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1、长 沙 理 工 大 学 备 课 纸金属材料的拉伸与压缩实验（电子式）一、实验的工程背景 拉伸试验和压缩试验是研究材料力学性能的最基本试验，方法简单，数据可靠。工矿企业、研究所一般都用此类方法对材料进行出厂检验或进厂复检，用测得的s、b、等指标来评定材质和进行强度、刚度计算。因此，对材料进行轴向拉伸和压缩试验具有工程实际意义。 不同材料在拉伸和压缩过程中表现出不同的力学性质和现象。低碳钢和铸铁分别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在拉伸试验中弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段尤为明显和清楚。低碳钢材料在压缩试验中的弹性阶段、屈服阶段与拉伸试验基本相同，低碳钢试样最后只能被压扁而不
2、能被压断，无法测定其压缩强度极限b值。因此，一般只对低碳钢材料进行拉伸试验而不进行压缩试验。铸铁材料的抗压强度b远远大于抗拉强度。通过铸铁压缩试验观察脆性材料的变形过程和破坏方式，并与拉伸结果进行比较，可以分析不同应力状态对材料强度、塑性的影响。二、实验目的1测定低碳钢材料在常温、静载条件下的屈服极限s，强度极限b，延伸率和断面收缩率。2测定铸铁材料在常温静载下的强度极限b。3观察低碳钢铸铁在拉伸过程中出现的各种现象，分析P-L图的特征。4比较低碳钢与铸铁力学性能的特点和试件断口情况分析其破坏原因。5了解微机控制电子万能材料试验机的构造原理，学习其使用方法。三、实验原理本实验以低碳钢和铸铁分别
3、作为塑性材料和脆性材料的代表，利用电子万能材料试验机进行金属材料的拉伸与压缩实验来测试和比较两类材料各项力学性能指标。以下按低碳钢的拉伸、铸铁的拉伸、铸铁压缩分别介绍。(1) 低碳钢的拉伸：分为四个阶段a 弹性阶段（曲线的OAB段)：又分为线弹性阶段OA段和非线弹性阶段AB段，共同特点是卸载后变形能恢复，且线弹性阶段还特别具有荷载与变形成正比的特点；b 屈服阶段(曲线的BC段)：出现滑移线，材料屈服，需能判断屈服现象的出现及特点，并读取屈服载荷Ps的大小。c 强化阶段(曲线的CD段)：抵抗变形能力增强，曲线继续上升 d 颈缩阶段(曲线的DE段)：主、从动指针再次分开，标志进入颈缩阶段，D点为拉
4、伸图的最高点，载荷达到强度极限值Pb，出现颈缩现象。需能判断颈缩现象的出现及特点，并读取极限载荷Pb的大小。 铸铁的拉伸铸铁在拉伸时没有屈服阶段，也没有明显的直线部分，材料近似服从胡克定律。 铸铁的压缩铸铁在压缩过程中，与其拉伸时具有相似的P-L压缩曲线，所不同的是铸铁压缩到极限载荷Pb之前要产生较大的变形，试件由圆柱形被压缩成微鼓形直至破裂。且铸铁的抗压强度远高于抗拉强度。 四、试件与实验机介绍1、 试件介绍 在测试某一力学性能参数时，为了避免试件的尺寸和形状对实验结果的影响，便于各种材料力学性能的测试结果的互相比较，采用国家标准规定的比例试件。国家标准规定比例试件应符合以下关系：L0=K。
5、对于圆形截面试件，K值通常取5.65或11.3。即直径为d0的圆形截面试件标距长度分别为5d0和10d0。本试验采用L0=10d0的比例试件。试件材料的判断：一听声音，二看颜色和标距点。拉伸试件的标距点和标距的定义。 几何尺寸测量内容与方法：【截面直径d0的测量】低碳钢拉伸：在标距范围内取中间和两端处三个对称截面，每个截面在两垂直的方向上各测量一次，取均值作为该截面的平均直径，取三个平均直径值中的最小者作为d0计算试件横截面面积A0；铸铁拉伸：只需测量中截面两个互相垂直方向的直径各一次，并取均值作为试件的d0值；铸铁压缩：只需测量中截面两个互相垂直方向的直径各一次，并取均值作为试件的d0值；【
