1、內(nèi)容簡介為適應實驗技術的發(fā)展和實驗設備的更新，本書把材料力學實驗分為材料的力學性能實驗、電測實驗、綜合性和設計性實驗和光彈性實驗四個部分。材料的力學性能實驗主要是破壞性實驗，其中包括材料拉伸彈性模量測定的機測實驗；電測實驗部分主要為電測實驗方法和配合更新的實驗設備所做的常用的電測實驗，其中包括用電測方法測定拉伸彈性模量和泊松比的實驗；綜合性和設計性實驗主要介紹復合材料的基本實驗方法、電測實驗的應用和殘余應力的測試技術；光彈性實驗主要介紹光學實驗的基礎知識。本書可作為高等學校工科本科材料力學課程的配套教材，作為不單獨開設實驗課學校使用，也可用于開放實驗室，作為獨立開課的學校選用。前言 為提高本科

2、大學生的實驗技能和工作實踐能力，適應教育部關于工科高等學?；A課力學實驗教學，也為力學實驗課獨立開課作準備，編寫了這本教材。全書共分五章和附錄。第一章為緒論，闡述材料力學實驗的任務和地位以及今后的發(fā)展方向。第二章主要講述材料力學實驗所需的材料試驗機的結構和原理，尤其把最新的電子萬能材料試驗機的操作納入本教材，把傳統(tǒng)的由人操作材料試驗機的操作方式改為由人和計算機共同控制材料試驗機的方式，真正能夠達到嚴格按國家標準進行實驗。另外詳細介紹了材料力學性能測試的實驗方法和幾種破壞性實驗。第三章主要介紹電測實驗方法，也主要根據(jù)學校自己研制的多功能電測實驗裝置的性能，編寫所能做的實驗及操作方法。如果力學實驗

3、單獨開課，這些實驗也可增加由學生從自己粘貼應變計到設計電測橋路，到最后實現(xiàn)實驗的目的。第四章為綜合性和設計性實驗，這些實驗主要把學生在前一階段所學的知識應用到實際測試中，真正做到提高學生的動手能力。第五章簡單地描述光彈性實驗，讓學生了解更多的實驗方法，拓寬實驗知識。本書承宋顯輝副教授和劉禹欽高級實驗師審閱和指導，在此表示衷心的感謝。武漢理工大學力學實驗中心的李守信、朱京揚、吳向春、周麗、張紅旗、謝建雄等教師參加了本書部分內(nèi)容的編寫工作。限于編者的水平，教材可能有欠妥之處，懇請廣大師生和讀者批評指正。 編者 2004年5月目 錄第一章 緒論1-1材料力學實驗的任務和地位1-2材料力學實驗的發(fā)展第

4、二章材料的力學性能實驗 2-1 液壓式萬能材料試驗機 2-2 機械式萬能材料試驗機 2-3 電子萬能材料試驗機 2-4 扭轉試驗機 2-5 引伸計 2-6 金屬的拉伸實驗 2-7 金屬的壓縮實驗 2-8 拉伸彈性模量(E)的測定2-9 扭轉實驗2-10沖擊實驗2-11疲勞實驗第三章 電阻應變測量技術 3-1 概述 3-2 電阻應變計 3-3 電阻應變儀 3-4 測量電橋的接法 3-5 彎曲正應力實驗 3-6 拉伸彈性模量(E)及泊松比()的測定 3-7 剪切模量(G)的測定 3-8 彎扭組合變形主應力的測定 第四章綜合性和設計性實驗 4-1 復合材料的拉伸實驗4-2 電阻應變計的粘貼實驗4-3

5、 電阻應變計靈敏系數(shù)K的測定4-4 彎扭組合變形下的空心管的內(nèi)力測定4-5 力傳感器的制作4-6 壓桿臨界壓力的測定4-7 偏心拉伸實驗4-8規(guī)定非比例延伸強度（Rp0.2）的測定（方法一）4-9規(guī)定非比例延伸強度（Rp0.2）的測定（方法二）4-10鉆盲孔法測量殘余應力4-11 動態(tài)應變測量（方法一） 4-12 動態(tài)應變測量實驗（方法二）第五章光彈性實驗5-1 光測彈性儀5-2 光彈性實驗（演示）5-3 等色線、等傾線圖的描繪5-4 材料條紋值的測定參考資料附 錄附錄 I 誤差理論和數(shù)據(jù)處理附錄 材料力學實驗性能試驗的國家標準簡介附錄 實驗報告第一章 緒 論1-1 材料力學實驗的任務和地位

6、材料力學實驗是力學實驗的一個分支，是材料力學的重要組成部分。力學實驗一般分為以下三種類型：1、前瞻性實驗：引導力學學科的發(fā)展。2、礎性實驗：支持和建立新的力學理論，檢驗和修正已有的力學理論。3、應用性實驗：為工程設計規(guī)范制定提供依據(jù)。一、材料力學實驗的任務1、面向生產(chǎn)為生產(chǎn)服務。根據(jù)正規(guī)生產(chǎn)過程，科學設計的程序應該是：首先了解工況、外載荷、設計范圍等；其次是選料、設計尺寸、強度核算和應力分析；然后試生產(chǎn)、現(xiàn)場實測、事故分析，經(jīng)過長期觀察，最后才能投產(chǎn)。材料力學試驗在這兒扮演了主要角色。2、面對新技術新方法的引入，研究新的測試手段。近二十年來由于光學的大發(fā)展，光電子學，光纖的發(fā)展，產(chǎn)生了很多新的

7、光測法，概括可稱為“光力學”。還有疲勞、斷裂、細微尺度力學實驗等。3、面向材料力學，為材料力學的理論建設服務。材料力學的一些理論是以某些假設為基礎的，例如桿件的彎曲理論就以平面假設為基礎。用實驗驗證這些理論的正確性和適用范圍，有助于加深對理論的認識和理解。至于對新建立的理論和公式，用實驗來驗證更是必不可少的。實驗是驗證、修正和發(fā)展理論的必要手段。二、材料力學實驗的地位1、是材料力學中新的理論及計算方法提出的必要前提，用新的理論，計算方法所得的結果要經(jīng)過實驗驗證。2、能解決許多理論工作無法解決的工程實際問題。某些情況下，例如因構件幾何形狀不規(guī)則或受力復雜等，應力計算并無適用理論。這時，用諸如電測

