實(shí)驗(yàn)也可增加由學(xué)生從自己粘貼應(yīng)變計(jì)到設(shè)計(jì)電測橋路， 到最后實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的 目的。第四章為綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)， 這些實(shí)驗(yàn)主要把學(xué)生在前一階段所學(xué)的知識應(yīng)用到實(shí) 際測試中， 真正做到提高學(xué)生的動(dòng)手能力。 第五章簡單地描述光彈性實(shí)驗(yàn)， 讓學(xué)生了解更多 的實(shí)驗(yàn)方法，拓寬實(shí)驗(yàn)知識。本書承宋顯輝副教授和劉禹欽高級實(shí)驗(yàn)師審閱和指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。 武漢理工大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的李守信、朱京揚(yáng)、吳向春、周麗、張紅旗、謝建雄等教師 參加了本書部分內(nèi)容的編寫工作。限于編者的水平，教材可能有欠妥之處，懇請廣大師生和讀者批評指正。編者2004年5月目錄第一章緒論1-1材料力學(xué)實(shí)

4、驗(yàn)的任務(wù)和地位1-2材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展第二章材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)2-1液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)2-2機(jī)械式萬能材料試驗(yàn)機(jī)2-3電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)2-4扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)2-5引伸計(jì)2-6金屬的拉伸實(shí)驗(yàn)2-7 金屬的壓縮實(shí)驗(yàn) 2-8 拉伸彈性模量 （E） 的測定 2-9 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 2-10 沖擊實(shí)驗(yàn) 2-11 疲勞實(shí)驗(yàn)第三章 電阻應(yīng)變測量技術(shù)3-1 概述3-2 電阻應(yīng)變計(jì)3-3 電阻應(yīng)變儀3-4 測量電橋的接法3-5 彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)3-6 拉伸彈性模量 （E） 及泊松比 （） 的測定3-7 剪切模量 （G） 的測定3-8 彎扭組合變形主應(yīng)力的測定 第四章綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 4-1 復(fù)合材料的拉伸實(shí)驗(yàn) 4-2

5、電阻應(yīng)變計(jì)的粘貼實(shí)驗(yàn)4-3 電阻應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù) K 的測定 4-4 彎扭組合變形下的空心管的內(nèi)力測定 4-5 力傳感器的制作 4-6 壓桿臨界壓力的測定 4-7 偏心拉伸實(shí)驗(yàn)4-8 規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度（ Rp0.2 ）的測定（方法一）4-9 規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度（ Rp0.2 ）的測定（方法二） 4-10 鉆盲孔法測量殘余應(yīng)力 4-11 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量（方法一） 4-12 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量實(shí)驗(yàn)（方法二） 第五章光彈性實(shí)驗(yàn) 5-1 光測彈性儀 5-2 光彈性實(shí)驗(yàn)（演示） 5-3 等色線、等傾線圖的描繪 5-4 材料條紋值的測定參考資料附錄附錄 I 誤差理論和數(shù)據(jù)處理附錄H 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)性能試驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn)

6、簡介附錄山實(shí)驗(yàn)報(bào)告第一章 緒 論1-1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)和地位 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是力學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)分支，是材料力學(xué)的重要組成部分。 力學(xué)實(shí)驗(yàn)一般分為以下三種類型：1、前瞻性實(shí)驗(yàn) ： 引導(dǎo)力學(xué)學(xué)科的發(fā)展。2、礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn) ：支持和建立新的力學(xué)理論，檢驗(yàn)和修正已有的力學(xué)理論。3、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn) ： 為工程設(shè)計(jì)規(guī)范制定提供依據(jù)。一、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)1、面向生產(chǎn)為生產(chǎn)服務(wù)。 根據(jù)正規(guī)生產(chǎn)過程， 科學(xué)設(shè)計(jì)的程序應(yīng)該是： 首先了解工況、 外載荷、設(shè)計(jì)范圍等；其次是選料、設(shè)計(jì)尺寸、強(qiáng)度核算和應(yīng)力分析；然后試生產(chǎn)、現(xiàn)場實(shí) 測、事故分析，經(jīng)過長期觀察，最后才能投產(chǎn)。材料力學(xué)試驗(yàn)在這兒扮演了主要角色。2、面對新技術(shù)新方法的

