材料力學實驗多媒體教案

材料力學實驗多媒體教案第一部分機測實驗

作者:任偉杰

實驗一拉伸與壓縮試驗實驗一

拉伸與壓縮試驗實驗目的:

1掌握金屬機械性能概念及其特征指標s、

b、、的工程物理意義2掌握微機自動測試系統(tǒng)的構成和工作原理，建立測試系統(tǒng)概念。3掌握位移計（應變式傳感器）的工作原理。4了解A/D轉換方法及工作原理。實驗重點：

掌握低碳鋼屈服極限的物理意義及測定方法，掌握低碳鋼（塑性材料）和灰鑄鐵（脆性材料）的斷裂特點。掌握應變式傳感器的工作原理以及物理學電學原理在微機自動測試系統(tǒng)中的應用。實驗要求：

學生在掌握試驗機操作的基礎上，以小組為單位獨立完成低碳鋼s、

b

、

、值的測定，通過討論題根據(jù)實驗結果，分析、論述低碳鋼拉伸和灰鑄鐵壓縮實驗的斷裂原因。

pL0PsPb低碳鋼拉伸曲線PP機械性能:材料承受外力的能力及其在破壞、變形方面的宏觀表現(xiàn)剛度:強度:材料抵抗變形的能力材料抵抗破壞的能力低碳鋼拉伸破壞宏觀過程及其微觀解理機制++++bb3-強化應變4-頸縮斷裂2-屈服階段1-彈性階段pL0PsPb低碳鋼拉伸曲線1234剪切唇纖維區(qū)斷口外外貌

二實驗設備：WES-600D液壓屏顯萬能試驗或WDS-100電子萬能試驗機、游標卡尺。三、

儀器設備工作原理1．WDS-100電子萬能試驗機的構造（測試系統(tǒng)與執(zhí)行機構見圖3-1）測試系統(tǒng)主要由輸入、放大、轉換、處理、顯示、輸出構成。輸入部分用來感知被測量的變化形成輸入信號，放大部分將信號放大提供必要的起動電壓。轉換部分將模擬量轉換成處理器能夠識別的二進制數(shù)字量送給處理器進行計算、存儲，顯示與輸出部分用來顯示測試信號、打印測試結果。輸入放大

A/D模數(shù)轉換處理器顯示輸出測試系統(tǒng)構成框圖圖3-1WDS-100電子萬能試驗機的實際構造輸入放大

A/D模數(shù)轉換處理器顯示輸出2、測試系統(tǒng)工作原理框圖EPSONLQ-1600k計算機打印機回油閥送油閥油泵開關控制柜開關放大器開關圖3-3WES-600D液壓屏顯萬能試驗測試系統(tǒng)的構成主機上鉗口下鉗口上鉗口夾緊開關下鉗口夾緊開關1．2.系統(tǒng)工作原理理微機自動測試試系統(tǒng)是在傳傳統(tǒng)機械性能能測試方法的的基礎上逐漸漸發(fā)展、完善善的，是電子子技術與基礎礎物理知識的的綜合應用。。該測試系統(tǒng)統(tǒng)，用位移傳傳感器和力傳傳感器取代了了老式萬能試試驗機用線傳傳動和測力油油缸來反映試試件的變形與與受力大小的的方法。用計計算機代替了了人工計算，，并用顯示器器、打印機取取代了示力盤盤和繪圖儀。。工作原理見見圖3-4。。當試件受力發(fā)發(fā)生變形時，，力和位移傳傳感器將力與與位移（變形形）信號輸入入放大器，放放大器將信號號放大，以達達到A/D轉轉換和計算機機能夠工作的的最低啟動電電壓，使其進進入工作狀態(tài)態(tài)。由于力與與位移信號是是連續(xù)變化的的模擬量，而而計算機只能能識別非連續(xù)續(xù)變化的二進進制數(shù)字量，，因此，信號號在進入計算算機之前必須須經(jīng)A/D轉轉換將模擬量量信號轉換成成二進制數(shù)字字量。轉換后后計算機以二二進制數(shù)的形形式存儲、計計算、描繪曲曲線等，并以以十進制的形形式反映在顯顯示器上。試試驗結束后計計算機根據(jù)程程序的指令將將計算結果與與試驗曲線打打印輸出。力傳感器位移傳感器PP放大器A/D轉換計算機顯示器打印機圖3-4WDS-100電子萬能試驗機測試系統(tǒng)工作原理框圖拉伸試件位移傳感器（（引伸計）工工作原理夾式引伸計是是傳遞變形信信號的傳感器器，其結構見見圖3-4。。引伸計由鋼鋼臂、刀口、、弓片、電阻阻應變片組成成。將引伸計計安裝在試件件上，刀口與與試件接觸并并會隨試件的的伸長或縮短短而張開或閉閉合。當試件件受拉力而伸伸長時，上、、下刀口間的的距離增大，，上、下鋼臂臂相對發(fā)生轉轉動，弓片向向內彎曲（見見圖3-4）），同時貼于于弓片兩面三三刀側的電阻阻應變片會因因物理效應導導致R1阻值值減減小小、、R2阻值值增增大大。。由由于于是是以以電電橋橋方方式式聯(lián)聯(lián)接接（（見見圖圖3-5）），，那那么么根根據(jù)據(jù)惠惠斯斯登登電電橋橋的的原原理理，，當當R1與R2的比比值值發(fā)發(fā)生生變變化化時時A、、B兩兩點點間間就就會會有有電電流流流流過過。。將將A、、B兩兩點點直直接接引引入入放放大大器器就就形形成成位位移移（（變變形形））信信號號。。RXYR-RXYPPR+RXYPPADu圖3-5惠斯登電橋GCR1R2R3R4B放大器I應變片鋼臂刀口試件彈簧片應變片鋼臂刀口試件彈簧片R1R2R1-ΔRR2+ΔR圖3-4夾式引伸計4.A/D轉轉換換工工作作原原理理A/D轉轉換換是是將將模模擬擬量量轉轉換換成成數(shù)數(shù)字字量量。。由由集集成成A/D轉轉換換電電路路來來完完成成。。模模擬擬量量，，即即自自然然界界中中的的真真實實量量，，也也就就連連續(xù)續(xù)量量。。其其轉轉換換方方法法之之一一是是逐逐次次逼逼近近法法。。A/D電電路路的的主主要要部部件件見見圖圖3-6。。隔離離器器的的主主要要任任務務是是從從放放大大器器采采取取信信號號，，并并使使電電壓壓信信號號UI在短短時時間間內內隔離器（采樣）比較器