8、、光彈性等實驗應力分析方法直接測定構件的應力，便成為有效的方法。對經(jīng)過較大簡化后得出的理論計算或數(shù)值計算，其結果的可靠性更有賴于實驗應力分析的驗證。3、是材料力學發(fā)展的三大支柱（新的理論，計算方法，力學實驗）之一。1-2 材料力學實驗的發(fā)展一、歷史回顧從發(fā)展史來看，力學實驗的發(fā)展與理論發(fā)展不同。理論往往是有一個體系，并不斷發(fā)展和完善的。而力學實驗就不同了，它的方法都借助于物理基礎、新概念和新技術，經(jīng)過再創(chuàng)造使之為力學服務，它不斷更新，形成許多種相對獨立的方法，如光彈性、電阻應變測量、云紋、聲發(fā)射等。因此，由于力學實驗的多體系、相對獨立性、困難性、交叉性、滲透性和無界性，所以要講材料力學實驗的發(fā)

9、展史是很困難的。大家一般只知道力學實驗近幾十年的情況，對它的過去往往不甚了解。其實，力學實驗歷史是很悠久的，可以說與理論平行。實驗與實踐是一樣的，不過一個在實驗室，一個在現(xiàn)場。在材料力學方面又何嘗不是如此，如果沒有現(xiàn)場實驗作為基礎，我們的祖先怎可能在沒有理論體系的情況下，造出那么多出色的建筑，如塔、宮殿、趙州石橋等，至今猶存。材料力學實驗的發(fā)展在西方有記載的首先要算達.芬奇（Da Vinci），他既是藝術家、科學家，又是工程師，實驗工作者，他做了梁的彎曲試驗。以后就是伽利略（Galileo），在他25歲時受聘比薩大學當教授，他做過懸臂梁試驗和拉伸強度試驗。他是數(shù)學家、天文學家，又是實驗力學工作

10、者。再以后就是虎克（Hooke），他在1678年發(fā)表彈簧論文，從而產(chǎn)生了虎克定律，給彈性力學奠定了理論基礎。以后馬里沃特（Mariotte）的簡支梁試驗，伯努里(Bernoulli)的懸臂梁試驗，歐拉（Euler）的穩(wěn)定試驗，庫侖（Coulumb）的剪切試驗，還有泊松（Poisson），圣維南（St.Venant），柯西（Cauchy），納維（Navier）等。我國是一個文明古國，有記載的是墨子經(jīng)下篇記有：“發(fā)均懸輕而發(fā)絕，不均也，均其絕也莫絕?！庇终f“衡木加重焉而不撓極勝重也。若校交繩無加焉而撓極不勝重也?！蹦舆@個拉伸與彎曲試驗比伽利略要早2000年。二、材料力學實驗的現(xiàn)狀 我國材料力學方

11、面的論文多偏重于經(jīng)典理論和方法，缺乏有根據(jù)的計算和實驗驗證，雖然理論做的很細很巧，但不能說是一個完美的科學成果。突破實驗和計算這兩個薄弱環(huán)節(jié)應該是我國材料力學工作更上一層樓的急迫任務。材料力學方面的科研成果如果缺乏實驗驗證就是個不完整的成果，不僅是做零星的、個別的實驗，而要做大量的、系統(tǒng)的實驗。三、材料力學實驗的發(fā)展特點1.速度快。光彈用了100年才完善，電測用了20多年就完善了，全息、散斑、云紋干涉用了不到10年左右就很成熟了。 2.相互滲透。1960年全息干涉發(fā)展以后被引用到光彈性中來稱為全息光彈性，用于云紋法稱為全息云紋等。3.材料力學實驗中的新方法與其他學科交叉。比如斷裂力學實驗，生物

12、力學實驗，復合材料力學實驗等。四、材料力學實驗的發(fā)展趨勢1.實驗技術向廣度和深度發(fā)展。廣度：例如日益廣泛地應用電阻應變測量技術，使得從真空到高壓，從深冷到高溫，從靜態(tài)到高頻條件下的應變，都可獲得有效的測量數(shù)據(jù)。又如把經(jīng)典方法和新興科學技術結合起來（全息干涉法，全息光彈性法，散斑干涉法，聲發(fā)射技術等），不斷增加測試手段，擴大了測量和應用范圍，或提高了測試精度。深度：開展宏觀和微觀相結合的實驗研究，深入探索失效機理和各種影響材料強度因素的規(guī)律性。2.實驗裝備的自動化。在實驗數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和控制方面實現(xiàn)計算機化。如大型動載實驗，已能做到實時的數(shù)據(jù)處理，大大縮短試驗周期，及時提供準確的試驗分析

13、數(shù)據(jù)和圖表。即使是多年來難以實現(xiàn)自動化的光彈性儀，也已出現(xiàn)多種光彈性自動測試裝置的方案。3. 隨著計算機及有限元分析和其他數(shù)值分析方法的應用，材料力學實驗正朝著實驗與計算相結合，物理模型與數(shù)學模型相結合的方向發(fā)展。第二章 材料的力學性能實驗2-1 液壓式萬能材料試驗機 測定材料的力學性能的主要設備是材料試驗機。常用的材料試驗機有拉力試驗機、壓力試驗機、扭轉試驗機、沖擊試驗機、疲勞試驗機等。能兼作拉伸、壓縮、剪切、彎曲等多種實驗的試驗機稱為萬能材料試驗機。根據(jù)加力的性質(zhì)可分為靜荷試驗機和動荷試驗機。供靜力實驗用的萬能材料試驗機有液壓式、機械式、電子式等類型。下面將著重介紹這三種類型的萬能材料試驗

