重庆大学材料力学教案实验i

绪论目前，材料力学课程中开设了两类实验课程，即：材料力学性能实验及实验应力分析实验。一、材料的力学性能实验对工程问题进行强度计算时，需要构件材料的力学性能指标，如屈服点s、抗拉强度b、疲劳强度1，此外，弹性极限p、杨氏弹性模量E、切变模量G等也是设计构件的基本参数，这些量都通过材料力学性能实验来测定。材料的力学性能，如强度极限b、持久极限1、冲击韧度k等，虽是材料的固有属性，但又往往随一些因素的改变而波动，如：试样的形状、尺寸、加工精度、表面粗糙度，对试样的加载速度，实验环境（实验时的温度，周围的介质情况）等。为了使不同材料的实验结果有比较的价值，我国指定了材料力学性能实验的国家标准，国家标准对试样的取材、形状、尺寸、加工精度、试验机的安装、实验的手段和方法、数据处理等都作了规定。我国国家标准的代号是GB，如GB10623-89为金属力学性能实验术语、GB3102-93为量和单位、GB228-87为金属拉伸实验方法、GB6397-86为金属拉伸实验试样……GB8170-87为数值修约规则。国际上也有相应的标准，国际标准的代号是ISO，国际间需要做仲裁实验时，必须采用国际标准。我国现行的国家标准与国际标准已基本接轨。二、实验应力分析解决实验问题，特别对于形状复杂或受力复杂的构件，采用解析方法时，常常遇到数学和计算方面的困难，没有适用的理论可计算应力。此时，常常采用实验应力分析方法或数值计算方法（如有限单元法）。今年来，虽然有限元方法等数值方法有很大发展，但数值方法必须以正确建立数学模型为前提，否则，不能提出正确的结果。而且，对数值计算的方法所得的结果，任需用实验方法来验证。因此，实验应力分析方法与数值方法起到了互相不补充、互相验证的作用。再者，对某些载荷和边界条件未知的问题，用数值方法求解时，还需采用实验方法提供必要的参数。采用实验方法时，对边界条件没有完全确定的情况，可以从实物中获得数据。有许多问题虽也可以采用数值计算的方法求解，但采用实验方法反而比数值方法经济的多，例如，一些几何形状载荷不对称的三维问题、应力集中问题、只需知道局部应力和变形的问题等。正因为实验应力分析方法在解决工程问题中的应力分析问题有其独特的作用，他能解决许多理论工作不能解决的工程实际问题，因此不能被理论取代，而被广泛的应用，并已发展成一门独立的学科。当然实验应力分析也有其局限性，如在某些特殊环境下现在还不能进行实验，试验精度还有待进一步提高。实验应力分析的方法很多，如电阻应变测量、光弹性力学、脆性涂层法、动纹法、全息干涉法、激光散斑干涉法等等。电阻应变测量法主要用于测量实物或模型表面的应变。由于它易实现实测的数字化和自动化，可进行无线电遥测，可在高温、高压液下、高速旋转及强磁场……等特殊条件下测量，具有频率相应好等优点，已成为实验应力分析中应用最广的一种方法。但由于它不能进行全域性测量等缺点，使它的应用范围受到一些限制。观测弹性力学已成为目前实验应力分析中一个有效及成熟的方法。光测弹性应力分析可以直接的观测到模型的全场应力分布，从而计算出机构构件的全场应力。特别是能够直接看到应力集中部位，并迅速、准确的确定应力集中系数。用此方法不仅能解决二维、三维问题，测定边界应力，而且能测定模型的内部应力。但对于热应力、动应力、塑性问题等的研究，还有一些有待解决的问题。至于其他方法在工程上的应用，可参阅“实验应力分析”教材及有关专著。实验一金属拉伸实验一、实验目的1.了解典型塑性材料低碳钢，典型脆性材料铸铁最基本之拉伸力学性能，并掌握材料基本力学性能指标的测试。2.观察两种材料变形（如低碳钢之线弹性变形、屈服现象、局部紧缩变形、铸铁瞬时脆断……）及破坏断口特点，也为以后应力状态分析与强度理论的学习、理解打下基础。3.初步使用、了解相关机器及仪器设备。二、实验内容1.低碳钢的拉伸1）绘制F-L拉伸曲线。2）在弹性变形阶段验证虎克定律，测定材料弹性模量E。