6、低碳钢原始标距L0的测量】测量两标距点之间的距离一次作为L0值。【铸铁压缩h0的测量】测量铸铁两端面之间的距离一次作为h0值。【截面直径d1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，在试件颈缩处选择一最小截面，在此截面的两个互相垂直的方向各测量一次直径，取其平均值作为拉断以后截面直径d1的值；【标距L1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，量取两标距点之间的距离。2、试验机介绍： 电子式万能材料试验机主要由主机部分和微机控制部分组成，其由于测试的精度高及计算机控制的应用而将成为科研和教学的主流机型。1、 主机部分电子万能材料试验机的主机部分由上横梁、移动横梁
7、、立柱和机箱等组成，上横梁、立柱和机箱组成一个门式框架，活动横梁由滚珠丝杆驱动，可在门式框架内上下移动；活动横梁的上方和上横梁的下部装有拉伸夹具，活动横梁下方和机箱的上方装有压缩夹具。门式框架右边的立柱上装有一个控制开关盒，用以调整活动横梁的位置，便于试件的装夹；机箱内封装了伺服器、伺服电机、减速机等，伺服电机在接到速度控制单元的指令后，驱动传动系统带动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆推动横梁向上和向下位移，从而实现对试件的加载，而横梁的向上和向下位移通过光电编码器记录，横梁的位移的上下极限位置由立柱旁限位杆上的挡圈控制。试件所受的载荷和变形以及横梁的位移可以通过相应的传感器（力传感器、引伸计）和光栅编
8、码器转化成电信号，经放大器放大，再经A/D转换成数字信号后输入，到微机控制部分进行处理和显示。如果微机控制部分还外接有其它显示设备，数字信号也可通过所接外围设备进行显示。2、微机控制部分电子万能材料试验机的微机控制部分主要由计算机机、打印机等组成如图所示，根据具体需要，还可以加入其它外接设备，这部分的主要功能是进行试验的前处理和后处理， 试样位移传感器变形传感器力传感器横梁放大器放大器电机伺服器微控制器（控制盒）计算机小键盘打印机键盘显示器图5以及试验过程的控制和显示，它通过安装于计算机内的配套专用软件实现试验测试方案的选择、试验配件及其参数的设置，实现对接受到的试验信号进行加工处理，并给出最
9、终的实验结果及相应的实验报告。五、实验步骤（1）低碳钢的拉伸1、 试件准备；2、尺寸测量3、试验准备a.依次打开试验机主机，计算机，打印机；b.设置限位保护。将限位杆上的挡圈调整到合适位置。c. 打开计算机内试验软件，进入试验软件主窗口界面；d.装夹试件。e.点击试验软件主窗口界面上方工具栏内的“实验方案”按扭，设置好实验方案和实验参数。4、进行实验a.点击试验软件主界面上方工具栏内的“试验”按钮，在弹出的对话框内选择正确的试验方案名，按“确认”键进入试验操作界面。b. 在弹出的实验操作界面上，点击“运行”键，开始实验。c. 试件破坏后，关闭试验窗口，进行数据处理，编写打印实验报告。d. 结束
10、实验，退出试验软件，依次关闭试验机、打印机、计算机、。清理实验现场。e. 测量拉断后试件的标距L1和最小截面直径d1。（2）铸铁的拉伸铸铁的拉伸实验可参照低碳钢拉伸实验进行。铸铁的尺寸测量还可进一步简化，只需测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；铸铁无需测量标距L0、L1和拉断后的直径d1。（3）铸铁的压缩 铸铁的压缩步骤类似于拉伸，注意避免手动给试件加载。六、实验注意事项1、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；2、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；3、试验过程中，不能远离试验机；4、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；5、试
11、验结束后，一定要关闭所有电源；6、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。7、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或读盘。七、试件断口分析低碳钢试件破坏断口呈复杂的倒杯锥型，其破坏机理也较复杂，其中，断口往外凸出的45剪切唇边可认为是剪应力作用所致，而中间凹入部分则是三向拉应力作用的结果。铸铁试件变形也不明显，在变形极小时，就达到最大载荷Pb而沿横截面突然发生破坏，实验过程中也无颈缩现象出现。断口近似为一个规则的平面，主要为垂直横截面的正应力所致。铸铁压缩破坏时，由于剪应力和表面横向摩擦力的作用，破坏面出现在与试件轴线约成45-50的斜面上。问题1、为何不做