14、機。圖21 液壓式萬能材料試驗機結構簡圖為介紹液壓式萬能材料試驗機，現(xiàn)以國產(chǎn)WE系列為例。圖2-1為這一系列中最常見的WE-100A、300、600試驗機的結構簡圖?，F(xiàn)分別介紹其加載系統(tǒng)和測力系統(tǒng)。一、加載系統(tǒng) 在底座1上由兩根固定立柱5和固定橫梁12組成承載框架。工作油缸13固定于框架上。在工作油缸的工作活塞14上，支承著由上橫梁15、活動立柱10和活動平臺8組成的活動框架。當油泵35啟動時，油液通過送油閥16，經(jīng)送油管17進入工作油缸，把工作活塞連同活動平臺一同頂起。這樣，如把試樣安裝于上夾頭7和下夾頭6之間，由于下夾頭固定，上夾頭隨活動平臺上升，試樣將受到拉伸。若把試樣置放于兩個承壓墊板

15、11之間，或將受彎試樣置放于兩個彎曲支座9上，則因固定橫梁不動而活動平臺上升，試樣將分別受到壓縮或彎曲。此外，實驗開始前如欲調(diào)整上、下夾頭之間的距離，則可開動調(diào)位電機3，驅動螺桿4，便可使下夾頭上升或下降。但調(diào)位電機不能用來給試樣施加拉力。二、測力系統(tǒng) 加載時，開動油泵電機，打開送油閥16，油泵把油液送入工作油缸13頂起工作活塞14給試樣加載；同時，油液經(jīng)回油管18及測力油管33（這時回油閥19是關閉的，油液不能流回油箱34），進入測力油缸32，壓迫測力活塞31、使它帶動拉桿27向下移動，從而迫使擺桿28和擺錘29連同推桿25繞支點偏轉。推桿偏轉時，推動齒桿24作水平移動，于是驅動示力盤的指針

16、齒輪，使示力指針23繞示力度盤22的中心旋轉。示力指針旋轉的角度與測力油缸活塞上的總壓力（即拉桿27所受拉力）成正比。因為測力油缸和工作油缸中油壓壓強相同，兩個油缸活塞上的總壓力成正比（活塞面積之比）。這樣，示力指針的轉角便與工作油缸活塞上的總壓力，亦即試樣所受載荷成正比。經(jīng)過標定便可使指針在示力度盤上直接指示載荷的大小。試驗機一般配有重量不同的擺錘，可供選擇。對重量不同的擺錘，使示力指針轉同樣的轉角，所需油壓并不相同，即載荷并不相同。所以，示力度盤上由刻度表示的測力范圍應與擺錘的重量相匹配。以WE300試驗機為例，它配有A、B、C三種擺錘。擺錘A對應的測力范圍為060kN，AB對應0150k

17、N，ABC對應0300kN。開動油泵電機，送油閥開啟的大小可以調(diào)節(jié)油液進入工作油缸的快慢，因而可用以控制增加載荷的速度。開啟回油閥19，可使工作油缸中的油液經(jīng)回油管18泄回油箱34，從而卸減試樣所受載荷。實驗開始前，為消除活動框架等的自重影響，應開動油泵送油，將活動平臺升高10mm左右。然后調(diào)節(jié)測力部分的平衡鉈26，使擺桿28保持垂直位置，并使示力指針指在零點。試驗機上一般還有自動繪圖裝置。它的工作原理是，活動平臺上升時，由繞過滑輪的拉繩帶動滾筒20繞軸線轉動，在滾筒圓柱面上構成沿周線表示位移的坐標；同時齒桿24的移動構成沿滾筒軸線表示載荷的坐標。這樣，實驗時繪圖筆21在滾筒上就可自動繪出載荷

18、位移曲線。當然，這只是一條定性曲線，不是很準確的。三、操作規(guī)程和注意事項 1、根據(jù)試樣尺寸和材料，估計最大載荷，選定相應的示力度盤和擺錘重量。需要自動繪圖時，事先應將滾筒上的紙和筆裝妥。2、先關閉送油閥和回油閥，再開動油泵電機。待油泵工作正常后，開啟送油閥將活動平臺升高約10mm，以消除其自重。然后關閉送油閥，安裝好試樣，調(diào)整示力度盤指針使它指在零點。3、安裝拉伸試樣時，可開動調(diào)位電機3以調(diào)整下夾頭位置，試樣安裝好后就不能再啟動調(diào)位電機。4、緩慢開啟送油閥，給試樣平穩(wěn)加載。應避免油閥開啟過大進油太快。實驗進行中，注意不要觸動擺桿或擺錘。5、實驗完畢，關閉送油閥，停止油泵工作。破壞性實驗先取下試

19、樣，再緩緩打開回油閥將油液放回油箱。非破壞性實驗，自然應先開回油閥卸載，才能取下試樣。2-2 機械式萬能材料試驗機機械式萬能材料試驗機是一種靠機械傳動加力和測力的專用設備，這種試驗機也可作拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗。現(xiàn)以ZDM型號的試驗機為例介紹機械式萬能試驗機。其結構簡圖如圖2-2所示。一、加載系統(tǒng) 由底座4、兩個固定立柱6和上橫頭16組成承力固定框架?？蚣苤虚g裝有活動臺12，在活動臺的上空間可分別進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切等實驗。這種試驗機可分別用電動和手搖裝置加載。用電動加載時要先將離合器手柄10置于“慢速”位置，再開啟電動機1、通過無級變速器2帶動底座中的渦輪蝸桿3轉動。通過螺桿5帶

20、動活動臺12和下夾頭15沿導軌14向下或向上移動，試件裝夾在上夾頭和下夾頭中間，活動臺向下移動使試樣受拉伸，向上移動使試樣受壓縮?？赏ㄟ^轉動手輪8來調(diào)節(jié)加載速度，手輪上的標刻值是指下夾頭的移動速度，其速度范圍為530mm/min。注意只有在電動機運轉的情況下，才能通過手輪調(diào)節(jié)加載速度。為了防止隨便轉動手輪8，平時應該用鎖緊手柄9將手輪卡緊，以免損壞機件。需要手動圖22 機械式萬能材料試驗機結構簡圖慢速加載時，將離合器手柄10調(diào)到“手動”位置，再搖動手柄7使下夾頭移動。 如果需要快速調(diào)整上下夾頭之間的距離，要先將離合器手柄10調(diào)到“快速”位置，這時電動機1和小電動機13同時工作，它們帶動螺桿5較

