【2017年整理】材料力学实验资料——电测法

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1、1实验三扭转实验一、实验目的1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力 和抗扭强度 。sb2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度 。b3.绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。二、实验设备和仪器1.扭转试验机2.游标卡尺三、实验试样按冶金部标准采用圆形截面试件，两端成扁圆形。如图 1 所示。ldr图 1 扭转试件图圆形截面试样的直径 ，标距 或 ，平行部分的长度为 。若采用其它直m10ddl5l0m20l径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地

2、影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准 GB1012888。四、实验原理与方法1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩 ，低碳钢的扭转屈服应力为esM1a a2（）pess43WM式中： 为试样在标距内的抗扭截面系数。16/3pdW在测出屈服扭矩 后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。测矩盘上的从动指针所指示的外力偶sT矩数值即为最大力偶矩 ，低碳钢的抗扭强度为ebM（）pebb43WM对上述

3、两公式的来源说明如下：低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的 图如图 12所示。当eM达到图中 点时， 与 成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应AeM力 ，如能测得此时相应的外力偶矩 ，如图 13a所示，则扭转屈服应力为s ep（）pesWM经过 点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图 2b所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩A展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图 2c所示的情况，对应的扭矩 为sTOMeABCepsMeb图 1 低碳钢的扭转图sTsTsT（a） （b） （c）图

4、2 低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布（a） ；（b） ；（c）pTspTsTsps3d/2 0sd/2 0ss 41 W由于 ，因此，由上式可以得到essMT3TOb （）pess43WM无论从测矩盘上指针前进的情况，还是从自动绘图装置所绘出的曲线来看， 点的位置不易精确判A定，而 点的位置则较为明显。因此，一般均根据由 点测定的 来求扭转切应力 。当然这种计算B Bes s方法也有缺陷，只有当实际的应力分布与图 2c完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料差异是比较大的。从图 1可以看出，当外力偶矩超过 后，扭转角 增加很快，而外力偶矩 增加很小， 近esMeMBC似于一条直线。因

5、此，可认为横截面上的切应力分布如图 1-7c所示，只是切应力值比 大。根据测定的s试样在断裂时的外力偶矩 ，可求得抗扭强度为eb （）pebb43W2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩 （方法同 2） ，抗扭强度为ebM （）pbW由上述扭转破坏的试样可以看出：低碳钢试样的断口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成 角，表明破坏是由拉应力引起的。45铸铁属脆性材料，扭转变形很小时就被扭断，其 曲线见图 322，由于 曲线近乎一直线，TT所以 可按线弹性公式计算，即式（336） 。图 322铸铁扭转试验曲线 图

6、323碳钢（左） 、铸铁（右）扭转断口3. 切变模量 测定G根据国家标准， 的测定可用图解法，即根据记录的 曲线，读取直线段上相应的扭矩和扭角增T量，然后代入下式计算 值。（329）peIlG式中 为安装扭角仪的标距。el4试件除图解法外，还可用逐级加载法测定 。试验时，对试样施加预扭矩，预扭矩一般不超过预计的规G定非比例扭矩 的 10%。安装上扭角仪，见图 321 ，并调整读数，或记下此时的 角初读数 ，它015.pT 0与预加扭矩 相对应。在弹性直线段范围内，取 为最大试验扭矩，将欲加之扭矩分为 等分， 5，nT n即每级扭矩增量为：（330）n0记录每级扭矩 及对应的扭角 ，读取每对数据

7、对的时间以不超过 为宜。计算出平均Tii0i s10每级扭角增量：（331）nnniiim0111)(代入式（329） ，得（332）penpemIlTIlG0在测出各组 、 值后，也可用最小二乘法求出 ，做法与求 、 的方法相同，不再重复。iTiGE以上是用测量扭角 的方法来确定 ，除此之外，也可用电阻应变片测量应变的方法测出 值（沿G与轴向成 方向贴片） ，有兴趣的同学可自行推导其测试原理。45图 321扭角仪的安装五、试验步骤（1） 测量试件尺寸，方法如前所述。（2） 调整试验机夹头位置，装夹试件，转动夹头暂不夹紧，试件不受扭矩作用。（3） 进行计算机设置，选择扭矩、转角、5量程和加载速

8、度、输入文件名等，然后将 、 的初始读数置零。根据国标 GB1012888 规定，试件屈T服前扭转速度为 (o)/min，屈服后不大于 (o)/min。306360（4） 夹紧试件。（5） 点击“正转” ，开始加载试验。对于低碳钢试件，首先做 值测试。然后记录 曲线，注GT意 、 及总扭角 的值。对于铸铁试件，记录 曲线，注意 及总扭角 的值。sTbTbT（6） 试件被扭断，试验机自动停机，计算机打印试验结果（ 等）及 曲线。,bsT五、 记录表格试件直径量测记录（ ）m截面 1 截面 2 截面 33 处截面的平均直径3 处截面中平均直径最小值材料1 2平均 1 2平均 2平均低碳钢铸铁值测量