7、引入，研究新的測試手段。近二十年來由于光學(xué)的大發(fā)展， 光電子學(xué)，光纖的發(fā)展，產(chǎn)生了很多新的光測法，概括可稱為“光力學(xué)”。還有疲勞、斷裂、 細(xì)微尺度力學(xué)實(shí)驗(yàn)等。3、面向材料力學(xué)， 為材料力學(xué)的理論建設(shè)服務(wù)。 材料力學(xué)的一些理論是以某些假設(shè)為 基礎(chǔ)的， 例如桿件的彎曲理論就以平面假設(shè)為基礎(chǔ)。 用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些理論的正確性和適用范 圍，有助于加深對理論的認(rèn)識和理解。 至于對新建立的理論和公式， 用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證更是必不 可少的。實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證、修正和發(fā)展理論的必要手段。二、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的地位1、是材料力學(xué)中新的理論及計(jì)算方法提出的必要前提，用新的理論， 計(jì)算方法所得的結(jié)果要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2、能解決許多理論工作

8、無法解決的工程實(shí)際問題。某些情況下， 例如因構(gòu)件幾何形狀不規(guī)則或受力復(fù)雜等，應(yīng)力計(jì)算并無適用理論。這時(shí)，用諸如電測、光彈性等實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析 方法直接測定構(gòu)件的應(yīng)力， 便成為有效的方法。 對經(jīng)過較大簡化后得出的理論計(jì)算或數(shù)值計(jì) 算，其結(jié)果的可靠性更有賴于實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的驗(yàn)證。3、是材料力學(xué)發(fā)展的三大支柱(新的理論，計(jì)算方法，力學(xué)實(shí)驗(yàn))之一。1-2 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展一、歷史回顧 從發(fā)展史來看，力學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展與理論發(fā)展不同。理論往往是有一個(gè)體系，并不斷發(fā) 展和完善的。而力學(xué)實(shí)驗(yàn)就不同了，它的方法都借助于物理基礎(chǔ)、新概念和新技術(shù)，經(jīng)過 再創(chuàng)造使之為力學(xué)服務(wù)，它不斷更新，形成許多種相對獨(dú)立的方法，如光彈性

9、、電阻應(yīng)變 測量、云紋、聲發(fā)射等。因此，由于力學(xué)實(shí)驗(yàn)的多體系、相對獨(dú)立性、困難性、交叉性、 滲透性和無界性，所以要講材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展史是很困難的。大家一般只知道力學(xué)實(shí)驗(yàn) 近幾十年的情況，對它的過去往往不甚了解。其實(shí)，力學(xué)實(shí)驗(yàn)歷史是很悠久的，可以說與 理論平行。實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐是一樣的，不過一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)在現(xiàn)場。在材料力學(xué)方面又何 嘗不是如此，如果沒有現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，我們的祖先怎可能在沒有理論體系的情況下， 造出那么多出色的建筑，如塔、宮殿、趙州石橋等，至今猶存。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展在西方有記載的首先要算達(dá) .芬奇( Da Vinci )，他既是藝術(shù)家、 科學(xué)家，又是工程師，實(shí)驗(yàn)工作者，他做了梁

10、的彎曲試驗(yàn)。以后就是伽利略( Galileo )， 在他 25 歲時(shí)受聘比薩大學(xué)當(dāng)教授，他做過懸臂梁試驗(yàn)和拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。他是數(shù)學(xué)家、天 文學(xué)家，又是實(shí)驗(yàn)力學(xué)工作者。再以后就是虎克( Hooke),他在1678年發(fā)表彈簧論文， 從而產(chǎn)生了虎克定律，給彈性力學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。以后馬里沃特(Mariotte )的簡支梁試驗(yàn)，伯努里 (Bernoulli) 的懸臂梁試驗(yàn)，歐拉( Euler )的穩(wěn)定試驗(yàn)，庫侖( Coulumb) 的剪切試驗(yàn)， 還有泊松 ( Poisson )，圣維南 ( St.Venant )，柯西( Cauchy) ，納維( Navier )我國是一個(gè)文明古國，有記載的是墨子經(jīng)下篇

11、記有：“發(fā)均懸輕而發(fā)絕，不均也，均 其絕也莫絕。”又說“衡木加重焉而不撓極勝重也。若校交繩無加焉而撓極不勝重也?！?墨子這個(gè)拉伸與彎曲試驗(yàn)比伽利略要早 2000 年。二、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀我國材料力學(xué)方面的論文多偏重于經(jīng)典理論和方法， 缺乏有根據(jù)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 雖 然理論做的很細(xì)很巧， 但不能說是一個(gè)完美的科學(xué)成果。 突破實(shí)驗(yàn)和計(jì)算這兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)應(yīng) 該是我國材料力學(xué)工作更上一層樓的急迫任務(wù)。 材料力學(xué)方面的科研成果如果缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 就是個(gè)不完整的成果，不僅是做零星的、個(gè)別的實(shí)驗(yàn)，而要做大量的、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。三、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展特點(diǎn)1. 速度快。光彈用了 100 年才完善，電測用了 20多年