21、快轉動，從而使下夾頭快速移動。開啟小電動機13要注意兩點：第一，它的功率很小，只能空載運行。第二，它的速度很快要注意及時停機，防止上下夾頭沖撞而損壞電動機。二、測力系統(tǒng)試件安裝在上下夾頭之間，載荷通過AB和CE兩級杠桿系統(tǒng)17傳遞，帶動擺錘23繞支點轉動而抬起。AB杠桿有兩個支點，試樣受拉時，以A為支點，B脫離；試樣受壓時，會自動以B為支點，A點脫離。從而無論試樣受拉還是受壓CE杠桿的動作均一致，擺錘也總向一個方向擺動，推動水平齒桿22移動，在示力度盤20上便可讀出試件承受的拉力或壓力大小。這種試驗機的擺錘分A、B、C三種，對于100KN的試驗機，對應的測力范圍分別為020kN、050kN、0

22、100kN。上夾頭及杠桿系統(tǒng)的重量由平衡鉈18來平衡。實驗開始前調(diào)整平衡鉈使擺桿19保持垂直，示力指針21對準零點。由于這種試驗機的結構特點，零點不易變更，所以無須經(jīng)常調(diào)整零點。三、操作步驟和注意事項 1、根據(jù)要求準備好相應的試件夾頭。檢查離合器、調(diào)速手輪和有關保險開關是否在正確位置上。 2、估算所需的最大載荷，選擇測力度盤，配置相應的擺錘。調(diào)節(jié)擺桿垂直，調(diào)整指針零點。 3、安裝試樣。如果夾頭距離不合適，就要開機調(diào)整活動臺到合適位置，停機后再裝夾試樣。對于拉伸試驗，要把上下夾頭鎖緊。 4、調(diào)整安裝好繪圖系統(tǒng)以及筆和紙等。 5、正式試驗加載： 手動加載：先把離合器手柄置于“手動”位置，再搖動手柄

23、加載。 電動加載：要將離合器手柄置于“慢速”位置，然后開動電動機1加載。需要時可通過調(diào)速手輪8來變更加載速度。 6、實驗完畢，立即停機。取下試件，一切復原。 7、注意事項： （1）為了使離合器的齒輪很好嚙合，將離合器手柄向“手動”位置調(diào)節(jié)的同時，要轉動手搖加載手柄。 （2）必須在加載電動機運轉的條件下，轉動調(diào)速手輪，才能實現(xiàn)電動加載調(diào)速。 （3）要使電動機改變運轉方向，必須先停機，然后再換向。 （4）試驗機運轉時，操作者不得擅自離開，不得觸動擺錘，有異?，F(xiàn)象或發(fā)生任何故障，必須立即停機。 （5）小電動機13只能用于快速調(diào)節(jié)活動臺的升降，嚴禁用于加載或卸載。 2-3 電子萬能材料試驗機 電子萬能

24、材料試驗機是采用各類傳感器進行力和變形檢測，通過微機控制的新型機械式試驗機。由于采用了傳感技術、自動化檢測和微機控制等先進的測控技術，它不僅可以完成拉伸、壓縮、彎曲、剪切等常規(guī)試驗，還能進行材料的斷裂性能研究以及完成載荷或變形循環(huán)、恒加載速率、恒變形速率、蠕變、松弛和應變疲勞等一系列靜、動態(tài)力學性能試驗。此外，它還具有測量精度高、加載控制簡單、試驗范圍寬等特點，以及提供較好的人機交互界面，具備對整個試驗過程進行預設和監(jiān)控，直接提供試驗分析結果和試驗報告，試驗數(shù)據(jù)和試驗過程再現(xiàn)等優(yōu)點?，F(xiàn)以Instron5882電子萬能材料試驗機（見圖2-3）為例，簡單介紹其構造原理和使用方法（見圖24）。該機采

25、用全數(shù)字化控制，配備載荷傳感器、電子引伸計、光電位移編碼器等傳感器，機械加載部分采用直流伺服控制系統(tǒng)控制預應力滾珠絲杠帶動橫梁移動。一、工作原理在測試系統(tǒng)接通電源后，微機按試驗前設定的數(shù)值發(fā)出橫梁移動指令，該指令通過伺服控制系統(tǒng)控制主機內(nèi)部的伺服電機轉動，經(jīng)過皮帶、齒輪等減速機構后驅動左、右絲杠轉動，由活動橫梁內(nèi)與之嚙合的螺母帶動橫梁上升或下降。裝上試樣后，試驗機可通過載荷、應變、位移傳感器獲得相應的信號，該信號放大后通過A/D進行數(shù)據(jù)采集和轉換，并將數(shù)據(jù)傳遞給微機。微機一方面對數(shù)據(jù)進行處理，以圖形及數(shù)值形式在微機顯示器上反映出來；另一方面將處理后的信號與初始設定值進行比較，調(diào)節(jié)橫梁移動改變輸

26、出量，并將調(diào)整后的輸出量傳遞給伺服控制系統(tǒng)，從而可達到恒速率、恒應變、恒應力等高要求的控制需要。二、操作方法由于Instron5882電子萬能材料試驗機采用了全數(shù)字化控制技術，因此，其工作過程均通過軟件操作來實現(xiàn)。下面結合常用的Merlin軟件來介紹操作方法。1、依次合上主機、控制器、計算機系統(tǒng)的電源，一般要求預熱一會兒。2、直接點擊計算機桌面上的Merlin圖標，打開軟件，進入試驗方法模式，如以前已編好了試驗方法，可直接點擊進入；如果沒有，可點擊最下方的Merlin，查找合適的試驗法。3、選定所要的試驗方法后，輸入相關的試驗參數(shù)，如：加載速率、試樣尺寸、數(shù)據(jù)采集模式和所需試驗結果等，最后存儲

