材料力学实验指导书文档格式.docx
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(2)试验机准备:
按试验机计算机打印机的顺序开机,开机后须预热十分钟才可使用。
按照“软件使用手册”,运行配套软件。
(3)安装夹具:
根据试件情况准备好夹具,并安装在夹具座上。
若夹具已安装好,对夹具进行检查。
(4)夹持试件:
若在上空间试验,则先将试件夹持在上夹头上,力清零消除试件自重后再夹持试件的另一端;
若在下空间试验,则先将试件夹持在下夹头上,力清零消除试件自重后再夹持试件的另一端。
(5)开始实验:
点击主机小键盘上的试样保护键,消除夹持力;
位移清零;
按运行命令按钮,按照软件设定的方案进行实验。
(6)记录数据:
试件拉断后,取下试件,将断裂试件的两端对齐、靠紧,用游标卡尺测出试件断裂后的标距长度l1及断口处的最小直径d1(一般从相互垂直方向测量两次后取平均值)。
2、压缩实验步骤
用游标卡尺在试件中点处两个相互垂直的方向测量直径d0,取其算术平均值,并测量试件高度h0。
(4)放置试件:
试验力清零;
把试件放在压盘中间,通过小键盘调节横梁位置,通过肉眼观察,到上压盘离试件上平面还有一定缝隙时停止。
(注意:
尽量将试件放在压盘的中心,如放偏的话对试验结果甚至是试验机都有影响。
)
试件压断后,取下试件;
记录强度载荷Fb。
六、实验报告内容及要求
1、绘制拉伸曲线(F-l曲线)。
低碳钢拉伸曲线
铸铁拉伸曲线
压缩曲线1
压缩曲线2
2、拉伸实验数据及计算结果处理。
实
验
材
料
试
件
规
格
实验前
实验后
屈服极限s/MPa
强度极限b/MPa
延伸率/
%
断面收缩率/%
截面尺寸d0/mm
截面面积A0/mm2
标距长度l0/mm
断口截面尺寸d0/mm
截面面积A1/mm2
标距长度l1/mm
测量
部位
测量
数值
平均值
d0
d1
低
碳
钢
上
中
下
3、压缩实验数据
第一根
直径(mm)
平均
高(mm)
第二根
3、计算铸铁压缩实验的强度极限b。
材料冲击实验
1、观察分析低碳钢材料在常温冲击下的破坏情况和断口形貌。
2、测定低碳钢材料的冲击韧度k值。
3、了解冲击试验方法。
1、液晶全自动金属摆锤冲击试验机。
2、游标卡尺。
本实验采用GB/T2291994标准规定的10mm10mm55mmU形缺口或V形缺口试件。
四、实验步骤及注意事项
1、测量试件缺口处尺寸,测三次,取平均值,计算出横截面面积。
2、检查回零误差和能量损失:
正式试验开始前在支座上不放试件的情况下“空打”一次:
(1)取摆:
按“取摆”键,摆锤逆时针转动;
(2)退销:
按“退销”键,保险销退销;
(3)冲击:
按“冲击”键,挂/脱摆机构动作,摆锤靠自重绕轴开始进行冲击;
(4)放摆:
按“放摆”键,保险销自动退销,当摆锤转至接近垂直位置时便自动停摆;
(5)清零:
按“清零”键,使摆锤角度值复位为零。
注意:
必须在摆锤处于垂直静止状态时方可执行此动作。
第一次“空打”后显示屏上显示的空打冲击吸收功N1即为回零误差,此值经校正后应不大于此摆锤标称能量值的%。
继续“空打”五次,记下第六次空打冲击吸收功N6,则摆锤在摆动中由于空气和摩擦阻力造成的能量损失为:
此值应不大于此摆锤标称能量值的%。
3、正式试验:
按“取摆”键,摆锤逆时针转动上扬,触动限位开关后由挂摆机构挂住,保险销弹出,此时可在支座上放置试件(注意试件缺口对中并位于受拉边)。
然后顺序执行以上“取摆”、“退销”、“冲击”、“放摆”动作。
显示屏上将显示该试件的冲击吸收功和相应的冲击韧度。