3）测定强度指标：屈服点s，抗拉强度b。4）测定塑性指标：断后伸长率与断面收缩率。低碳钢拉伸曲线，铸铁拉伸曲线2.铸铁拉伸铸铁拉伸，无屈服现象，也不存在LF线性关系，所以只画LF曲线，测定抗拉强度b及断后伸长率。三、机器、仪器介绍1.数显液压万能材料试验机该试验机可以进行拉伸、压缩、弯曲、剪切等多种实验，故称为万能材料试验机。万能材料试验机就加载方法而言有机械式和液压式两种，本实验使用的机器为液压加载荷，数字显示，故称为数显式液压万能材料试验机。过去机械式和液压式万能材料试验机的测力装置大多采用杠杆摆锤系统。本试验机的测力、位移和变形均使用相应的传感器，将机械量转换成电量后实现测量和控制。本试验机使用自成一体的电子系统，故测量精度高，控制性能精良，使用方便，给力学试验带来了许多方便。现将WE-300型数显万能材料试验机的工作原理简述如下：该机由主机和电子控制箱组成（如图1-1）。图1-1数显式万能材料试验机1)主机：由上衡量、活动衡量、工作台、机座等组成。上衡梁、光杆、工作台构成一门式框架。电机通过链传动使丝杆旋转，带动有螺母的活动横梁上下移动，完成试验前夹头位置的调整。但不同过活动横梁的移动完成对试件的加载。上夹头与上横梁、下夹头与活动横梁联接。拉伸试件夹于上下夹头之间。实验时，活动横梁固定，油泵打出的高压油经送油阀，在压力控制阀的控制下，送给油缸，并推动活塞徐缓向上运动，带动工作台、光杆及上横梁、上夹头向上运动，完成对试件的拉伸。压缩试件应置于下压板上，当他们上升时，完成对试件的压缩。2）电控箱：由显示单元、测控单元、施动单元、液压源四部分组成。a.显示单元的面板如图1-2所示。位于电控箱上部。左侧数字表示活塞位移S及试件变形L的显示；右侧数字表示用于实验力F、实验力峰值的显示；消除按键用于消除力的峰值。b.测控单元面板如图1-3所示。由控制监视器、位移放大器、力放大器、变形放大器、侍服放大器及控制器等组成。是进行测量控制的核心单元。图1-2显示单元图1-3测控单元位移的测定是由液压传感器、位移传感器完成。变形的测定由固定在试件上的夹式引伸计完成。液压传感器完成对力信号的输出。测力通道由三个量程：1：1、1：2、1：5，他们分别对应载荷的最大量程为：300KN、150KN、60KN。面板上的旋钮A为试件原始面积选择按钮。每一分度为12mm，共有1000个分度，可度量试件的最大横截面积为10002mm。该机用电压侍服控制，使用压力控制阀来控制应力速度。每分度代表0.05N/2mmS，有1000个分度，最大速度为502/mmNS。本机用液压反系统将力控制在所需要的范围内。面板上设有三个可调电位器，可分别将力F、位移S、变形L调零，并设置了供绘图系统使用的力F、位移S、变形L的信号插孔。实验中的载荷加载、卸载通过下列五个按钮完成。在设定速度下的自动加载或自动卸载分别用或；快速加载加载或快速卸载用或；为停止按钮。图1-4拖动单元图1-5液压源c.拖动单元面板示意图如图1-4。由电源开关和油泵电机组成。d.液压源是试验机的动力源。由油泵电机组、油箱、送油阀、滤油器、压力控制阀等组成。面板示意图1-5。2.x-y函数记录仪它是一种采用自动平衡原理的记录仪，由测量电路与桥式电位差计的线路组成，是一种通用的笔式记录仪。其x、y轴各由一套独立的随动系统驱动，克自动记录两个输入电压，并将他们分别与x、y轴相联接，从而记录出y＝f（x）关系曲线。如在力学实验中需要测量载荷和变形关系，即F-L曲线，这时可以用x-y记录。当用x-y记录仪描绘LF曲线时，坐标纸不动，由变形传来的电讯号使笔架沿水平方向移动，由载荷传来的电讯号使笔沿垂直笔架的方向移动，当笔架和笔同时受电信号驱动时，就在坐标纸描绘出LF曲线。3086型yxA4记录仪如图1-6。各旋钮及开关的用途为：图1-6x-y函数记录仪正面途1）电源开关：用按压方式接通（ON）或切断（OFF）。接通电源时，在记录板上有两个红色光点出现。