12、低碳钢材料的压缩实验？如何确定其抗压强度？2、为何不测铸铁材料的变形指标？问题3、如何确定屈服荷载的大小？对照低碳钢拉伸图讲清楚拉伸的四个阶段特点及力和变形的规律，在实验中怎样准确的获取要测的实验数据低碳钢力学特性归纳为：四个阶段、三个现象、两类指标此处强调写实验报告原理部分的要求讲解清楚为什么要采用比例试样问题4、两个拉伸试件，如何分辩低碳钢和铸铁两种材料？问题5、如何确定低碳钢试件d0的大小？强调尺寸测量的要求注意对照试验机实物讲解电子万能试验机的构造效果理想些 利用多媒体教学软件讲解试验机的机械传动原理，电器工作原理，位移传感和力传感的工作原理及数据采集过程。注意强调：1）设置好限位挡圈
13、的位置，2）急停开关的作用，3）实验前后开关机顺序，4）在夹紧上夹头前传感器置零。压缩实验强调注意避免手动给试件加载，教给学生如何避免的方法：自己观察距离、控制横梁移动速度、软件控制加载对照拉断后的断口解释导致两种材料破坏的原因，比较实验结果。根据铸铁压缩断口，解释破坏的原因作业：完成实验报告纯弯曲梁正应力实验工程背景：本实验是采用电阻应变计贴在纯弯曲梁上，来测量弯曲梁上的应力分布。用电阻应变计来测应力是实验应力分析最基本和最常用的方法。它除了用来验证一些材料力学理论和假设外，还驳倒了许多不可靠的假设和不成熟的理论。从实验应力分析获得的数据可以大大简化计算的公式。一、实验目的1、学习电测法的基
14、本原理和测试方法；2、测定矩形截面梁在纯弯曲时的正应力分布规律，并验证弯曲正应力公式的正确性；3、学习多点静态应变测量方法。二、仪器设备1、纯弯曲梁实验装置；2、数字式电阻应变仪；3、游标卡尺。三、实验原理1、电阻应变计电阻应变计能把一个非电量的物理量转化成一个电量，电阻应变计一般主要由基底、电阻丝、引出线、覆盖层用胶水粘贴而成。基底和覆盖层主要起隔离、保护电阻丝的作用，引出线则起连接电阻丝与测量导线之作用。常温应变片主要有丝绕式、箔式、半导体式等应变片金属箔式电阻应变计：这种应变片的敏感栅是用厚度为0.0030.01mm的康铜或镍铬金属箔片，涂上底胶，利用光刻技术腐蚀成栅状，两端焊上引出线后
15、，涂胶、盖上覆盖层。箔式应变片尺寸准确，敏感栅可以制成各种形状，散热面积大，疲劳寿命长，横向效应小，测量精度高。这种应变片适宜于长期测量，并可作为传感器的敏感元件，工程上应用广泛。金属丝受到拉伸（或压缩）时，电阻值会发生变化。金属丝的电阻与其长度成正比，与其横截面积成反比，并与材料的电阻率有关，它们的关系式为 问题1、弯曲正应力公式很成熟，为何要验证其正确性？简单介绍应变电测方法的原理为了求得电阻的变化，上式取对数后再微分等变换，得 式中，称为电阻应变计的灵敏系数，K值的大小与敏感栅的材料及形状等因素有关，一般由生产厂家抽样标定并在产品包装上标明。2、静态电阻应变仪在使用电阻应变计进行应变测量
16、时，必须有一个恰当的办法来检测其阻值的微小变化。通常的办法是把电阻应变计接入某种电桥，而这种电桥能把电阻应变计阻值的微小变化转换成输出电压的变化，之后再对这个电信号进行相应的处理就可以得到我们所需的应变了。目前应变仪大都采用惠斯顿电桥电路来测量应变片的阻值变化。 如上图所示，若桥臂均由因实验所需粘贴的电阻应变计联接而成，称之为全桥联接；若只有桥臂联接的是构件上的工作片，而桥臂联接的为仪器内部精密无感电阻Rn，则称为半桥联接。由电工学原理我们知道： = （1）说明不同型号应变仪工作原理基本一致如需，则 （2）式（2）为惠斯顿电桥的平衡条件。 在电桥平衡后，假定构件受力，四个桥臂上的电阻应变计均不
17、同程度产生微小的电阻增量R1、R2、R3、R4，忽略高阶无穷小量之后，（1）式可得： （3）将代入（3）： （4）上式表明：相邻的桥臂应变值互相抵消，相对的桥臂应变值相加，其输出电压与各桥臂上应变片的应变代数和成正比关系。这一特性称为电桥的加减特性。3、温度补偿技术在电阻应变测量中，温度变化而引起电阻的变化概括起来包括两方面：（1）当温度发生变化时，由于敏感栅的线膨胀系数与构件不同，电阻丝因受到附加的拉伸（或压缩）而造成电阻值的变化；（2）敏感栅材料受温度影响阻值发生变化。以上情况都将使所测得的应变中包含温度的影响，不能真实反映构件因受载荷引起的应变。排除温度影响的措施叫做温度补偿。目前消除温