4、摆锤抬起后,严禁在摆锤摆动范围内站立、行走和放置障碍物。
五、实验数据记录及结果处理
材料
试件缺口处横截面积A(cm2)
冲击功W(Nm)
冲击韧度
(Nm/cm2)
低碳钢
铸铁
低碳钢低碳钢
材料的扭转实验
1、观察低碳钢和铸铁的变形现象及破坏形式。
2、测定低碳钢的剪切屈服极限和强度极限。
3、测定铸铁的剪切强度极限。
1、微机控制电子扭转试验机。
三、实验试件
实验所用试件与拉伸试件标准相同,如下图1所示。
为防止打滑,试件的夹持段宜为类矩形:
图1
圆柱形试件在扭转时,横截面边缘上任一点处于纯剪切应力状态(图2)。
由于纯剪切
应力状态是属于二向应力状态,两个主应力的绝对值相等,大小等于横截面上该点处的剪应力
与轴线成45°
角。
圆杆扭转时横截面上有最大剪应力,而45°
斜截面上有最大拉应力,由此可以分析低碳钢和铸铁扭转时的破坏原因。
由于低碳钢的抗剪强度低于抗拉强度,试件横截面上的最大剪应力引起沿横截面剪断破坏;
而铸铁抗拉强度低于抗剪强度,试件由与杆轴线成45°
的斜截面上的
引起拉断破坏。
图2
在低碳钢试件受扭过程中,通过扭矩传感器和扭角传感器进行数据采集,A/D转换和处理,并输入计算机,得到
曲线,
曲线也叫扭转图,如图3所示。
图中起始直线段OA表示试件在这个阶段中的
成比例,截面上的剪应力是线性分布,如图4(a)所示。
此时截面周边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限
。
由于这时截面内部的剪应力小于
,故试件仍具有承载能力,
曲线呈继续上升的趋势。
扭矩超过
后,截面上的剪应力分布不再是线性的,如图4(b)所示。
在截面上出现了一个环状塑性区,并随着
的增长,塑性区逐步向中心扩展,
曲线稍微上升,直至B点趋于平坦,截面上各点材料完全达到屈服,这时的扭矩即为屈服扭矩
,如图4(c)所示。
图3
剪切屈服极限为:
(1)
式中,
是实心试件的抗扭截面模量(或称抗扭截面系数)。
时的剪应力分布
时的剪应力分布
(a)(b)(c)
图4
继续给试件加载,试件再继续变形,材料进一步强化。
从图3看出,当扭矩超过
后,
增加很快,而
增加很小,BC近似一根不通过坐标原点的直线。
在C点时,试件被剪断,此时的扭矩为最大扭矩
剪切强度极限为:
(2)
但是,为了试验结果相互之间的可比性,根据国标GB/T10128-1988规定,低碳钢扭转屈服点和抗扭强度采用下式计算:
(3)
铸铁材料的
曲线如图5所示,从开始受扭直到破坏,近似为一直线,故近似地按弹性应力公式计算:
(4)
Tb
图5
1、试件准备:
在标距的两端及中部三个位置上,沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值,再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d。
在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线,以便观察扭转变形。
2、试验机准备:
按试验机→计算机→打印机的顺序开机,开机后须预热十分钟才可使用。
根据计算机的提示,设定试验方案,试验参数。
3、装夹试件:
(1)先将一个定位环夹套在试件的一端,装上卡盘,将螺钉拧紧。
再将另一个定位环夹套在试件的另一端,装上另一卡盘;
根据不同的试件标距要求,将试件搁放在相应的V形块上,使两卡盘与V形块的两端贴紧,保证卡盘与试件垂直,以确保标距准确。
将卡盘上的螺钉拧紧。
(2)先按“对正”按键,使两夹头对正。
