金属材料拉伸弹性模量

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1、- 1 - 实验五 金属材料拉伸弹性模量 E 的测量 为了表示材料在弹性范围内抵抗变形的难易程度， 可用材料的弹性模 量E来量度，称之为材料的刚性。从材料的应力一应变关系曲线来看，它就 是起始直线部分的斜率。 一、实验目的一、实验目的 1、解电测法的基本原理； 2、用电阻应变仪测量材料弹性模量E和泊松比； 3、在比例极限内验证胡克定律E=。 二、实验仪器和设备二、实验仪器和设备 1、无级机械加载装置一套； 2、YJ -4501A 静态数字电阻应变仪一台； 3、试件（表面沿轴向和横向各贴有一电阻应变片）及温度补偿块； 4、游标卡尺。 三、实验原理和方法三、实验原理和方法 测定材料E、一般采用小于

2、比例极限的拉伸实验。材料在比例极限内 服从胡克定律，其关系为： =LAPLE (5.1) 此处L是标距长度， A 是试件的截面积， P 为载荷， L为试件的变形量。 电测量法就是将电阻应变片牢固地粘贴在被测量构件上， 当构件变形时， 应变片的阻值将随之发生相应的改变。通过电阻应变测量装置（即电阻应变仪） ，将这电阻的改变测量出来，并换算成应变值示指出来。本次实验试件采 用矩形截面，在试件中央前后两面沿轴线方向贴两片应变片，R1，以测量 1R轴向应变， （LL=）沿横向贴两片应变片R2，以测量横向应变（见 2R图 5.1(a)） 。 为了消除试件初弯曲和加载可能存在偏心引起的弯曲影响，采取全桥接

3、 线法， （见图 5.1b）把温度补偿片 R 贴在与试件材料相同的补偿块上。 为了尽可能减少测量误差，采取增量法逐级加载，分别测量在各相同载 荷增量 P作用下产生的应变增量，并计算的平均值。设试件初始横 - 2 - 截面面积为A，又LL=，则式 5.1 可写成 均均 =APE 图 5.1 应变片布置图 这就是用增量法测E的计算公式（均均为试件实际轴向应变增量的平 均值） 。 1、所谓等量加载法，即在初载荷 至末载荷之间分级加载。本实 验取 4，一般情况下，初载荷可以取：0PnPn nsAP15. 00=最大载荷SAP8 . 0max=。 增量法可以验证力与变形间的线形关系。 若各级载荷增量相等

4、， 相应 地由应变仪读出应变增量P 也应大致相等， 这就验证了胡克定律。 利用增量法进行实验，还可以判断试验是否有错误。若各次测出的应变不按一定规律 变化，就说明实验有问题，应进行检查。 2、测泊松比2、测泊松比 在上述每级载荷下除测出轴向应变外，还要测出横向应变值，均 按定义 均均 = - 3 - 四、实验步骤四、实验步骤 1、在试件标距范围内，测量试件三个横截面尺寸，取三处横截面积的 平均值作为试件的横截面面积A。 2、将试件上电阻应变片的引出线按全桥接线法接好连线。 3、打开试验装置电源开关，加初荷载。 N50 4、校对电阻应变仪上的灵敏度系数，将应变仪上连接好的全桥测量通 道置 0。

5、5、缓慢逐级加载，NP100=，共加载 4 次，NP450max=，每增加一 级载荷，记录一次纵、横应变片相应的读数应变，并将数据填入试验报告记 录表中。 6、实验完毕后，一定要将载荷卸掉。 7、根据记录绘制出图，验证虎克定律，计算弹性模量E。 五、注意事项五、注意事项 1、测量横截面积尺寸时，不要让试件受载荷作用。 2、实验中要随是估算同一组应变片两次读数的差值，以判断试验是否 正常。 六、思考题六、思考题 1、怎样验证胡克定律、？ 2、为什么要进行温度补偿？ 3、为什么要采用等增量加载法进行加载？ - 4 - 七、实验报告七、实验报告 表 5-1 金属材料弹性模量E的测量 班组 姓名 日期

6、 地点 成绩 实验目的及计算公式： =E = 实 验 设 备 设备名称 最大量程 使用量程 精度 试 件 尺 寸 平均截面积A（mm2） 1 2 3 载荷（） N载荷增量 （） N读数)(d增量读数d增量 P0 P1P2P3P4载荷增量平均值=P =均 =均 弹性模量=E 泊松比= 图 - 5 - 八、YJ-4501A 静态数字电阻应变仪简介 八、YJ-4501A 静态数字电阻应变仪简介 1、基本原理 1、基本原理 YJ-4501A 静态数字电阻应变仪的基本原理如方框图 5.2 所示： 应变测量时， 欲测试件或构件表面某点的相对变化量LL/即应变， 将 阻值为 R 的电阻应变片粘贴在试件或构件

7、被测处，当试件或构件受外力作用 产生变形时， 应变片将随之产生相应的变形， 根据金属丝的应变电阻效应， 测 量 电 桥测 量 通 道 切 换 网 络继电路 功 率 驱 动 电单 片 计 算 机全桥/半桥选择 RS232 看门狗电路 显示 A/D 电 路 转 换 模 拟 放 大 电 路 测 量 电 桥键盘 图 5.2 应变片阻值发生变化，在一定范围内，应变片电阻的相对变化量与试 件或构件的相对变化量成线性关系，即 RR/KLLKRR=式中K称为应变片的灵敏系数。 由于应变很小，很难直接测得，但由上式可 知，只要测得R，就可求得应变。为此，我们 通常将电阻应变片（或电阻应变片和精密电阻） 组成如图