2）信号指示灯：电源接通时灯亮。3）记录笔。4）决定记录位置的光点：记录纸的刻度与此红色光点重合。5）记录纸台板。6）测量范围切换开关：设定输入灵敏度的开关。7）位置旋钮：设定记录仪笔的零位置。8）输入开关：是输入信号的ON-OFF开关，ZERO（零）时，记录仪输入短路，记录仪的输出开路。在MEAS（测量）下为测量状态。9）测量端子：即输入信号插座。10）抬笔开关：开时落笔，即笔尖与记录纸接触可进行记录；关时抬笔，笔尖与记录纸脱离。11）静电吸附开关：把记录纸吸附到台板上的开关，在HOLD状态下，记录纸借助静电吸附固定，在RELEASE状态下，纸可自由移动。3.变形传感器为了提高测量精度，特别是便于显示和联系记录，各种变形传感器大量出现。它们的作用是把感受到的试件变形转换成电量，输送到仪器，显示或记录。图1-7传感器的形式和种类很多，但其工作原理基本相同。它的基体是一个按需要制成一定形状的弹性元件，由它来感受形变。变形传感器弹性元件刚度较小，在感受变形时，粘贴在敏感部位的电阻应变片就会感受到应变，并把应变转换成电量变化以便测量和记录。下面介绍一种夹式引伸计的工作原理。应变式夹式引伸计是用来感受试件微量变形的传感器，亦叫变形传感器。在变形测量中起信号转换作用，将变形信号转变成电信号供下一级仪器测量或记录。图1-7为单向夹式引伸计的机构示意图。两个弹性元件像悬臂梁一样，一端固定，一端由刀口。在固定端附近对称的布有电阻应变片4321,,,RRRR，并组成全桥。工作时，引伸计通过刀口和橡胶圈固定在试件上，刀口间的距离为试件的标距。试件受力，轴向产生变形时，两刀口随试件伸长而发生位移，弹性元件产生弯曲变形，电桥因应变片变形而电阻值变化，失去平衡，这是输出断B，C有电压输出，输出电压增量与试件的变形成正比，通过仪器放大该电压，即可测试并记录，再将它转换成试件变形。四、实验步骤1.测定试件原始尺寸试件的制备是实验的重要环节，为了比较试验结果，需要按国家标准GB228-87将材料加工成标准试件。通常拉伸试件有如图1-8所示的圆形试件（a）和板状试件（b）图1-8按照规定，测试断后伸长率应采用比例试件，比例试件的长度有两种规定：圆形试件板状试件0000105dLdL003.1165.5SLSL本实验，低碳钢试件为选用0010dL圆形长试件，铸铁试件选用为005dL圆形短试件。1）测量直径0d：对标距0L范围内的三个截面进行测量，每截面沿互相垂直方向各测量一次取起平均值。0d采用三截面中的最小平均值。2）确定并测量标距长度0L：避开试件圆弧部分，将标距0L分为5等分或10等分，并用冲头在每等分处打上一小孔，量出标距长度。2.根据估算的试件破坏负荷和变形大小，设定试验机的量程范围。3.将x-y函数记录仪调整好，安装上记录纸。4.快速调节上下夹头间的距离，浮起工作台及上横梁5～10mm左右，并保持静止，安装试件并保持试件上下对中。5.设定x-y函数记录仪中x，y量程开关，对F。变形L轴进行数值标定，使LF曲线有足够的放大倍数。6.按下电控箱的载荷及位移位移按钮，分别调各对应电位器使载荷或位移显示落笔。7.把x-y函数记录仪的x，y轴均置于“测量”位置。调节曲线的起点，然后落笔。8.根据试件横截面积设定加载速度（一般调节到100～200分度）。9.开机加载。10.试件破坏后停机。11.整理现场，切断电源。五、试验结果整理1.强度指标计算屈服点0SFss抗拉强度0SFbb这里的屈服力sF应取屈服平台的下极限（除去瞬间效应），用下述方法求出。在x-y记录仪绘制的LF曲线中（如图1-9）找出屈服平台的下极限点，量出该点到L轴的垂直长度a及曲线最高点到L轴的垂直长度b，由于bF值（在试验机上可以直接读出）已知，根据比例关系即可求出屈服力sF值。bsFbaF2.塑性指标计算断后伸长率%100001LLL断面收缩率%100010SSS图1-9式中：0L——试件原始标距长