18、度影响的方法有两类：一是在常温测试中经常使用的桥路补偿法，桥路补偿法又可分为补偿片补偿法和工作片补偿法补偿片补偿法如下图所示，接在电桥的桥臂上的为粘贴在被测构件上的工作片。当构件受力时，工作片反映出的应变包括：构件受力引起的应变，温度变化引起的应变。补偿片因为不受力，所以仅感受由温度引起的应变即：如果被贴构件与补偿块的材料相同，所贴电阻应变计的K相同，粘贴工艺相同，且被测构件与补偿块放置在同一温度场中（此即桥路补偿法的理想条件），则。另外两桥臂为仪器内部电阻，。所以根据电桥的加减特性，有 由此可见，温度变化产生的虚假应变，由于桥路中接入补偿片而被消除。 4、纯弯梁实验装置、试件制备本实验采用金
19、属材料矩形截面梁为实验对象。为了测量梁横截面上正应力的大小和它沿梁高度的分布规律，在梁的纯弯段某一截面处，中性轴和以其为对称轴的上下1/4点、梁顶、梁底等5个测点沿高度方向均匀粘贴了五片轴向的应变计（如下图），梁弯曲后，其纵向应变可通过应变仪测定。 、实验装置如下图所示，将矩形截面梁安装在纯弯曲梁实验装置上，逆时针转动实验装置前端的加载手轮，梁即产生弯曲变形。从梁的内力图可以发现：梁的CD段承受的剪力为0，弯矩为一常数，处于“纯弯曲”状态，且弯矩值M=Pa，弯曲正应力公式=可变换为 =、实验荷载的施加实验时，通过转动手轮给梁施加载荷，各测点的应变值可由数字式电阻应变仪测量。根据单向胡克定律即可
20、求得i实=Ei实(i=1,2,3,6,7)为了验证弯曲正应力公式=或=的正确性，首先要验证两个线性关系，即y和P是否成立:1、检查每级载荷下实测的应力分布曲线，如果正应力沿梁截面高度的分布是呈直线的，则说明y成立；2、由于实验采用增量法加载，且载荷按等量逐级增加。因此，每增加一级载荷，测量各测点相应的应变一次，并计算其应变增量，如果各测点的应变增量也大致相等，则说明P成立。最后，将实测值与理论值相比较，进一步可验证公式的正确性。强调电桥平衡与加减特性两个概念解释为何要进行温度补偿问题2、如何进行温度补偿？测点布置：沿截面高度等间隔布置问题3、实验装置中的梁是如何产生纯弯曲的呢？问题4、如何验证
21、弯曲正应力公式的正确性？四、实验步骤1、应变仪的准备a.测量电桥连接：如上图，为了简化测量电桥的连接，将梁上5个测点的应变计引出导线各取出其中一根并联成一根总的引出导线，并以不同于其他引出导线的颜色区别，所以，测量导线由原来的10根缩减为6根，连接测量电桥时，将颜色相同的具有编号1、2、3、6、7的五根线分别连接在仪器后面板上五个不同通道的A号接线孔内，并将具有特殊颜色的总引出导线连接在仪器后面板上的“公共补偿片BC”位置的B号接线孔内。实验采用公共的温度补偿片，且把它接入仪器后面板上的“公共补偿片BC”位置的B、C号接线孔内。注意应将应变仪前面板选择“公补”类型；b.灵敏系数设定：K=2.1
22、7 c.测量电桥的预调平衡：记录下各通道预调平衡的结果。2.加载测量：等量逐级加载法P0=0，Pmax=5KN，P=1KN3、结束实验实验完毕后，整理所记录的实验数据；卸掉实验载荷；关闭仪器电源；拆掉仪器接线孔内的连接导线，将实验仪器复原；清理实验现场；将实验数据交指导老师签字同意后离开实验室详细介绍电桥连接的方法五、实验误差分析 应变片粘贴位置有偏差； 仪器不稳定； 测量导线连接不好，如连接不牢或虚接； 加载误差； 灵敏系数K设定存在偏差。六、实验注意事项1、预调平衡时，若发现调零困难、调零数据不稳定等现象应首先从接线是否有误、接线是否拧紧、导线裸露线头是否伸入太短或太长等方面检查接线质量，并排除故障。2、加载前应检查梁的放置位置是否偏斜，以及拉压力传感器下端的压杆位置是否对正，以保证梁的CD段是纯弯曲变形；3、实验前应将所连接的测量导线理清，以免缠死；测试过程中，勿乱动已连接好的测量导线和仪器开关；4、加载时切勿过载。作业：完成实验报告问题4、如何检查自己所测数据是否符合要求？引出误差产生的原因强调确保接线质量 第 16 页