12、就完善了，全息、散斑、云紋干 涉用了不到 10 年左右就很成熟了。2. 相互滲透。 1960 年全息干涉發(fā)展以后被引用到光彈性中來稱為全息光彈性，用于云 紋法稱為全息云紋等。3. 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的新方法與其他學(xué)科交叉。 比如斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)， 生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)， 復(fù)合 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)等。四、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢1. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)向廣度和深度發(fā)展。 廣度： 例如日益廣泛地應(yīng)用電阻應(yīng)變測量技術(shù)， 使得從 真空到高壓，從深冷到高溫，從靜態(tài)到高頻條件下的應(yīng)變，都可獲得有效的測量數(shù)據(jù)。 又如 把經(jīng)典方法和新興科學(xué)技術(shù)結(jié)合起來 （全息干涉法，全息光彈性法，散斑干涉法， 聲發(fā)射技 術(shù)等），不斷增加測試手段，擴(kuò)大了測量和

13、應(yīng)用范圍，或提高了測試精度。深度：開展宏觀 和微觀相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)研究，深入探索失效機(jī)理和各種影響材料強(qiáng)度因素的規(guī)律性。2. 實(shí)驗(yàn)裝備的自動(dòng)化。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、 分析和控制方面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化。 如大 型動(dòng)載實(shí)驗(yàn)， 已能做到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理， 大大縮短試驗(yàn)周期， 及時(shí)提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)分析數(shù)據(jù) 和圖表。 即使是多年來難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的光彈性儀， 也已出現(xiàn)多種光彈性自動(dòng)測試裝置的方 案。3. 隨著計(jì)算機(jī)及有限元分析和其他數(shù)值分析方法的應(yīng)用，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)正朝著實(shí)驗(yàn)與 計(jì)算相結(jié)合，物理模型與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方向發(fā)展。第二章 材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)2-1 液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)測定材料的力學(xué)性能的主要設(shè)備是材料試驗(yàn)

14、機(jī)。常用的材料試驗(yàn)機(jī)有拉力試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)等。能兼作拉伸、壓縮、剪切、彎曲等多種 實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)稱為萬能材料試驗(yàn)機(jī)。力實(shí)驗(yàn)用的萬能材料試驗(yàn)機(jī)有液壓式、根據(jù)加力的性質(zhì)可分為靜荷試驗(yàn)機(jī)和動(dòng)荷試驗(yàn)機(jī)。供靜機(jī)械式、電子式等類型。下面將著重介紹這三種類型3F圖2-1液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖3 ftM,.IaffftSttfIIiiO 虹AWr的萬能材料試驗(yàn)機(jī)。為介紹液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)，現(xiàn)以國產(chǎn)WE系列為例。圖2-1為這一系列中最常見的WE-IooA 300、600試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖?，F(xiàn)分別介紹其加載系統(tǒng)和測力系統(tǒng)。一、加載系統(tǒng)在底座1上由兩根固定立柱 5和固定橫梁

15、12組成承載框架。工作油缸13固定于框架上。 在工作油缸的工作活塞 14上，支承著由上橫梁 15、活動(dòng)立柱10和活動(dòng)平臺8組成的活動(dòng) 框架。當(dāng)油泵35啟動(dòng)時(shí)，油液通過送油閥 16,經(jīng)送油管17進(jìn)入工作油缸，把工作活塞連 同活動(dòng)平臺一同頂起。這樣，如把試樣安裝于上夾頭7和下夾頭6之間，由于下夾頭固定，上夾頭隨活動(dòng)平臺上升，試樣將受到拉伸。若把試樣置放于兩個(gè)承壓墊板11之間，或?qū)⑹軓澰嚇又梅庞趦蓚€(gè)彎曲支座9上，則因固定橫梁不動(dòng)而活動(dòng)平臺上升，試樣將分別受到壓縮或彎曲。此外，實(shí)驗(yàn)開始前如欲調(diào)整上、下夾頭之間的距離，則可開動(dòng)調(diào)位電機(jī)3,驅(qū)動(dòng)螺桿4,便可使下夾頭上升或下降。但調(diào)位電機(jī)不能用來給試樣施加拉

16、力。二、測力系統(tǒng)加載時(shí)，開動(dòng)油泵電機(jī)，打開送油閥16,油泵把油液送入工作油缸 13頂起工作活塞14 給試樣加載；同時(shí)，油液經(jīng)回油管 18及測力油管33 （這時(shí)回油閥19是關(guān)閉的，油液不能 流回油箱34），進(jìn)入測力油缸 32,壓迫測力活塞31、使它帶動(dòng)拉桿27向下移動(dòng)，從而 迫使擺桿28和擺錘29連同推桿25繞支點(diǎn)偏轉(zhuǎn)。推桿偏轉(zhuǎn)時(shí)，推動(dòng)齒桿24作水平移動(dòng)，于 是驅(qū)動(dòng)示力盤的指針齒輪，使示力指針23繞示力度盤22的中心旋轉(zhuǎn)。示力指針旋轉(zhuǎn)的角度與測力油缸活塞上的總壓力（即拉桿27所受拉力）成正比。因?yàn)闇y力油缸和工作油缸中油壓壓強(qiáng)相同，兩個(gè)油缸活塞上的總壓力成正比（活塞面積之比）。這樣，示力指針的轉(zhuǎn)角