逼近器U0=128mmvU0UI圖3-6A/D轉換工作原理模擬量信號源二進制數(shù)字量保持持不不變變送送給給比比較較器器。。在在比比較較器器里里，，比比較較器器要要是是將將要要轉轉換換的的電電壓壓信信號號與與來來自自逼逼近近器器的的參參考考電電壓壓進進行行比比較較，，用用比比較較的的結結果果來來決決定定處處理理器器里里要要轉轉換換的的二二進進制制數(shù)數(shù)的的每每一一位位的的位位狀狀態(tài)態(tài)。。決決定定的的次次序序是是從從高高位位到到低低位位。。逼近器的主主要任務是是逐個的提提供參考電電壓U0。比較的原原則是，若若U0<UI,則認為為U0是有效值所所要確定的的最高位的的位狀態(tài)是是“1”，，同時U0要計入累加加器；若U0>UI則，認為U0是無效值，，所要確定定的那一位位的位狀態(tài)態(tài)是“0””。U0不進入累加加器。然后后逼近器再再給出1/2U0與累加器里里的有效值值相加，用用相加結果果與UI進行第二次次比較以確確定次高位位的位狀態(tài)態(tài)是“0””或“1””，以此類類推，逐個個進行比較較、逐次逼逼近，直到到將二進制制所有位的的位狀態(tài)都都確定完畢畢，則該二二進制的數(shù)數(shù)就代表了了位移輸入入信號UI。最高位次次高位位最最低位00000000以8位二二進制轉換換為例：設處理器是是8位二二進制工作作。試件在在某一受拉拉狀態(tài)所受受拉力為15KN，力傳感器器將15KN力變成電流流信號送給給放大器，，放大器輸輸出的電壓壓信號為UI=145mv，并將該電電壓信號送送給A/D轉換板，，被隔離器器獲得。隔隔離器將電電壓信號UI送給比較器器與逼近器器所給的參參考電壓U0=128mv（該值是A/D轉換換板特殊設設定值）進進行比較，，來確定逼逼近器8位位二進制最最高位的位位狀態(tài)。因因為U0<UI表明所給的的參考電壓壓為有效值值，并將U0讀入累加器器，同時確確定了最高高位的狀態(tài)態(tài)為“1””。然后后再由逼近近器再給出出參考電壓壓1/2U0=64mv再再與累加加器里的的有效值值128mv相加，，其結果果為U0=128mv+64mv>UI故所給的的參考電電壓為無無效值，，U0也不能進進入累加加器，次次高位的的上的數(shù)數(shù)為“0”。以以此類推推將8位位逐個個逼近、、比較，，最后確確定出代代表15KN力力的二進進制數(shù)字字量為““10010001””，并將將該數(shù)送送給計算算機即完完成A/D轉換換過程。。存儲器累累加加器隔隔離離器逼逼近近器比比較器UiU0=Ui+1/2U1UI=145mvU0=U1=128mvUI與U0000000000012812810000000UI>U0128128+6410000000UI<U0128128+3210000000UI<U0144128+1610010000UI>U0144144+810010000UI<U0144144+410010000UI<U0144144+210010000UI<U0145144+110010001UI>U0145mv10010001在桌面上上點擊操操作系統(tǒng)統(tǒng)快捷鍵鍵按鈕““””，進進入試試驗操作作界面三、選擇擇加載速速度四、進入入‘數(shù)據(jù)據(jù)處理’’、輸入入斷后數(shù)數(shù)據(jù)五、進入入‘報告告預覽’’導入實實驗數(shù)據(jù)據(jù)，打印印實驗報報告一、測量量原始數(shù)數(shù)據(jù)、安安裝試件件二、選擇擇實驗方方案、輸輸入實驗驗信息實驗步驟驟：回到實驗驗操作控控制界面面4050600.021324567游標卡尺尺的使用用二、試樣樣信息輸輸入試樣信息輸入入采用數(shù)據(jù)庫庫格式。其中中“序號”““試樣編號號”“試樣樣組號”““試樣面積””“尺寸1”“尺寸寸2”6個自自段為固定字字段，若某些些字段無用用用戶可不必理理會。