9、记录表G0T12T34T56T扭矩 )mN(位移 )(扭角 rad扭角增量 )(六、讨论问题（1） 比较低碳钢和铸铁试件受扭破坏的断口，分析破坏原因。（2） 根据低碳钢、铸铁的拉、压、扭试验结果，综合分析这 2 种材料的力学性能。6实验四 材料弹性常数 E、 测定一、实验目的1.测定材料的弹性模量 E 和泊松比 。2.验证胡克定律。3.学习电测法原理和多点测量技术。二、实验设备和仪器（1） 材料力学组合实验台。（2） 应变仪（YJ31、YE2538A 或其他型号） 。（3） 游标卡尺、钢尺各 1 把。三、原理和方法应变测量采用多点 1/4 桥公共补偿法。为减少误差，也为了验证胡克定律，采用等量

10、增载法，加载五次。即 Fi F0 iF （i 1，2，5） ，末级载荷 F5不应使应力超出材料的比例极限。初载荷 F0时将各电桥调平衡，每次加载后记录各点应变值。计算两纵向应变平均值 和两横向应变平均值 ，1i2i按最小二乘法计算 E 和 。（1） ， = （2）ibtF2 1ii图 1四、试验步骤1.打开应变仪电源，预热。2.试验台换上拉伸夹具，将力传感器上下位置 调整合适，安装试样。73.接线将力传感器的红、蓝、白、绿四线依次接在测力专用通道（0 通道）的 A、B、C 和 D 端。按多点1/4 桥公共补偿法对各测量片接线，即将试样上的应变片分别接在所选通道的 A、B 端。所选通道 B、B间

11、的连接片均应连上。将补偿片接在补偿 1（或 2）的接线端子上。4.设置参数根据接线的方式设置应变仪的参数，包括力传感器的校正系数，各通道的组桥方式、应变片的灵敏系数和阻值等。载荷限值设置为 1600N。5.平衡各通道电桥使试样处于完全不受载状态。按 、BAL键，再依次按各通道（包括 0 通道）对应的数字键。仪器依次显示各通道的初始不平衡量，并将该值存贮在仪器内。6.测量按MEAS键，再缓慢加载，力显示屏数字从 0 开始不断增加。每增加 300N，就暂停加载，依次按各（应变通道对应的）数字键，右屏上就依次显示各点应变值，记录之。共加载五级，然后卸载。重复5，6 两步骤，共测量三次。数据以表格形式

12、记录。五、实验结果及分析将三组数据分别按表 1-1 作初步处理，从而找出线性关系最好的一组。再用这组数据按公式（1）和（2）计算 E、 ，计算步骤列表示出（参考表 1）表 1纵向应变( )横向应变( )iiF（ N） 1i12i平均 1i 1i21i2i平均 2i 2i00 0 0 0 / 0 0 0 /1300260039004120051500注： = ， = 1ii1i2ii21i表 2b=24mm t=1.9mm F=300Ni i2 ( )1i( )2i( )2i( )2i12345/ /根据国家标准 GB865388，在弹性范围内测出不小于 8 组的轴向力、轴向应变和横向应变的数据

13、。然后用最小二乘法分别对轴向应力与轴向应变和轴向应变与横向应变进行直线拟合，所得的两条拟合直8BlPOAClDt线之斜率就分别为 和 。计算式如下：E （3）nillililE12 （4）nillitltil12式中的脚标 为测试的数据的组号， 8，其中i （5）0APii （6）nill1 （7）nitt1 （8）ni1如果测试的记录为 和 曲线，见图 2，则取两曲线中的直线段，求出斜率，然后按式（9） 、lPlt（10）计算出 、 值。E图 2 、 试验记录曲线示意E（9）lAP/0（10）lt六、讨论问题（1） 拉伸 值测试时，为什么要在试样上对称贴片？E（2） 根据测出的 、 值，计算

14、 值，然后和网上查询到（或设计手册上）的硬铝材料给G出的 、 和 值相比较，相差多少？G91234590687补 偿 片 hbPaxyc实验五 梁弯曲正应力测试梁在工程结构上的应用十分广泛，房屋、大堂、桥梁中的各种各样大梁、小梁是构成整座建筑的重要组成部分。掌握梁在载荷作用下的应力分布及大小，是进行梁设计的最基本知识。 试验目的（1） 测定梁在纯弯曲和横力弯曲下的弯曲正应力。（2） 掌握多点应变测量的方法。仪器设备与工具（1） 材料力学组合实验台。（2） 应变仪（YJ31、YE2538A 或其他型号） 。（3） 游标卡尺、钢尺各 1 把。试样制作图 1电阻应变片布置在矩形截面梁上粘贴上如图 1 所示的 2 组电阻应变片，应变片 15 分别贴在横力弯曲区，610 贴在纯弯曲区，同一组应变片之间的间隔距离相等。测试原理与方法测试原理见图 2，在载荷 的作用下，梁的中段为纯弯区，弯矩为：P（1）PaM21在左右两段为横力弯曲，贴片处的弯矩为：（2）c210图 2纯弯曲、横力弯曲试验原理及弯矩根据应变仪工作原理，按 1/4 桥接法，将 10 个测量片分别接到应变仪接线箱各电桥通道，共用一个补偿片。由应变仪测出各点的应变值 ，然后根据虎克定律求出各测点的应力，即：E另一方面，由弯曲正应力公式知：（3）IMy这样，根据贴片处的 坐标值，可算出各测点的应力的理论值