17、便 與工作油缸活塞上的總壓力，亦即試樣所受載荷成正比。經(jīng)過標(biāo)定便可使指針在示力度盤上 直接指示載荷的大小。試驗(yàn)機(jī)一般配有重量不同的擺錘， 可供選擇。 對重量不同的擺錘， 使示力指針轉(zhuǎn)同樣的 轉(zhuǎn)角，所需油壓并不相同，即載荷并不相同。 所以， 示力度盤上由刻度表示的測力范圍應(yīng)與 擺錘的重量相匹配。以 Wm 300試驗(yàn)機(jī)為例，它配有 A B C三種擺錘。擺錘 A對應(yīng)的測力 范圍為060kN, A+ B對應(yīng)0150kN, A+ B+ C對應(yīng)0300kN開動(dòng)油泵電機(jī)， 送油閥開啟的大小可以調(diào)節(jié)油液進(jìn)入工作油缸的快慢，因而可用以控制增加載荷的速度。 開啟回油閥 19，可使工作油缸中的油液經(jīng)回油管 1 8泄

18、回油箱 34，從而卸 減試樣所受載荷。實(shí)驗(yàn)開始前，為消除活動(dòng)框架等的自重影響，應(yīng)開動(dòng)油泵送油，將活動(dòng)平臺升高10mm左右。然后調(diào)節(jié)測力部分的平衡鉈 26，使擺桿 28 保持垂直位置，并使示力指針指在零點(diǎn)。試驗(yàn)機(jī)上一般還有自動(dòng)繪圖裝置。 它的工作原理是， 活動(dòng)平臺上升時(shí)， 由繞過滑輪的拉 繩帶動(dòng)滾筒 20 繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)， 在滾筒圓柱面上構(gòu)成沿周線表示位移的坐標(biāo)； 同時(shí)齒桿 24 的移 動(dòng)構(gòu)成沿滾筒軸線表示載荷的坐標(biāo)。這樣，實(shí)驗(yàn)時(shí)繪圖筆21在滾筒上就可自動(dòng)繪出載荷-位移曲線。當(dāng)然，這只是一條定性曲線，不是很準(zhǔn)確的。三、操作規(guī)程和注意事項(xiàng)1、根據(jù)試樣尺寸和材料，估計(jì)最大載荷，選定相應(yīng)的示力度盤和擺錘重

19、量。需要自動(dòng) 繪圖時(shí)，事先應(yīng)將滾筒上的紙和筆裝妥。2、先關(guān)閉送油閥和回油閥，再開動(dòng)油泵電機(jī)。待油泵工作正常后，開啟送油閥將活動(dòng) 平臺升高約10mm以消除其自重。然后關(guān)閉送油閥，安裝好試樣，調(diào)整示力度盤指針使它 指在零點(diǎn)。3、 安裝拉伸試樣時(shí)，可開動(dòng)調(diào)位電機(jī)3 以調(diào)整下夾頭位置，試樣安裝好后就不能再啟 動(dòng)調(diào)位電機(jī)。4、緩慢開啟送油閥，給試樣平穩(wěn)加載。應(yīng)避免油閥開啟過大進(jìn)油太快。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中， 注意不要觸動(dòng)擺桿或擺錘。5、實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉送油閥，停止油泵工作。破壞性實(shí)驗(yàn)先取下試樣，再緩緩打開回油 閥將油液放回油箱。非破壞性實(shí)驗(yàn)，自然應(yīng)先開回油閥卸載，才能取下試樣。2-2 機(jī)械式萬能材料試驗(yàn)機(jī)機(jī)械式萬能