27、方法。4、安裝試樣，檢查設備的上下限保護是否設置正確。5、啟動試驗，并注意觀察，若發(fā)生意外立即終止試驗。6、試驗完成后，存儲試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)需要提供試驗分析結果或打印試驗報告。 圖23 Instron5882電子萬能材料試驗機 圖24 電子式萬能材料試驗機結構簡圖 1-主機；2滾珠絲杠；3活動橫梁；4齒輪傳動機構； 5 伺服電機；6試件；7光電位移編碼器； 8力傳感器；9電子引伸計；10點動控制按鈕7、將主機的橫梁回位，以免接著試驗時，造成軟件與主機連接不上。8、實驗完畢，關閉Merlin軟件，關閉計算機系統(tǒng)，關閉控制器，關閉主機電源，最后切斷總電源。9、清潔主機，填寫設備使用記錄。2-4 扭轉

28、試驗機扭轉試驗機是專門用來對試樣施加扭矩，測定扭矩大小的設備。它的類型較多，結構形式也各有不同，但一般都是由加載和測力兩個基本部分組成，現(xiàn)以NJ100B型扭轉試驗機為例說明扭轉試驗機的結構及工作原理。這種試驗機是采用伺服直流電動機加載、杠桿電子自動平衡測力和可控硅無級調(diào)速控制加載速度，具有正反向加載、精度較高、速度寬廣等優(yōu)點。其外形如圖2-6所示，最大扭矩1000Nm，分四級度盤，分別是0100Nm，0200Nm，0500Nm，01000Nm。加載速度0360/min和03600/min兩檔。工作空間650mm。一、加載系統(tǒng)加載系統(tǒng)見圖2-5所示，安裝在試驗機溜板上的加載機構由六個滾珠軸承支持

29、在機座的導軌上，可以前后滑動。加載時，打開電源開關，直流電動機13轉動，通過減速齒輪箱的兩級減速，帶動活動夾頭11轉動，從而對安裝在夾頭11和夾頭9之間的試件施加扭矩。操作面板的放大圖如圖2-7所示。面板上1為電源開關。加載按鈕8一組三個，可控制試驗機的正反向加載和停機。加載速度由速度范圍開關2換檔、用調(diào)速電位器9調(diào)節(jié)。二、測力系統(tǒng)測力機構為杠桿電子自動平衡系統(tǒng)，如圖2-5所示。當試件受扭后，扭矩由固定夾頭9傳遞給測力系統(tǒng)。電動機正向轉動使杠桿18逆時針轉動，通過A點將力傳 圖25 扭轉試驗機測力系統(tǒng)示意圖 圖 26 扭轉試驗機遞給變支點杠桿16；電動機反向轉動則杠桿18順時針轉動，通過C點將

30、力傳遞給變支點杠桿16。拉桿2上的拉力F通過刀口D作用在杠桿23的左端。杠桿23繞B支點轉動使右端翹起，推動差動變壓器的鐵芯24移動，發(fā)出一個電信號，經(jīng)放大器21使伺服電動機20轉動，帶動鋼絲1拉動游鉈28水平移動。當游鉈移動，以B為支點的力矩達到平衡QS=Fr時，杠桿23又恢復到水平狀態(tài)，差動變壓器的鐵 圖2-7 扭轉試驗機的操作面板芯也恢復零位。這時差動變壓器無信號輸出，伺服電動機20停止轉動。由此可見，扭矩大小與游鉈的移動距離S成正比，與拉動載荷F成正比。鋼絲1帶動滑輪25旋轉，從而使指針26偏轉，偏轉角度與游鉈位移S成正比。經(jīng)過標定，指針便可在示力盤上指示出扭矩的具體數(shù)值。若需要變換示

31、力度盤，轉動量程選擇旋鈕8，經(jīng)過鏈條10和錐齒輪14帶動凸齒輪15旋轉，使凸齒輪軸上的不同凸輪與變支點杠桿16上的不同支點接觸，這樣便可改變杠桿16上力臂比例，達到了變換測力矩范圍之目的。三、記錄系統(tǒng)對于扭轉實驗，要記錄扭矩T和扭轉角曲線。繪圖器由繪圖筆3和滾筒5等組成。繪圖筆水平移動量表示扭矩大小，在滑輪25帶動指針轉動的同時，又帶動鋼絲1使繪圖筆水平移動。繪圖滾筒的轉動表示活動夾頭11的絕對轉動，它是由自整角發(fā)動機12給出轉動信號，經(jīng)放大器17放大后輸出給伺服電動機7和自整角變壓器6，從而使繪圖滾筒轉動。其轉動量與試件的轉角成正比。這樣就會自動繪制出T-曲線。四、操作步驟和注意事項1、操作

32、步驟（1）估算實驗所要最大扭矩，選擇所需示力度盤。（2）根據(jù)試樣夾持端形狀，選擇合適的鉗口和襯套。（3）裝好自動繪圖器上筆和紙，并打開繪圖器開關。（4）打開電源，調(diào)節(jié)旋鈕22，使指針對準零點。(5)安裝試件。先將試件的一端插入固定夾頭9中，并夾緊。調(diào)整加載機構水平移動，使試件的另一端插入活動夾頭11中后再夾緊。(6)加載。根據(jù)需要將加載開關上的正向或反向按鈕按下，逐漸調(diào)節(jié)變速電位器，使直流電動機轉動對試件施加扭矩。(7)實驗結束，立即停機，取下試件，將機器復原并清理現(xiàn)場。2、注意事項（1）開機前要把調(diào)速電位器逆時針旋到零點，以防開機時產(chǎn)生沖擊力矩而損壞試驗機零部件。（2）施加扭矩后，禁止再轉動

33、“量程選擇手輪”和改變“變速開關”。（3）面板上的正、反加載按鈕不能同時按下。若要改變施加扭矩方向和變換變速開關，必須先按“停”按鈕后，再改變扭矩方向和變速開關。（4）試驗機運轉時，操作人員不能離開。發(fā)現(xiàn)異常聲音或其它任何故障，應立即停機并報告指導教師處理。2-5 引伸計引伸計是用來測量試件微小線伸縮變形的儀器。它一般由三個基本部分組成，即感受變形部分；傳遞和放大部分；顯示部分。引伸計的種類很多，現(xiàn)介紹常用的兩種。圖2-8 張開式引伸計結構圖一、應變計式引伸計1、構造原理應變計式引伸計的原理見圖28所示。圖中（a）所示的常用于拉伸實驗中的變形測量；（b）所示的則常用于斷裂力學試驗的裂紋張開位移

