材料力学实验多媒体教案

材料力学实验多媒体教案第一部分机测实验

作者:任伟杰

实验一拉伸与压缩试验实验一

拉伸与压缩试验实验目的:

1掌握金属机械性能概念及其特征指标s、

b、、的工程物理意义2掌握微机自动测试系统的构成和工作原理，建立测试系统概念。3掌握位移计（应变式传感器）的工作原理。4了解A/D转换方法及工作原理。实验重点：

掌握低碳钢屈服极限的物理意义及测定方法，掌握低碳钢（塑性材料）和灰铸铁（脆性材料）的断裂特点。掌握应变式传感器的工作原理以及物理学电学原理在微机自动测试系统中的应用。实验要求：

学生在掌握试验机操作的基础上，以小组为单位独立完成低碳钢s、

b

、

、值的测定，通过讨论题根据实验结果，分析、论述低碳钢拉伸和灰铸铁压缩实验的断裂原因。

pL0PsPb低碳钢拉伸曲线PP机械性能:材料承受外力的能力及其在破坏、变形方面的宏观表现刚度:强度:材料抵抗变形的能力材料抵抗破坏的能力低碳钢拉伸破坏宏观过程及其微观解理机制++++bb3-强化应变4-颈缩断裂2-屈服阶段1-弹性阶段pL0PsPb低碳钢拉伸曲线1234剪切唇纤维区断口外外貌

二实验设备：WES-600D液压屏显万能试验或WDS-100电子万能试验机、游标卡尺。三、

仪器设备工作原理1．WDS-100电子万能试验机的构造（测试系统与执行机构见图3-1）测试系统主要由输入、放大、转换、处理、显示、输出构成。输入部分用来感知被测量的变化形成输入信号，放大部分将信号放大提供必要的起动电压。转换部分将模拟量转换成处理器能够识别的二进制数字量送给处理器进行计算、存储，显示与输出部分用来显示测试信号、打印测试结果。输入放大

A/D模数转换处理器显示输出测试系统构成框图图3-1WDS-100电子万能试验机的实际构造输入放大

A/D模数转换处理器显示输出2、测试系统工作原理框图EPSONLQ-1600k计算机打印机回油阀送油阀油泵开关控制柜开关放大器开关图3-3WES-600D液压屏显万能试验测试系统的构成主机上钳口下钳口上钳口夹紧开关下钳口夹紧开关1．2.系统工作原理理微机自动测试试系统是在传传统机械性能能测试方法的的基础上逐渐渐发展、完善善的，是电子子技术与基础础物理知识的的综合应用。。该测试系统统，用位移传传感器和力传传感器取代了了老式万能试试验机用线传传动和测力油油缸来反映试试件的变形与与受力大小的的方法。用计计算机代替了了人工计算，，并用显示器器、打印机取取代了示力盘盘和绘图仪。。工作原理见见图3-4。。当试件受力发发生变形时，，力和位移传传感器将力与与位移（变形形）信号输入入放大器，放放大器将信号号放大，以达达到A/D转转换和计算机机能够工作的的最低启动电电压，使其进进入工作状态态。由于力与与位移信号是是连续变化的的模拟量，而而计算机只能能识别非连续续变化的二进进制数字量，，因此，信号号在进入计算算机之前必须须经A/D转转换将模拟量量信号转换成成二进制数字字量。转换后后计算机以二二进制数的形形式存储、计计算、描绘曲曲线等，并以以十进制的形形式反映在显显示器上。试试验结束后计计算机根据程程序的指令将将计算结果与与试验曲线打打印输出。力传感器位移传感器PP放大器A/D转换计算机显示器打印机图3-4WDS-100电子万能试验机测试系统工作原理框图拉伸试件位移传感器（（引伸计）工工作原理夹式引伸计是是传递变形信信号的传感器器，其结构见见图3-4。。引伸计由钢钢臂、刀口、、弓片、电阻阻应变片组成成。将引伸计计安装在试件件上，刀口与与试件接触并并会随试件的的伸长或缩短短而张开或闭闭合。当试件件受拉力而伸伸长时，上、、下刀口间的的距离增大，，上、下钢臂臂相对发生转转动，弓片向向内弯曲（见见图3-4）），同时贴于于弓片两面三三刀侧的电阻阻应变片会因因物理效应导导致R1阻值值减减小小、、R2阻值值增增大大。。由由于于是是以以电电桥桥方方式式联联接接（（见见图图3-5）），，那那么么根根据据惠惠斯斯登登电电桥桥的的原原理理，，当当R1与R2的比比值值发发生生变变化化时时A、、B两两点点间间就就会会有有电电流流流流过过。。将将A、、B两两点点直直接接引引入入放放大大器器就就形形成成位位移移（（变变形形））信信号号。。RXYR-RXYPPR+RXYPPADu图3-5惠斯登电桥GCR1R2R3R4B放大器I应变片钢臂刀口试件弹簧片应变片钢臂刀口试件弹簧片R1R2R1-ΔRR2+ΔR图3-4夹式引伸计4.A/D转转换换工工作作原原理理A/D转转换换是是将将模模拟拟量量转转换换成成数数字字量量。。由由集集成成A/D转转换换电电路路来来完完成成。。模模拟拟量量，，即即自自然然界界中中的的真真实实量量，，也也就就连连续续量量。。其其转转换换方方法法之之一一是是逐逐次次逼逼近近法法。。A/D电电路路的的主主要要部部件件见见图图3-6。。隔离离器器的的主主要要任任务务是是从从放放大大器器采采取取信信号号，，并并使使电电压压信信号号UI在短短时时间间内内隔离器（采样）比较器