其余字字段可由用戶戶自行定義，，最多可輸入入18項內容容。試樣信息息中的所有內內容在數(shù)據(jù)處處理中可應用用。若做拉伸伸試驗，請保保留“原始標標距”字段。。試樣截面形形狀在試驗方方案中的“試試樣形狀”中中設置。試樣樣面積根據(jù)試試樣形狀自動動計算。也可可直接輸入試試樣面積。結果果分分析析頁頁報告告預預覽覽頁頁作業(yè)業(yè)題題（（必必作作））1．．用用理理論論公公式式說說明明A3鋼拉拉伸伸破破壞壞是是在在何何種種應應力力作作用用下下產(chǎn)產(chǎn)生生的的。。2.名名詞詞解解釋釋:模-數(shù)(A/D)轉換換和數(shù)模模(D/A)轉轉換的意意義,能能否舉例例說明?3.簡簡述：逐逐次逼近近法A/D轉換換的工作作原理。。實驗地點點：綜合合樓002、003。。時間：：聽學委委通知實驗報告告的要求求:1.有原原始數(shù)據(jù)據(jù)、曲線線、斷裂裂外貌*2.測試試系統(tǒng)工工作原理理及圖示示*3.位移移傳感器器的工作作原理及及圖示*實驗報告告要求:(第一頁頁)預習報告告一、實驗驗目的二、基本本原理（（自動測測試系統(tǒng)統(tǒng)及圖示示）三、位移移傳感器器工作原原理及圖圖示四、實驗驗步驟(第二頁頁)原始始數(shù)據(jù)拉伸試件件試實驗前數(shù)數(shù)據(jù)：d1’=d1’’=d1=d2’=d2’’=d2=d3’=d3’’=d3=直徑取取值d0=原原始始標距距（長長度））L0=實驗后后數(shù)據(jù)據(jù)d’=d’’=d0’=斷后標標距（（長度度）L0’=斷裂外外貌壓縮試試件實驗前前數(shù)據(jù)據(jù)：d1’=d1’’=d1=d2’=d2’’=d2=實驗后數(shù)據(jù)據(jù)d’=d’’=d0’=斷裂外貌(第三頁)實驗報告告1．用理理論公式說說明A3鋼拉伸破壞壞是在何種種應力作用用下產(chǎn)生的的。2.名詞詞解釋:模-數(shù)(A/D)轉轉換和數(shù)模模(D/A)轉換的的意義,能能否舉例說說明?3.簡述述：逐次逼逼近法A/D轉換的的工作原理理。材料力學仿仿真實驗課課件拉伸試驗壓縮試驗彎曲試驗剪切試驗KIC值測測定動應力測定定扭轉試驗疲勞裂紋預預制實驗目的：：測定碳鋼鋼的條件比比例極限σσP實驗設備：：WDS-100電電子萬能試試驗機與WES-600D屏屏幕顯示液液壓萬能試試驗機實驗原理：：對于金屬材材料,單向向虎克定律律成立時的的最大應力力稱為比例例極限。但但我國標準準（國家標標準GB228-76）規(guī)定定，測定對對虎克定律律有一定偏偏離的應力力來表示比比例極限，，稱為條件件比例極限限σP。在在拉拉伸伸曲曲線線（（P——△L圖圖））上上某某點點的的切切線線與與荷荷載載軸軸間間夾夾角角的的正正切切值值比比其其彈彈性性直直線線部部分分的的正正切切值值大大50%時時，，此此點點所所對對應應的的應應力力即即為為條件比例極限限。測定方法有：：1、作圖法法2、引伸儀法法（這里我們們暫不介紹。。）實驗二條件比例極限限的測定作圖法：在具有電子萬萬能試驗機的的及應變儀的的條件下，可可以自動記錄錄拉伸曲線的的開始部分，，然后由P——△L圖直接確確定材料的條件比例極限限。如圖所示示，在圖中P—△L曲線的直直線段上任取取一荷載，作作一水平直線線ab交直線段于b點，然后在ab的延長線上截截取ac=1.5ab，，過原點O連直線Oc。然后在拉伸曲線上上尋求一點h,使h點處曲曲線的的切線線ht恰好與與Oc平行，則h點在力值座座標上所對對應的荷載載PP就是比例極極限荷載，，它所對應應的應力值值即為條件件比例極限限。PPCAbP△LOhtPP1.在彈性階段段取點b2.作ac=1.5ab3.連直線線Oc4.平移直線Oc交曲線于h實驗報告的的要求:1.有原始始數(shù)據(jù)、曲曲線*2.測試原原理及圖示示*3.作作圖解與計計算PPσP=——A0式中A0為試件原始始截面面積積。