20、材料試驗(yàn)機(jī)是一種靠機(jī)械傳動(dòng)加力和測力的專用設(shè)備，這種試驗(yàn)機(jī)也可作拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗(yàn)?，F(xiàn)以 ZDM型號的試驗(yàn)機(jī)為例介紹機(jī)械式萬能試驗(yàn)機(jī)。其結(jié)構(gòu) 簡圖如圖 2-2 所示。一、加載系統(tǒng)由底座 4、兩個(gè)固定立柱 6 和上橫頭 16 組成承力固定框架?？蚣苤虚g裝有活動(dòng)臺12，在活動(dòng)臺的上空間可分別進(jìn)行拉伸、 壓縮、彎曲、剪切等實(shí)驗(yàn)。 這種試驗(yàn)機(jī)可分別用電動(dòng)和 手搖裝置加載。用電動(dòng)加載時(shí)要先將離合器手柄10置于“慢速”位置，再開啟電動(dòng)機(jī)1、通過無級變速器 2 帶動(dòng)底座中的渦輪蝸桿 3 轉(zhuǎn)動(dòng)。通過螺桿 5 帶動(dòng)活動(dòng)臺 12 和下夾頭 15 沿導(dǎo)軌 14向下或向上移動(dòng)，試件裝夾在上夾頭和下夾頭中間，

21、活動(dòng)臺向下移動(dòng)使試樣受拉 伸，向上移動(dòng)使試樣受壓縮。 可通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪 8 來調(diào)節(jié)加載速度， 手輪上的標(biāo)刻值是指下夾 頭的移動(dòng)速度，其速度范圍為 530mmmi n。注意只有在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，才能通過手 輪調(diào)節(jié)加載速度。為了防止隨便轉(zhuǎn)動(dòng)手輪 8，平時(shí)應(yīng)該用鎖緊手柄 9 將手輪卡緊，以免損壞 機(jī)件。需要手動(dòng)! P、A。其它章節(jié)的符號仍引用原有的標(biāo)準(zhǔn)的 符號。(a)圓形試樣(b)矩形試樣圖210拉伸試樣五、實(shí)驗(yàn)原理依據(jù)國標(biāo)GB/T 228 2002金屬室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法分別敘述如下：1. 低碳鋼試樣。在拉伸試驗(yàn)時(shí)，利用試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)繪圖器可繪出低碳鋼的拉伸曲線，見圖2-11所示的FAL曲線。圖中最初

22、階段呈曲線，是由于試樣頭部在夾具內(nèi)有滑動(dòng)及試驗(yàn)機(jī)存在間隙等原因造成 的。分析時(shí)應(yīng)將圖中的直線段延長與橫坐標(biāo)相交于O點(diǎn)，作為其坐標(biāo)原點(diǎn)。拉伸曲線形象的描繪出材料的變形特征及各階段受力和變形間的關(guān)系，可由該圖形的狀態(tài)來判斷材料彈性與塑性好壞、斷裂時(shí)的韌性與脆性程度以及不同變形下的承載能力。但同一種材料的拉伸曲線會因試樣尺寸不同而各異。為了使同一種材料不同尺寸試樣的拉伸過程及其特性點(diǎn)便于比 較，以消除試樣幾何尺寸的影響，可將拉圖2 11低碳鋼拉伸曲線Fa比例伸長力；Fc彈性伸長力；FSU -上屈服力；Fsl-下屈服力;Fb 最大力;Ff 斷裂力;L 彈性伸長;伸曲線圖的縱坐標(biāo)（力 F）除以試樣原始橫

23、截面面積并將橫坐標(biāo)（伸長 L）除以試樣的原始標(biāo)距Lo得到的曲線便與試樣尺寸無關(guān)， 此曲線稱為應(yīng)力一應(yīng)變曲線或 RF曲線，如圖 212所示。從曲線上可以看出，它與拉伸圖曲線相似，也同樣表征了材料力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)過程分為四個(gè)階段，如圖211和圖2-12所示。（1）彈性階段OC 在此階段中的OA段拉力和伸長成正比關(guān)系，表明鋼材的應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系，完全遵循虎克定律，如圖2-12所示。若當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加到C點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系不再是線性關(guān)系，但變形仍然是彈性的，即卸除拉力后變形完全消失。用精密儀 器測定其塑性應(yīng)變約為規(guī)定的引伸計(jì)標(biāo)距的0.2 %所對應(yīng)的強(qiáng)度值定義為規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度上,它是控制材料

24、在彈性變形范圍內(nèi)工作的有效指標(biāo)。在工程上有實(shí)用價(jià)值。圖2 12低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變圖-：比例極限；-I-彈性極限；-.一上屈服點(diǎn)；二一下屈服點(diǎn)；二抗拉強(qiáng)度；I-斷裂應(yīng)力；：斷裂后的塑性應(yīng)變；彈性應(yīng)變（2）屈服階段SK 當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限到達(dá)鋸齒狀曲線時(shí)，示力盤上的主針暫停轉(zhuǎn)動(dòng) 或開始回轉(zhuǎn)并往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)若試樣表面經(jīng)過磨光， 可看到表征晶體滑移的跡線，大約與試樣軸線成450方向。這種現(xiàn)象表征試樣在承受的拉力不繼續(xù)增加或稍微減少的情況下變形卻 繼續(xù)伸長，稱為材料的屈服，其應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)（屈服應(yīng)力）。示力盤的指針首次回轉(zhuǎn)前的 最大力（FSU上屈服力）或不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)（不計(jì)載荷首次下降的最低點(diǎn)）時(shí)的最小力