逼近器U0=128mmvU0UI图3-6A/D转换工作原理模拟量信号源二进制数字量保持持不不变变送送给给比比较较器器。。在在比比较较器器里里，，比比较较器器要要是是将将要要转转换换的的电电压压信信号号与与来来自自逼逼近近器器的的参参考考电电压压进进行行比比较较，，用用比比较较的的结结果果来来决决定定处处理理器器里里要要转转换换的的二二进进制制数数的的每每一一位位的的位位状状态态。。决决定定的的次次序序是是从从高高位位到到低低位位。。逼近器的主主要任务是是逐个的提提供参考电电压U0。比较的原原则是，若若U0<UI,则认为为U0是有效值所所要确定的的最高位的的位状态是是“1”，，同时U0要计入累加加器；若U0>UI则，认为U0是无效值，，所要确定定的那一位位的位状态态是“0””。U0不进入累加加器。然后后逼近器再再给出1/2U0与累加器里里的有效值值相加，用用相加结果果与UI进行第二次次比较以确确定次高位位的位状态态是“0””或“1””，以此类类推，逐个个进行比较较、逐次逼逼近，直到到将二进制制所有位的的位状态都都确定完毕毕，则该二二进制的数数就代表了了位移输入入信号UI。最高位次次高位位最最低位00000000以8位二二进制转换换为例：设处理器是是8位二二进制工作作。试件在在某一受拉拉状态所受受拉力为15KN，力传感器器将15KN力变成电流流信号送给给放大器，，放大器输输出的电压压信号为UI=145mv，并将该电电压信号送送给A/D转换板，，被隔离器器获得。隔隔离器将电电压信号UI送给比较器器与逼近器器所给的参参考电压U0=128mv（该值是A/D转换换板特殊设设定值）进进行比较，，来确定逼逼近器8位位二进制最最高位的位位状态。因因为U0<UI表明所给的的参考电压压为有效值值，并将U0读入累加器器，同时确确定了最高高位的状态态为“1””。然后后再由逼近近器再给出出参考电压压1/2U0=64mv再再与累加加器里的的有效值值128mv相加，，其结果果为U0=128mv+64mv>UI故所给的的参考电电压为无无效值，，U0也不能进进入累加加器，次次高位的的上的数数为“0”。以以此类推推将8位位逐个个逼近、、比较，，最后确确定出代代表15KN力力的二进进制数字字量为““10010001””，并将将该数送送给计算算机即完完成A/D转换换过程。。存储器累累加加器隔隔离离器逼逼近近器比比较器UiU0=Ui+1/2U1UI=145mvU0=U1=128mvUI与U0000000000012812810000000UI>U0128128+6410000000UI<U0128128+3210000000UI<U0144128+1610010000UI>U0144144+810010000UI<U0144144+410010000UI<U0144144+210010000UI<U0145144+110010001UI>U0145mv10010001在桌面上上点击操操作系统统快捷键键按钮““””，进进入试试验操作作界面三、选择择加载速速度四、进入入‘数据据处理’’、输入入断后数数据五、进入入‘报告告预览’’导入实实验数据据，打印印实验报报告一、测量量原始数数据、安安装试件件二、选择择实验方方案、输输入实验验信息实验步骤骤：回到实验验操作控控制界面面4050600.021324567游标卡尺尺的使用用二、试样样信息输输入试样信息输入入采用数据库库格式。其中中“序号”““试样编号号”“试样样组号”““试样面积””“尺寸1”“尺寸寸2”6个自自段为固定字字段，若某些些字段无用用用户可不必理理会。其余字字段可由用户户自行定义，，最多可输入入18项内容容。试样信息息中的所有内内容在数据处处理中可应用用。