34、測量。這種引伸計主要由應變計、變形傳遞桿、彈性元件和刀刃組成。L為引伸計的標距。測量變形時，將引伸計裝夾在試件上，刀刃與試件接觸而感受變形L，通過變形傳遞桿使彈性元件產(chǎn)生應變，然后再通過粘貼在彈性元件上的應變計把應變量轉換成為電阻的變化量R。由電測法原理，即可由R換算出變形L。L是一個微量，通過相應的儀器，可進行顯示和記錄。2、操作步驟和注意事項（1）標定標定是給引伸計兩刀刃間以一定的標準位移，測出引伸計的相應電信號輸出量，從而確定標準位移與輸出量的對應關系。 將引伸計裝夾到變形標準器上，將引伸計連接到測量系統(tǒng)中。調(diào)整測量系統(tǒng)平衡，并選擇好儀器的有關參數(shù)。將X-Y記錄儀的記錄筆調(diào)到“零位”。

35、轉動校準器的刻度盤使精密螺桿移動，引伸計就能感受到給定的標準位移值。 從X-Y記錄儀上讀出記錄筆沿X坐標移動的格數(shù)，再用標準位移除以格數(shù)，便可得到每格所代表的位移值，此數(shù)值即為標定值。（2）測量將引伸計夾在被測部位事先粘好的刀口上。將調(diào)好的X-Y記錄儀開到記錄位置，取X軸記錄L。加載使試件變形，在X-Y記錄儀上即可指示出X軸上的位移量。通過標定過程確定的標準位移，便可讀出對應的L值。如果同時再取Y軸表示載荷P，X-Y記錄儀上便可繪出P-L曲線。試驗結束，整理儀器和機器。（3）注意事項標定時，標準位移要按相應增量增加。標定一般要重復進行三次，每次都要把引伸計取下重新安裝。測量時，測量系統(tǒng)的有關參

36、數(shù)必須與標定時相同。二、球鉸式引伸計1、構造原理如圖29所示，該儀器由裝有一個千分表和一套利用球鉸作為支點組成的杠桿機構而構成。用手握住球鉸引伸計，將試樣裝入標距叉中，用尖頭螺釘卡緊試樣，使上、下標距叉與試樣聯(lián)成一體。在拉力作用下，試樣伸長L。在試樣變形過程中，其上標距叉不發(fā)生轉動，而下標距叉由于球鉸的作用轉動了一微小角度。球鉸中心至千分表測桿軸線的距離等于球鉸中心至試樣軸線距離的兩倍。所以，千分表的變形讀數(shù)為試樣軸線在標距內(nèi)伸長的兩倍。由于千分表的放大倍數(shù)為1000，故該引伸計的放大倍數(shù)為2000。也就是球鉸式引伸計千分表長針走動一格時，試樣伸長了1/2000mm。2、操作步驟和注意事項（1

37、）根據(jù)所測量試樣尺寸的實際需要，調(diào)整引伸計標距。使引伸計的標距等于所測量試樣要求的標距。 （2）將試樣安裝在萬能試驗機的上、下夾頭中。進行材料的彈性模量測試時，可對試樣施加一定的初載荷F0（相應于彈性變形載荷的510）。然后把引伸計小心地裝在試樣上，檢查調(diào)整引伸計與試樣的接觸松緊是否適宜，表盤指針轉動是否靈活。 （3）確認測試系統(tǒng)安裝正確后，便可進行正式試驗。（4）注意事項引伸計安裝在試樣上時，應盡可能地使儀表的縱向對稱平面與試樣軸線處在同一平面內(nèi)，不得使標距叉發(fā)生明顯的左右傾斜。試樣的實際變形，絕對不允許超出引伸計的量程，否則引伸計就會損壞。圖2-9 軸向引伸計簡圖2-6 金屬的拉伸實驗*一

38、、概述常溫、靜載下的軸向拉伸試驗是材料力學試驗中最基本、應用最廣泛的試驗。通過拉伸試驗，可以全面地測定材料的力學性能，如彈性、塑性、強度、斷裂等力學性能指標。這些性能指標對材料力學的分析計算、工程設計、選擇材料和新材料開發(fā)都有及其重要的作用。二、實驗目的1.測定低碳鋼的屈服強度Rel、抗拉強度Rm、斷后延伸率A11.3和斷面收縮率Z。2.測定鑄鐵的抗拉強度Rm3.觀察上述兩種材料在拉伸過程中的各種現(xiàn)象，并繪制拉伸圖（F曲線）4.分析比較低碳鋼和鑄鐵的力學性能特點與試樣破壞特征。三、實驗設備及測量儀器1.萬能材料試驗機2.游標卡尺四、試樣的制備試樣的制備應按照相關的產(chǎn)品標準或GB/T 2975的

39、要求切取樣坯和制備試樣。試驗表明，所用試樣的形狀和尺寸，對其性能測試結果有一定影響。為了使金屬材料拉伸試驗的結果具有可比性與符合性，國家已制定統(tǒng)一標準。依據(jù)此標準，拉伸試樣分為比例試樣和非比例試樣兩種，試樣的橫截面形狀有圓形和矩形。這兩種試樣便于機加工，也便于尺寸的測量和夾具的設計。本試驗所用的拉伸試樣是經(jīng)機加工制成的圓形橫截面的長比例試樣,即L=10du。如圖210（a）所示。圖中Le為試樣平行長度，L0為試樣原始標距（即測量變形的長度）。d為圓形試樣平行長度部分原始直徑。圖210 （b）為矩形截面試樣，其中a為矩形試樣的原始厚度，b為矩形試樣平行部分原始寬度，S0為試樣平行部分原始橫截面面