如发现夹头有明显的偏差,请按下“正转”或“反转”按键进行微调。
将已安装卡盘的试件的一端放入从动夹头的钳口间,扳动夹头的手柄将试件夹紧。
按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。
推动移动支座移动,使试件的头部进入主动夹头的钳口间。
先按下“试件保护”按键,然后慢速扳动夹头的手柄,直至将试件夹紧。
(3)将扭角测量装置的转动臂的距离调好,转动转动臂,使测量辊压在卡盘上。
4、开始试验:
按“扭转角清零”按键,使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。
按“运行”键,开始试验。
5、记录数据:
试件断裂后,取下试件,观察分析断口形貌和塑性变形能力,填写实验数据和计算结果。
6、试验结束:
试验结束后,清理好机器,以及夹头中的铁屑,关断电源。
1、实验数据记录及结果处理:
材料
最小直径d/mm
抗扭截面模量Wp/mm3
屈服扭矩Ts/Nm
破坏扭矩Tb/Nm
剪切屈服极限MPa
剪切强度极限MPa
断口形状
破坏的力学原因
平
剪断
铸铁
不平
拉断
2、绘制材料的扭转曲线(
曲线)。
铸铁的扭转曲线
3、绘制材料的断口草图,说明其特征并分析破坏原因。
低碳钢的断口是平的,破坏原因是被剪断的;
铸铁的断口是不平的,断痕与轴线大约成45°
,破坏原因是被拉断的。
应变测量实验
一、实验目的
1、学习应变片粘贴、使用的基本方法
2、学习电桥的联线方法及电桥的测量原理和特点
3、学习使用WS-3811应变仪测量应变的基本方法
二、实验原理
利用惠斯登电桥原理进行测量
三、实验仪器
微型计算机、WS-3811数字式应变仪、桥盒、应变片及其附件
四、实验内容
1、选片:
在确定采用那种类型的应变计后,用肉眼或放大镜检查丝栅是否平行,有否霉点、锈点、用数字式万用表测量各应变片电阻值。
所选应变片的电阻阻值要与其桥盒匹配,如桥盒内置电阻为120Ω,那么,使用的应变片也要是120Ω。
2、测点表面的清洁处理:
为使应变计能与被测试件贴牢,对测点表面要进行清洁处理。
首先把测点表面用砂纸打磨;
使测点表面平整、光洁。
然后用棉花球蘸丙酮擦洗表面的油污,到棉花球不黑为止。
打磨好的表面,如暂时不贴片,可涂以凡士林等防止氧化。
3、贴片:
在测点位置和应变片的底基面上,涂上薄薄一层胶水,一手捏住应变片引出线,在应变片上面盖一层聚乙烯塑料膜作为隔层,用手指在应变片的长度方向滚压,挤出片下气泡和多余的胶水,直到应变片与被测物紧密粘合为止。
手指保持不动按压抑段时间后再放开,注意按压时不要使应变片移动,轻轻掀开薄膜检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象,否则需重贴。
注意粘结剂不要用得过多或过少,过多则胶层太厚影响应变片性能,过少则粘结不牢不能准确传递应变。
4、干燥处理:
应变计粘贴好后应有足够的粘结强度以保证与试件共同变形。
此外,应变计和试件间应有一定的绝缘度,以保证应变读数的稳定。
为此,在贴好片后就需要进行干燥处理,气温在20℃以上,相对湿度在55%左右时用502胶水粘贴,采用自然干燥即可。
5、接线:
由于应变片的两条连线很细,所以要应使用“转接片”连接导线(如图所示),避免测量时拉短应变片的连线。
6、防潮处理:
为避免胶层吸收空气中的水分而降低绝缘电阻值,应在应变片接好线并且绝缘电阻达到要求后,立即对应变计进行防潮处理。
防潮处理应根据实验的要求和环境采用不同的防潮材料。
一般选用703、704硅胶即可。
7、应变桥盒的接线方法:
(1)应变仪面板7针信号输入插头接线方
应变桥(桥压:
±
1V
)接线方法:
④桥压-1V③桥压-1V
⑤桥压+1V②信号+
⑥桥压+1V①信号-
⑦屏蔽地
说明:
7针插头接线方法:
针1:
信号-
针2:
信号+
针3:
桥压-1V
针4:
针5:
桥压+1V
针6:
针7:
屏蔽地
应变仪面板(7针插头)电压信号(对于输出为电压的传感器)输入接线方法:
②信号+
①信号-
⑦信号地
接线说明:
应变仪(7针插头)测量端(电压信号)
①信号+ 信号+
②信号- 信号-
(2)应变桥盒使用方法
桥盒内部电路见后附电路图。
一个应变片桥盒(1/4桥)使用方法
2线制(1/4桥)
1个测量应变片
单应变片桥路逻辑图
应变片贴法
1/4桥桥盒接线图示
按“1/4桥盒接法图示”把一个应变片接到两条线的另一端,注意桥盒上要有3个短接插片。
二个应变片桥盒(半桥)使用方法
1个补偿应变片(静止)
2个测量应变片R1和R2(半桥)同面垂直粘贴逻辑图
半桥桥盒接线图示
按“半桥盒接法图示”把两个应变片分辨接到“红-黑”线和“蓝-黑”线的另一端,其中黑线为两个应变片的共用线,注意桥盒上要去掉1个短接插片,保留2个短接插片。
8、测试量程和滤波设置
打开Vib’SYS信号采集、处理和分析软件,从菜单“信号采集”选择“动、静应变采集”进入应变测量界面,如下图所示。
对于应变或其它传感器信号的测量,应选择比较适合的测量量程,选择测量量程时应尽量选择比较小的量程,仪器的量程越小精度越高;
(该仪器已将测试值标称为微应变(με
),标定系数为1,即测试值1代表1个με)。
(1)应变量程设置
当测量应变时,对于应变片灵敏度系数K=2和桥压为±
1伏的情况下,每个微应变(με
)对应于1个微伏(μV),这时应变测量有两挡选择,应变量程设置:
量程1:
4000με
量程2:
40000με
设置方法:
进入量程及滤波设定界面,选择量程和要设置的通道,点击“设置…”。
相应通道量程即被设定,也可直接点击界面中的“〇”,单独设置各通道量程,对应通道变为“●”;
(2)滤波频率设置
仪器中设计了低通滤波器,当测量应变时,由于存在各种干扰,所以在进行测试时,先要设置滤波频率,滤波频率范围(2Hz~50KHz);
(通常设置为20Hz即可)。
设置方法:
进入量程及滤波设定界面,点击“滤波设置…”,输入相应通道滤波频率,点击“确定”,退出滤波设置;
量程和滤波频率设置就绪后,点击“设置到仪器”,将所需量程和滤波频率设置到仪器。
9、仪器校准
首次测试或经过长时间不用时,需对仪器进行校准,该仪器具有自动校准功能;
校准的目的是使测试值更加精确。
校准方法:
断开各通道,即拔下桥合接头;
设置各校准通道的量程和滤波频率;
一切就绪后,进“仪器校准”栏点击“自动校准”,仪器开始进行校准,该过程需要持续若干秒时间,当然也可中途退出校准;
校准完成,校准结果(一般都在左右)显示于对应通道栏中;
校准结果可保存,点击“存校准值”,输入文件名,校准结果保存于文件中,下次测试时可直接读入,点击“读校准值”,选择校准文件,读入校准值;
点击“不校准”,不对仪器进行校准。
10、动态应变数据采集
对于随时间变化比较快的应变信号,要用动态应变数据采集。
当进行动态应变数据采集时,动态采集的应变数据直接记录到计算机硬盘中,采集的数据量由计算机硬盘容量定,采集结束以后,把采集得到应变数据调出进行分析处理。
(1)非定时动态应变采集
该数字式应变仪采集总采样频率为100KHz,在进行动态应变采集时可根据实际测试情况选择,但通道采样频率总和不能超过100KHz,(通常应变测试采样频率不宜设得过高,一般每通道1000Hz即可)。