參考文獻1.潘金生生,仝健民民,田民波波.材料科科學基礎.清華大學學出版社.20022.潘信吉吉,何蘊增增.材料力力學實驗原原理及方法法.哈爾濱濱工業(yè)大學學出版.19983.賈有權權.材料力力學實驗.高等教育育出版社.19844050600.021324567第二部分電電測實實驗應變電測原原理●適用范圍：：結構構件件金屬、非非金屬材料料表面應力力測量；靜、動態(tài)（（含沖擊））應變應力力測量；高高速旋轉構件應應力測量；；結構高壓壓液下；高高低溫條件下的的應力測量量…●原理電阻應變儀儀應變計變形固體F1F2FnF3廣義虎克定定律應變分析1、金屬電電阻絲的““應變效應應”Ks－稱為金屬屬電阻絲的的靈敏系數(shù)數(shù)FFl圖為康銅絲絲的曲曲線，，鎳鉻絲在在小應變條條件下關系亦為直直線2、電阻應應變計的工工作原理（1）電阻應變計計（片）構構造。利用金屬電電阻絲應變變效應制成成用于構件件應變測量量的敏感元件件bl敏感柵（絲絲繞或箔柵柵）引出線基底（紙基基或膠基））（2）使用用特制的膠膠水粘貼于于構件表面面，絲柵長長度平行于于待測應變方方向。（3）原理K－應變計靈靈敏系數(shù)，，與Ks有區(qū)別K通過實驗標標定。（4）主要技術指指標a，初始電電阻值R（（Ω）測量必須數(shù)數(shù)據(jù)，工程程應變測量量選R＝120ΩΩ。b，應變計計靈敏系數(shù)數(shù)K由廠方提供供，測量必必須數(shù)據(jù)。。c，應變計計標距l(xiāng)(或敏感柵柵尺寸b××l)根據(jù)測試對對象目的而而定。（5）應變計類型型：按構造分紙紙基浸膠絲絲繞式；膠膠基箔式；；半導體應變變計；金屬屬底基焊接接式等，其他按測量量應變范圍圍，按用途途分，按使使用溫度分已已不下數(shù)千千種。3、應變電電橋及其輸輸出測量電阻變變化一般用用惠斯登電電橋（即4臂電橋）），電源E1稱為橋壓。。I1I4當R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3時UBD＝0稱為電橋的的平衡條件件。實測時，隨隨著構件的的受力變形形R1~R4發(fā)生變化為為R1→R1＋△R1，R2→R2＋△R2，R3→R3＋△R3，R4→R4＋△R4代入（2））式可見或略去分子當當中的高階階微量，分分母當中的的△R項，經(jīng)整理理得（3）說明電橋輸輸出電壓的的變化與四四個橋臂電電阻變化的的總和成正比比或與測點點應變總和和成正比。。其次，對角角橋臂電阻阻變化率或或應變相加加，鄰臂的的電阻變化率率或應變相相減。這種種規(guī)律稱為為電橋輸出出的加減特性。。（3）式簡簡化結果產(chǎn)產(chǎn)生的誤差差不會超過過5‰，根根據(jù)其原理可以制制成專門用用于測量的的電阻應變變儀。4、數(shù)字電電阻應變儀儀（1）電原理框圖圖電壓變換器橋壓E1電源放大器濾波器A/D數(shù)顯表頭模數(shù)轉換電橋（2）YE2538程控應應變儀面板板結構及其其使用方法法●使用方法（1）組橋橋a，1/4橋接接法（靜態(tài)多點點應變測量量常用的接法），，橋路形式式bR-1，所有測測量片均接AB，，連接片連連于BB’’。共用一一枚補償片。b，半橋接法AB,BC接應變片片，橋路bR-2,c，全橋接法四個橋臂均均接應變片片，多用于于傳感器電路，橋橋路bR-4（2）K，，R設定（3）平衡衡、測量(有關詳細細的使用方方法由實驗驗室多媒體體室介紹，，或見網(wǎng)上上資料)該儀器特點點是各通道道可以獨立立選擇不同同的測量橋橋路形式、使用用不同K的的應變計和和不同R的的應變計。。