25、（FSL下屈服力），分別所對應(yīng)的應(yīng)力為上、 下屈服點(diǎn)。示力盤的主針回轉(zhuǎn)后所指示的最小載荷（第一次下降后的最小載荷）即為屈服載荷FS。由于上屈服點(diǎn)受變形速度及試樣形狀等因素的影 響，而下屈服點(diǎn)則比較穩(wěn)定，故工程中一般只定下屈服點(diǎn)。屈服應(yīng)力是衡量材料強(qiáng)度的一個(gè) 重要指標(biāo)。（3）強(qiáng)化階段KE過了屈服階段以后，試樣材料因塑性變形其內(nèi)部晶體組織結(jié)構(gòu)重新得到了調(diào)整，其抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，隨著拉力的增加，伸長變形也隨之增加，拉伸曲線繼續(xù)上升。KE曲線段稱為強(qiáng)化階段，隨著塑性變形量的增大，材料的力學(xué)性能發(fā)生變化， 即材料的變形抵抗力提高，塑性降低。在強(qiáng)化階段卸載，彈性變形會隨之消失，塑性變形將會永久保留下

26、來。強(qiáng)化階段的卸載路徑與彈性階段平行，卸載后重新加載時(shí)，加載線與彈性階段平行，重新加載后，材料的比例極限明顯提高，而塑性性能會相應(yīng)下降。這種現(xiàn)象叫做 形變硬化或冷作硬化。當(dāng)拉力增加，拉伸曲線到達(dá)頂點(diǎn) E時(shí)，示力盤上的主針開始返回，而副針?biāo)傅淖畲罄?Fm,由此可求得材料的抗拉強(qiáng)度。它也是材料強(qiáng)度性能的重要指標(biāo)。（4） 局部變形階段 EG（頸縮和斷裂階段）。對于塑性材料來說，在承受拉力Fm以前，試樣發(fā)生的變形各處基本上是均勻的。在達(dá)到Fm以后，變形主要集中于試樣的某一局部區(qū)域，該處橫截面面積急劇減小，這種現(xiàn)象即是“頸縮”現(xiàn)象，此時(shí)拉力隨著下降，直至試樣被拉 斷，其斷口形狀呈碗狀，如圖2 13

27、( a)所示。試樣拉斷后，彈性變形立即消失，而塑性變形則保留在拉斷的試樣上。利用試樣標(biāo)距內(nèi)的塑性變形來計(jì)算材料的斷后延伸率A11.3和斷面收縮率ZO4伕卜 3f I-13拉伸試樣斷口形狀2. 鑄鐵試樣。做拉伸試驗(yàn)時(shí)，利用試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)繪圖器繪出鑄鐵的拉伸曲線，如圖214所示。在整個(gè)拉伸過程中變形很小，無屈服、頸縮現(xiàn)象，拉伸曲線無直線段，可以近 似認(rèn)為經(jīng)彈性階段直接斷裂，其斷口是平齊粗糙的。如圖2 13 ( b)所示。圖2 14鑄鐵拉伸圖六、實(shí)驗(yàn)步驟1. 根據(jù)試樣的形狀、尺寸和預(yù)計(jì)材料的抗拉強(qiáng)度來估算最大拉力，并以此力作為示力 盤量程的40%80%，以選擇合適的示力盤和相應(yīng)的擺錘。然后，選用與試樣

28、相適應(yīng)的夾 具。2. 在試樣的原始標(biāo)距長度 Lo范圍內(nèi)用劃線機(jī)等分 10個(gè)分格點(diǎn)，并確定標(biāo)距的端點(diǎn)， 以便觀察標(biāo)距范圍內(nèi)沿軸向變形的情況和試樣破壞后測定斷后延伸率。3. 根據(jù)國標(biāo)GB/T 228 2002金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法中的規(guī)定，測定試樣原始橫截 面積。本次試驗(yàn)采用圓形試樣， 應(yīng)在標(biāo)距的兩端及中間處的兩個(gè)相互垂直的方向上各測一次 橫截面直徑，取其算術(shù)平均值，選用三處測得的直徑最小值，并以此值計(jì)算橫截面面積。4. 安裝試樣，快速調(diào)節(jié)萬能試驗(yàn)機(jī)的夾頭位置，將示力盤指針調(diào)零， 并將自動(dòng)繪圖裝置調(diào)好。經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后即可開始試驗(yàn)。5. 加載試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，要求均勻緩慢地進(jìn)行加載。對于低碳鋼試樣