点击“设置采集参数”在采样频率栏中输入采样频率;
在采集时间栏中输入所需时间值单位(秒),选择采集开始通道和结束通道,选择显示通道,一切就绪后;
点击“开始示波”,此时可以观测各通道采集数据波形,采集数据不保存,当你认为采集数据需要保存时,点击“开始记录”,选择保存数据文件“*.YB”开始记录,采集数据开始记录于硬盘中,直到采集时间结束,也可中途退出采集;
采集结束数据文件自动转换为“*.TIM”格式,便于后续处理绘图等;
如果中途发生断电等意外情况,数据也能自动保存,但只有“*.YB”文件,后续处理时,需将该文件转换为“*.TIM”格式文件,具体操作是:
点击“打开应变数据文件”,选择需要转换的“*.YB”文件,再点击“转换为Vib’SYS格式”,选择要转换为的“*.TIM”文件即可转换完成。
(2)定时动态应变采集
定时动态采集是指:
每间隔一段时间采集一段时间数据,一旦点击开始采集,该过程将一直持续下去,直到点击停止采集;
数据文件名自动加上每次开始采集时刻分别保存;
具体操作是:
选中“定时采集”,输入定时采集时间间隔,注意不能小于每次采集时间,其余参数设置同非定时动态应变采集,一切就绪后,点击“开始记录”,开始定时采集,直到点击“停止记录”,结束定时采集。
(3)采集清零
对于应变的测量,桥路一般有一定的不平衡,那么在没有加载之前,仪器测量的电压不是零,有一定的偏移量,所以在采集之前要进行清零操作,然后开始采集和对被测试件进行加载,点击“修改零值”可以指定各通道零值。
11、静态数据采集
当被测信号随时间变化比较缓慢时,可用静态数据采集。
当进行静态数据采集时,采集的数据直接记录到计算机硬盘中。
(1)静态采集
进入定时静态采集界面:
输入采集采样频率(一般为1000Hz)和采集时间间隔,选择开始通道和结束通道,一切就绪后,点击“开始采集”,提示是否保存数据,如保存需选择保存文件“*.TXT”(该文件以文本格式保存,便于直接查看)后开始采集,数据实时显示于界面中,同时各通道曲线显示于波形显示界面中,直到点击“停止采集”结束本次操作。
(2)采集清零
12、记录实验数据
五、思考题
1、应变桥接法中的半桥盒接法和1/4桥盒接法在应用上有什么差别?
答:
半桥盒接法是用来测量同面垂直粘贴的2个测量应变片R1和R2的;
而1/4桥盒接法是用来测量单个应变片的。
2、使用应变仪进行应变采集之前为什么要进行清零操作?
清零操作和之前的仪器校准操作的作用有何不同?
答;
对于应变的测量,桥路一般有一定的不平衡,那么在没有加在之前,仪器测量的电压不是零,有一定的偏移量,所以在采集之前要进行清零操作。
而校准的作用是使测试值更加准确。
三、实验数据及处理
梁试件的弹性模量
Pa
梁试件的横截面尺寸
=41㎜,
=21㎜
支座到集中力作用点的距离
=97㎜
各测点到中性层的位置:
=㎜
=0㎜
=㎜
=㎜
载荷(N)
静态电子应变仪读数
1点
2点
3点
4点
5点
6点
读数
增量
604
-23
-10
13
-11
4
640
1
-6
9
1244
-46
-21
26
-18
744
-28
-14
14
-8
1988
-74
-35
2
40
-26
应变片位置
实验应力值/MPa
理论应力值/MPa
相对误差/%
0
88
65
泊松比值
注:
表中读数
、
为两次实验所得读数的平均值。
为荷载增量的平均值。
为各点应变增量的平均值
四、应力分布图(理论和实验的应力分布图画在同一图上)
五、思考题
1.为什么要把温度补偿片贴在与构件相同的材料上?
2.影响实验结