40、積，r為試樣兩端較粗部分到平行部分過渡圓弧半徑。拉伸試樣由夾持段、過渡段和平行段構成。試樣兩端較粗部分為夾持段，其形狀和尺寸可根據(jù)試驗機夾頭情況而定。過渡段常采用圓弧形狀，使夾持段與平行段光滑連接。*：金屬的拉伸實驗和2-8 低碳鋼材料彈性模量E的測定章節(jié)中所引用的如：Rm、Rel、A11.3、Z、F、S等符號來自于GB/T 228-2002 金屬室溫拉伸實驗方法,代替GB/T 228-1987標準中所引用的b、s、P、A。其它章節(jié)的符號仍引用原有的標準的符號。（a）圓形試樣 （b）矩形試樣圖210 拉伸試樣五、實驗原理依據(jù)國標GB/T 2282002金屬室溫拉伸實驗方法分別敘述如下：1.低碳

41、鋼試樣。在拉伸試驗時，利用試驗機的自動繪圖器可繪出低碳鋼的拉伸曲線，見圖2-11所示的FL曲線。圖中最初階段呈曲線，是由于試樣頭部在夾具內(nèi)有滑動及試驗機存在間隙等原因造成的。分析時應將圖中的直線段延長與橫坐標相交于O點，作為其坐標原點。拉伸曲線形象的描繪出材料的變形特征及各階段受力和變形間的關系，可由該圖形的狀態(tài)來判斷材料彈性與塑性好壞、斷裂時的韌性與脆性程度以及不同變形下的承載能力。但同一種材料的拉伸曲線會因試樣尺寸不同而各異。為了使同一種材料不同尺寸試樣的拉伸過程及其特性點便于比較，以消除試樣幾何尺寸的影響，可將拉 圖211低碳鋼拉伸曲線Fa比例伸長力；Fc彈性伸長力；Fsu上屈服力；Fs

42、l下屈服力；Fb最大力；Ff斷裂力；斷裂后塑性伸長；彈性伸長；伸曲線圖的縱坐標（力F）除以試樣原始橫截面面積S0,并將橫坐標（伸長L）除以試樣的原始標距L0得到的曲線便與試樣尺寸無關，此曲線稱為應力應變曲線或R曲線，如圖212所示。從曲線上可以看出，它與拉伸圖曲線相似，也同樣表征了材料力學性能。拉伸試驗過程分為四個階段，如圖211和圖2-12所示。（1）彈性階段OC。 在此階段中的OA段拉力和伸長成正比關系，表明鋼材的應力與應變?yōu)榫€性關系，完全遵循虎克定律，如圖2-12所示。若當應力繼續(xù)增加到C點時，應力和應變的關系不再是線性關系，但變形仍然是彈性的，即卸除拉力后變形完全消失。用精密儀器測定其

43、塑性應變約為規(guī)定的引伸計標距的0.2所對應的強度值定義為規(guī)定非比例延伸強度，它是控制材料在彈性變形范圍內(nèi)工作的有效指標。在工程上有實用價值。圖212 低碳鋼應力應變圖比例極限；彈性極限；上屈服點；下屈服點；抗拉強度；斷裂應力；斷裂后的塑性應變；彈性應變(2)屈服階段SK。 當應力超過彈性極限到達鋸齒狀曲線時，示力盤上的主針暫停轉動或開始回轉并往復運動，這時若試樣表面經(jīng)過磨光，可看到表征晶體滑移的跡線，大約與試樣軸線成450方向。這種現(xiàn)象表征試樣在承受的拉力不繼續(xù)增加或稍微減少的情況下變形卻繼續(xù)伸長，稱為材料的屈服，其應力稱為屈服點（屈服應力）。示力盤的指針首次回轉前的最大力（Fsu上屈服力）或

44、不計初始瞬時效應（不計載荷首次下降的最低點）時的最小力(FsL下屈服力)，分別所對應的應力為上、下屈服點。示力盤的主針回轉后所指示的最小載荷（第一次下降后的最小載荷）即為屈服載荷Fs。由于上屈服點受變形速度及試樣形狀等因素的影響，而下屈服點則比較穩(wěn)定，故工程中一般只定下屈服點。屈服應力是衡量材料強度的一個重要指標。（3）強化階段KE。過了屈服階段以后，試樣材料因塑性變形其內(nèi)部晶體組織結構重新得到了調(diào)整，其抵抗變形的能力有所增強，隨著拉力的增加，伸長變形也隨之增加，拉伸曲線繼續(xù)上升。KE曲線段稱為強化階段，隨著塑性變形量的增大，材料的力學性能發(fā)生變化，即材料的變形抵抗力提高，塑性降低。在強化階段

45、卸載，彈性變形會隨之消失，塑性變形將會永久保留下來。強化階段的卸載路徑與彈性階段平行，卸載后重新加載時，加載線與彈性階段平行，重新加載后，材料的比例極限明顯提高，而塑性性能會相應下降。這種現(xiàn)象叫做形變硬化或冷作硬化。當拉力增加，拉伸曲線到達頂點E時，示力盤上的主針開始返回，而副針所指的最大拉力為Fm，由此可求得材料的抗拉強度。它也是材料強度性能的重要指標。（4）局部變形階段EG（頸縮和斷裂階段）。對于塑性材料來說，在承受拉力Fm以前，試樣發(fā)生的變形各處基本上是均勻的。在達到Fm以后，變形主要集中于試樣的某一局部區(qū)域，該處橫截面面積急劇減小，這種現(xiàn)象即是“頸縮”現(xiàn)象，此時拉力隨著下降，直至試樣被

46、拉斷，其斷口形狀呈碗狀，如圖213（a）所示。試樣拉斷后，彈性變形立即消失，而塑性變形則保留在拉斷的試樣上。利用試樣標距內(nèi)的塑性變形來計算材料的斷后延伸率A11.3和斷面收縮率Z。 圖213 拉伸試樣斷口形狀2. 鑄鐵試樣。做拉伸試驗時，利用試驗機的自動繪圖器繪出鑄鐵的拉伸曲線，如圖214所示。在整個拉伸過程中變形很小，無屈服、頸縮現(xiàn)象，拉伸曲線無直線段，可以近似認為經(jīng)彈性階段直接斷裂，其斷口是平齊粗糙的。如圖213（b）所示。 圖214 鑄鐵拉伸圖六、實驗步驟 1. 根據(jù)試樣的形狀、尺寸和預計材料的抗拉強度來估算最大拉力，并以此力作為示力盤量程的4080，以選擇合適的示力盤和相應的擺錘。然后