29、的拉伸試驗(yàn)，要注意觀察拉伸過程四個(gè)階段中的各種現(xiàn)象。并記下屈服載荷Fel值，最大載荷Fm值。對于鑄鐵試樣，只需測定其最大載荷Fm值。試樣被拉斷后立即停機(jī)，并取下試樣。6. 對于拉斷后的低碳鋼試樣，要分別測量斷裂后的標(biāo)距LU和頸縮處的最小直徑 duo按照國標(biāo)GB/T228 2002中的規(guī)定測定LU時(shí)，將試樣斷裂后的兩段在斷口處緊密地對接起來， 直接測量原標(biāo)距兩端的距離。若斷口處到最鄰近標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于1/3L0時(shí)，則需要用“移位法”來計(jì)算Luo其方法是：在長段上從拉斷處 O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2 15(a)的一半，得C點(diǎn)；或者取所余格數(shù)奇數(shù)，圖2 15( b

30、) 分別減1與加1的一半，得C和C點(diǎn)。移位后的Li分別為：AB+2B(或者AB+BC+BC測定斷d1,取其算術(shù)平均值作為面收縮率時(shí)，在試樣頸縮最小處兩個(gè)相互垂直的方向上測量其直徑 d1計(jì)算其斷面收縮率。?!(a)余格為偶數(shù)；(b)余格為奇數(shù) 圖2 15用移位法確定斷后延伸率率:2.3.告中。強(qiáng)度指標(biāo):屈服強(qiáng)度：J塑性指標(biāo)：LIt-L.Zn -100%J 4鑄鐵抗拉強(qiáng)度：，:斷后延伸斷后截面收縮率:(2-3 )強(qiáng)度指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度：:繪出拉伸過程中的 F- L曲線，對試驗(yàn)中的各種現(xiàn)象進(jìn)行分析比較,(2-1 )(2-2 )(2-4 )(2-5)并寫進(jìn)試驗(yàn)報(bào)七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理根據(jù)試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)，可分別計(jì)算

31、材料的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)。低碳鋼1.八、預(yù)習(xí)要求和思考題1. 預(yù)習(xí)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)和材料力學(xué)教材有關(guān)內(nèi)容，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟆?. 實(shí)驗(yàn)時(shí)如何觀察低碳鋼的屈服點(diǎn)？測定時(shí)為何要對加載速度提出要求?3. 比較低碳鋼拉伸、鑄鐵拉伸的斷口形狀，分析其破壞的力學(xué)原因。 2-7金屬的壓縮實(shí)驗(yàn)一、概述實(shí)驗(yàn)表明，工程中常用的塑性材料，其受壓與受拉時(shí)所表現(xiàn)出的強(qiáng)度、剛度和塑性等力學(xué)性能是大致相同的。但廣泛使用的脆性材料，其抗壓強(qiáng)度很高，抗拉強(qiáng)度卻很低。為便于合理選用工程材料，以及滿足金屬成型工藝的需要，測定材料受壓時(shí)的力學(xué)性能是十分重要的。因此，壓縮實(shí)驗(yàn)同拉伸實(shí)驗(yàn)一樣，也是測定材料在常溫、靜載、單向受力下的力學(xué)性能

32、 的最常用、最基本的實(shí)驗(yàn)之一。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 觀測低碳鋼壓縮時(shí)的屈服荷載PS2. 測定鑄鐵壓縮時(shí)的抗壓強(qiáng)度 b3. 觀察并比較低碳鋼和鑄鐵在壓縮時(shí)的變形和破壞現(xiàn)象。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. 液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)2. 游標(biāo)卡尺四、試樣的制備按照國標(biāo)GB7314 87金屬壓縮試驗(yàn)方法，金屬材料的壓縮試樣多采用圓柱體，如 圖2 16所示。試樣的長度 L 一般為直徑do的2.53.5倍，do= 1020mm為了盡量使試 樣受軸向壓力，加工試樣時(shí)，必須有合理的加工工藝，以保證兩端面平行，并與軸線垂直。五、實(shí)驗(yàn)原理以低碳鋼為代表的塑性材料，軸向壓縮時(shí)會產(chǎn)生很大的橫向變形，但由于試樣兩端面與試驗(yàn)機(jī)支承墊板間存在摩