5、有關應應變電測法法的若干問問題（a）溫溫度變化化會產(chǎn)生電阻變化（b）應變變計線膨脹脹系數(shù)與與被被測工件線線膨脹系數(shù)數(shù)不同，溫度度變化會產(chǎn)產(chǎn)生附附加電電阻變化，必須設法法消除（1），溫溫度補償●溫度補償方方法a，補償塊補償償法FF(補償塊必必須與被測測工件同材材料且置于于被測工件件旁)●溫度補償方方法b，工作片補償償法不允許單獨獨設置補償償塊的構件件應變測量量用工作片補償法c，補償應變片片必需接于于測量應變變片的鄰臂臂（2）應變變計的串連連及其應用用串連的2枚枚應變片所所測的應變變自動取平平均RaRbRcRdABCR1R2（3）靜態(tài)態(tài)多點應變變測量當測點較多多，希望加加一次載荷荷能同時讀讀下所有測點應變時時，可利用用1/4橋橋接法，事事先把所有有測點接到應變儀的的AB橋臂臂上，共用用一枚補償償片接于公公共補償橋臂上，，利用測點點轉換按鍵鍵同時讀出出各個測點點的應變?！裼猛荆╝）偏心受拉壓壓構件測軸軸向應變（b）測材料彈性性模量時用用串連半橋橋測量電電路6、應變片片式傳感器器及其設計計概要不同結構形形式的彈性性元件＋應應變片組成不同用用途的應變變式傳感器器。可用于于測拉、壓壓力，彎矩、扭矩矩、加速度度、位移（（或變形））、傾角等等?！窀弑壤龢O限限材料?！竦蛷椥阅Ａ苛康牟牧?。。●應變片貼于于應變的敏敏感區(qū)，并并利用全橋橋測量的加加減特性使輸出出靈敏度最最大。9、靜夜四四無鄰，，荒居舊舊業(yè)貧。。。1月-231月-23Thursday,January5,202310、雨中黃葉樹樹，燈下白頭頭人。。18:18:2218:18:2218:181/5/20236:18:22PM11、以以我我獨獨沈沈久久，，愧愧君君相相見見頻頻。。。。1月月-2318:18:2218:18Jan-2305-Jan-2312、故人江海別別，幾度隔山山川。。18:18:2318:18:2318:18Thursday,January5,202313、乍乍見見翻翻疑疑夢夢，，相相悲悲各各問問年年。。。。1月月-231月月-2318:18:2318:18:23January5,202314、他鄉(xiāng)生生白發(fā)，，舊國見見青山。。。05一一月20236:18:23下午午18:18:231月-2315、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。一月236:18下下午1月-2318:18January5,202316、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2023/1/518:18:2318:18:2305January202317、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時時，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點點的射線線向前。。。6:18:23下午午6:18下午午18:18:231月-239、沒有失敗敗，只有暫暫時停止成成功！。1月-231月-23Thursday,January5,202310、很多事事情努力力了未必必有結果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒有。。。18:18:2318:18:2318:181/5/20236:18:23PM11、成成功功就就是是日日復復一一日日那那一一點點點點小小小小努努力力的的積積累累。。。。1月月-2318:18:2318:18Jan-2305-Jan-2312、世世間間成成事事，，不不求求其其絕絕對對圓圓滿滿，，留留一一份份不不足足，，可可得得無無限限完完美美。。。。18:18:2318:18:2318:18Thursday,January5,202313、不知香積積寺，數(shù)里里入云峰。。。1月-231月-2318:18:2318:18:23January5,202314、意志堅堅強的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。05一一月