47、，選用與試樣相適應的夾具。2. 在試樣的原始標距長度L0 范圍內(nèi)用劃線機等分10個分格點，并確定標距的端點，以便觀察標距范圍內(nèi)沿軸向變形的情況和試樣破壞后測定斷后延伸率。3.根據(jù)國標GB/T 2282002金屬室溫拉伸試驗方法中的規(guī)定，測定試樣原始橫截面積。本次試驗采用圓形試樣，應在標距的兩端及中間處的兩個相互垂直的方向上各測一次橫截面直徑，取其算術平均值，選用三處測得的直徑最小值，并以此值計算橫截面面積。4.安裝試樣，快速調(diào)節(jié)萬能試驗機的夾頭位置，將示力盤指針調(diào)零，并將自動繪圖裝置調(diào)好。經(jīng)指導教師檢查后即可開始試驗。5.加載試驗，在試驗過程中，要求均勻緩慢地進行加載。對于低碳鋼試樣的拉伸試驗

48、，要注意觀察拉伸過程四個階段中的各種現(xiàn)象。并記下屈服載荷Fel值，最大載荷Fm值。對于鑄鐵試樣，只需測定其最大載荷Fm值。試樣被拉斷后立即停機，并取下試樣。 6.對于拉斷后的低碳鋼試樣，要分別測量斷裂后的標距LU和頸縮處的最小直徑dU。按照國標GB/T2282002中的規(guī)定測定LU時，將試樣斷裂后的兩段在斷口處緊密地對接起來，直接測量原標距兩端的距離。若斷口處到最鄰近標距端點的距離小于1/3L0時，則需要用“移位法”來計算LU。其方法是：在長段上從拉斷處O取基本等于短段格數(shù)得B點，接著取等于長段所余格數(shù)偶數(shù)，圖215(a)的一半，得C點；或者取所余格數(shù)奇數(shù)，圖215（b）分別減1與加1的一半，

49、得C和C1點。移位后的L1分別為：AB+2BC或者AB+BC+BC1。測定斷面收縮率時，在試樣頸縮最小處兩個相互垂直的方向上測量其直徑d1,取其算術平均值作為d1計算其斷面收縮率。 (a) 余格為偶數(shù)； (b) 余格為奇數(shù)圖215 用移位法確定斷后延伸率七、實驗結果處理根據(jù)試驗測定數(shù)據(jù)，可分別計算材料的強度指標和塑性指標。1. 低碳鋼強度指標： 屈服強度： （2-1） 抗拉強度： （2-2）塑性指標： 斷后延伸率： （2-3） 斷后截面收縮率： （2-4）2. 鑄鐵強度指標 ： 抗拉強度 : （2-5）3. 繪出拉伸過程中的FL曲線，對試驗中的各種現(xiàn)象進行分析比較，并寫進試驗報告中。八、預習要

50、求和思考題 1. 預習材料力學實驗和材料力學教材有關內(nèi)容，明確實驗目的和要求。2. 實驗時如何觀察低碳鋼的屈服點？測定時為何要對加載速度提出要求？3. 比較低碳鋼拉伸、鑄鐵拉伸的斷口形狀，分析其破壞的力學原因。2-7 金屬的壓縮實驗一、概述實驗表明，工程中常用的塑性材料，其受壓與受拉時所表現(xiàn)出的強度、剛度和塑性等力學性能是大致相同的。但廣泛使用的脆性材料，其抗壓強度很高，抗拉強度卻很低。為便于合理選用工程材料，以及滿足金屬成型工藝的需要，測定材料受壓時的力學性能是十分重要的。因此，壓縮實驗同拉伸實驗一樣，也是測定材料在常溫、靜載、單向受力下的力學性能的最常用、最基本的實驗之一。二、實驗目的1.

51、 觀測低碳鋼壓縮時的屈服荷載PS2. 測定鑄鐵壓縮時的抗壓強度b 3. 觀察并比較低碳鋼和鑄鐵在壓縮時的變形和破壞現(xiàn)象。三、實驗設備1. 液壓式萬能材料試驗機2. 游標卡尺四、試樣的制備按照國標GB731487金屬壓縮試驗方法，金屬材料的壓縮試樣多采用圓柱體，如圖216所示。試樣的長度L一般為直徑d0的2.53.5倍，d0= 1020mm。為了盡量使試樣受軸向壓力，加工試樣時，必須有合理的加工工藝，以保證兩端面平行，并與軸線垂直。圖216 圓柱體試樣五、實驗原理以低碳鋼為代表的塑性材料，軸向壓縮時會產(chǎn)生很大的橫向變形，但由于試樣兩端面與試驗機支承墊板間存在摩擦力，約束了這種橫向變形，故試樣出現(xiàn)顯著的鼓脹，如圖217所示。塑性材料在壓縮過程中的彈性模量、屈服點與拉伸時相同，但在到達屈服階段時不像拉伸試驗時那樣明顯，因此要仔細觀察才能確定屈服載荷Ps。當繼續(xù)加載時，試樣越壓越扁，由于橫截面面積不斷增大，試樣抗壓能力也隨之提高，曲線持續(xù)上升，如圖218所示。除非試樣過分鼓出變形，導致柱體表面開裂，否則塑性材料將不會發(fā)生壓縮破壞。因此，一般不測塑性材料的抗壓強度，而通常認為抗壓強度等于抗拉強度。以鑄鐵為代表的脆性金屬材料，由于塑性變形很小，所以盡管有端面摩擦，鼓脹效應卻并不明顯，而是當應力達到一定值后，試樣在與軸線大約成450550的方向上發(fā)生