33、擦力，約束了這種橫向變形，故試樣出現(xiàn)顯著的鼓脹，如圖2 17所示。塑性材料在壓縮過程中的彈性模量、屈服點(diǎn)與拉伸時(shí)相同，但在到達(dá)屈服階段時(shí)不像拉伸試驗(yàn)時(shí)那樣明顯，因此要仔細(xì)觀察才能確定屈服載荷Ps。當(dāng)繼續(xù)加載時(shí)，試樣越壓越扁，由于橫截面面積不斷增大，試樣抗壓能力也隨之提高，曲線持續(xù)上升，如圖2 18所示。除非試樣過分鼓出變形，導(dǎo)致柱體表面開裂，否則塑性材料將不會發(fā)生壓縮破壞。因此，一般不測塑性材料的抗壓強(qiáng)度，而通常認(rèn)為抗壓強(qiáng)度等于抗拉強(qiáng)度。以鑄鐵為代表的脆性金屬材料，由于塑性變形很小， 所以盡管有端面摩擦， 鼓脹效應(yīng)卻并不明顯，而是當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后，試樣在與軸線大約成 450550的方向上發(fā)生

34、破裂，如從而使試樣被剪斷。 其壓縮曲圖2- 19所示。這是由于脆性材料的抗剪強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度, 線圖如圖2-20所示。圖2-17低碳鋼壓縮時(shí)的鼓脹效應(yīng)圖2- 18 低碳鋼壓縮曲線圖2-20鑄鐵壓縮曲線圖2- 19鑄鐵壓縮破壞示意圖六、實(shí)驗(yàn)步驟1. 用游標(biāo)卡尺在試樣兩端及中間處兩個(gè)相互垂直的方向上測量直徑，并取其算術(shù)平均 值，選用三處測量最小直徑來計(jì)算橫截面面積。2. 根據(jù)低碳鋼屈服載荷和鑄鐵抗壓強(qiáng)度的估計(jì)值，選擇試驗(yàn)機(jī)的示力盤，并調(diào)整其指針對零。3. 調(diào)整好自動(dòng)繪圖器。4. 準(zhǔn)確地將試樣置于試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)平臺的支承墊板中心處。5. 調(diào)整試驗(yàn)機(jī)夾頭間距，當(dāng)試樣接近上支承板時(shí)，開始緩慢、均勻加載。6.

35、 對于低碳鋼試樣，將試樣壓成鼓形即可停止試驗(yàn)。對于鑄鐵試樣，加載到試樣破壞 時(shí)（主針回?cái)[150左右）立即停止試驗(yàn)，以免試樣進(jìn)一步被壓碎。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理根據(jù)試驗(yàn)記錄，計(jì)算應(yīng)力值。1、低碳鋼的屈服強(qiáng)度:2、鑄鐵的抗壓強(qiáng)度：(2 6)(2 7)450550的方向上?八、思考題1. 為什么鑄鐵試樣壓縮時(shí)，破壞面常發(fā)生在與軸線大致成2. 試比較塑性材料和脆性材料在壓縮時(shí)的變形及破壞形式有什么不同？3將低碳鋼壓縮時(shí)的屈服強(qiáng)度與拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較；將鑄鐵壓縮時(shí)的抗壓強(qiáng) 度與拉伸時(shí)的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較。 2-8 低碳鋼材料彈性模量 E的測定一、概述彈性模量E是表征材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，它反映了材料

36、抵抗彈性變形的能力，即材料的剛度。在工程設(shè)計(jì)中，若對構(gòu)件進(jìn)行剛度、穩(wěn)定和振動(dòng)等計(jì)算，都要用到彈性模量。 它是通過實(shí)驗(yàn)方法來測定的?？煞譃橐煊?jì)法、電測法和圖解法等。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 采用機(jī)械式引伸計(jì)測定低碳鋼的彈性模量E。2. 在比例極限內(nèi)，驗(yàn)證虎克定律。3. 了解機(jī)械式引伸計(jì)（球鉸式引伸計(jì)或蝶式引伸計(jì)）的構(gòu)造原理，學(xué)習(xí)它的使用方法。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. 萬能材料試驗(yàn)機(jī)2. 球鉸式引伸計(jì)或蝶式引伸計(jì)。3. 游標(biāo)卡尺。四、實(shí)驗(yàn)原理和方法測定鋼材的彈性模量 E,亦采用拉伸實(shí)驗(yàn)。由拉伸實(shí)驗(yàn)可知，低碳鋼材料在比例極限內(nèi)L =唾載荷F與絕對伸長變形丄符合虎克定律，TTI-.或者由此得出測量彈性模量E的基本公式： 二 EEi. J（2-8）式中So為試樣的橫截面面積；L 0為試樣標(biāo)距。丄為標(biāo)距絕對伸長。按國標(biāo)GB/T 228-2002金屬拉伸試驗(yàn)試樣制成圓形截面比例試樣，在材料彈性范圍內(nèi)，只要測得相應(yīng)載荷下的彈性變形丄或彈性應(yīng)變F,即可計(jì)算出彈性模量 E。故彈性模量的測量，即是彈性變形的測