8、 5.3 所示的测量电桥。 图 5.3 测量电桥 - 6 - 图中为供桥电压，为电桥输出电压，0U1U4RR 为电阻应变片（或电 阻应片和精密电阻） ，根据电桥原理可得 ()()43213241 01RRRRRRRRUU+= （2） 在电桥中RRRRR=4321，若均有相应的电阻增 量、4321RRRR1R2R3R、时，电桥输出电压（忽略高次微量） 4R+=RR RR RR RRUU43210 14（3） 将（1）式代入（3）式，则 ()dKUKUU440 43210 1=+= （4） 由此可得应变仪的读数应变d为 4321 014+=KUUd（5） 被测量电阻增量经测量电桥，通过模拟放大，A

9、/D 转换，由单片微计算 机实时控制，完成数据采集计算处理、显示、传输，而且通过单片微计算机 还实现了半桥、全桥选择，测量通道切换等实时控制。 2、使用说明 2、使用说明 应变仪面板如图 5.4 所示。 （1）上显示窗 显示测量值（或校准值）（微应变） 。 （2）左下显示窗 显示测量通道，00-99，本机 00-12。 （3）右下显示窗 显示灵敏系数K值。 （4） K 灵敏系数设定键，并伴有指示灯。 （5） 校准 校准键，并伴有指示灯。 （6） 半桥 半桥工作键，并伴有指示灯。 （7） 全桥 全桥工作键，并伴有指示灯。 （8） 手动 手动测量键，并伴有指示灯 （9） 自动 自动测量键，并伴有指

10、示灯。 （10） 上行、下行键。 - 7 - （11）置零 置零键。 （12） F 功能键。 （13） 0 9 数字键。 图 5.4 应变仪面板 3、操作方法、操作方法 打开应变仪背面的电源开关，上显示窗显示提示符nH和序号，且半桥 键、全桥键、手动键指示灯均亮。按数字键 01，即应变仪进入半桥、手动测 量状态，全桥指示灯灭，左下显示窗显示 01 通道，右下显示窗显示上次关机 时的灵敏系数，上显示窗显示 01 通道上测量电桥的初始值（或检测值） 。 （1）灵敏系数 K 设定 在手动测量状态下，按K键提示灯亮，灵敏系数显示窗（右下显示窗） 无显示，应变仪进入灵敏系数设定状态。通过数字键键入所需的

11、灵敏系数值 后，K键指示灯自动熄灭，灵敏系数设定完毕，返回到手动测量状态，若不 需要重新设定K值， 则再按K键，K键的指示灯熄灭， 返回到手动测量状态， 灵敏系数显示窗仍显示原来的K值。K值设定范围 1.82.5。 （2）全桥、半桥选择 应变仪半桥键指示灯亮时，处于半桥工作状态，全桥键指示灯亮时，处 于全桥工作状态。根据测量要求，若需要半桥测量则按半桥键，若需要全桥 测量则按全桥键。 （3）测量 应变仪面板后部如图 5.5 所示， 有 012 个通道的接线柱， 0 通道为校准 道，其余为测量通道。应变仪测量分手动测量和自动测量。 - 8 - 11 109 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1

12、2 A B C D 图 5.5 应变仪面板后部图 （A）手动测量 （A）手动测量 (a) 半桥工作状态 应变仪手动键和半桥键的指示灯亮时，处于手动半桥工作状态。分别在 各通道的 A、 B、 C 接线柱上按图 5.5(a)半桥接线法接入被测电阻 （即应变片） ， 通过置零键对各测量通道置零 （可反复进行） 。 通道切换可直接用数字键键入 所用通道号（01-12） ，也可以通过下行、下行键顺序切换通道。各通道置零 后，即可以进行测试检验。如果用公共补偿测试方法，则按图 5.6 所示，各 通道的 A、B 接线柱接工作片，补偿片接在 0 通道的 B、C 接线柱上；亦可用 公共补偿接线法，各通道的 A

13、接线柱接工作片，工作片公共线接在任一通道 的 B 接线柱上 （各通道 B 接线柱仪器内是接通的） ， 补偿片仍接在 0 通道的 B、 C 接线柱上。 （b）全桥工作状态 应变仪手动键和全桥键的指示灯亮时，处于全桥工作状态。分别在各通 道的 A、B、C、D 接线柱上按图 5.5（b）全桥接线法接入被测量电阻（即应 变片） ，通过置零键对各测量通道置零（可反复进行） ，然后进行测量试检测。 通道切换与(a)相同。 - 9 - 半桥工作状态 全桥工作状态 图 5.6 R1、R2、R3、R4分别为应变片，R为应变仪内部电阻 （B）自动测量 ）自动测量 自动键的指示灯亮时，应变仪处于自动测量状态，其半桥、全桥工作状 态选择与手动测量相同。在自动测量状态下，按置零键后，仪器按顺序自动 对各通道置零；按键后，仪器按顺序自动对各通道进行检验，并自动将检 测到数据通过 RS232 接口传输给计算机。 F在自动测量状态下，除半桥、全桥、置零、键能工作外，其余键均不 起作用。若要设定FK或进行校准等，需在手动状态下进行。 图 5.7