若做拉伸伸试验，请保保留“原始标标距”字段。。试样截面形形状在试验方方案中的“试试样形状”中中设置。试样样面积根据试试样形状自动动计算。也可可直接输入试试样面积。结果果分分析析页页报告告预预览览页页作业业题题（（必必作作））1．．用用理理论论公公式式说说明明A3钢拉拉伸伸破破坏坏是是在在何何种种应应力力作作用用下下产产生生的的。。2.名名词词解解释释:模-数(A/D)转换换和数模模(D/A)转转换的意意义,能能否举例例说明?3.简简述：逐逐次逼近近法A/D转换换的工作作原理。。实验地点点：综合合楼002、003。。时间：：听学委委通知实验报告告的要求求:1.有原原始数据据、曲线线、断裂裂外貌*2.测试试系统工工作原理理及图示示*3.位移移传感器器的工作作原理及及图示*实验报告告要求:(第一页页)预习报告告一、实验验目的二、基本本原理（（自动测测试系统统及图示示）三、位移移传感器器工作原原理及图图示四、实验验步骤(第二页页)原始始数据拉伸试件件试实验前数数据：d1’=d1’’=d1=d2’=d2’’=d2=d3’=d3’’=d3=直径取取值d0=原原始始标距距（长长度））L0=实验后后数据据d’=d’’=d0’=断后标标距（（长度度）L0’=断裂外外貌压缩试试件实验前前数据据：d1’=d1’’=d1=d2’=d2’’=d2=实验后数据据d’=d’’=d0’=断裂外貌(第三页)实验报告告1．用理理论公式说说明A3钢拉伸破坏坏是在何种种应力作用用下产生的的。2.名词词解释:模-数(A/D)转转换和数模模(D/A)转换的的意义,能能否举例说说明?3.简述述：逐次逼逼近法A/D转换的的工作原理理。材料力学仿仿真实验课课件拉伸试验压缩试验弯曲试验剪切试验KIC值测测定动应力测定定扭转试验疲劳裂纹预预制实验目的：：测定碳钢钢的条件比比例极限σσP实验设备：：WDS-100电电子万能试试验机与WES-600D屏屏幕显示液液压万能试试验机实验原理：：对于金属材材料,单向向虎克定律律成立时的的最大应力力称为比例例极限。但但我国标准准（国家标标准GB228-76）规定定，测定对对虎克定律律有一定偏偏离的应力力来表示比比例极限，，称为条件件比例极限限σP。在在拉拉伸伸曲曲线线（（P——△L图图））上上某某点点的的切切线线与与荷荷载载轴轴间间夹夹角角的的正正切切值值比比其其弹弹性性直直线线部部分分的的正正切切值值大大50%时时，，此此点点所所对对应应的的应应力力即即为为条件比例极限限。测定方法有：：1、作图法法2、引伸仪法法（这里我们们暂不介绍。。）实验二条件比例极限限的测定作图法：在具有电子万万能试验机的的及应变仪的的条件下，可可以自动记录录拉伸曲线的的开始部分，，然后由P——△L图直接确确定材料的条件比例极限限。如图所示示，在图中P—△L曲线的直直线段上任取取一荷载，作作一水平直线线ab交直线段于b点，然后在ab的延长线上截截取ac=1.5ab，，过原点O连直线Oc。然后在拉伸曲线上上寻求一点h,使h点处曲曲线的的切线线ht恰好与与Oc平行，则h点在力值座座标上所对对应的荷载载PP就是比例极极限荷载，，它所对应应的应力值值即为条件件比例极限限。PPCAbP△LOhtPP1.在弹性阶段段取点b2.作ac=1.5ab3.连直线线Oc4.平移直线Oc交曲线于h实验报告的的要求:1.有原始始数据、曲曲线*2.测试原原理及图示示*3.作作图解与计计算PPσP=——A0式中A0为试件原始始截面面积积。参考文献1.潘金生生,仝健民民,田民波波.材料科科学基础.清华大学学出版社.20022.潘信吉吉,何蕴增增.材料力力学实验原原理及方法法.哈尔滨滨工业大学学出版.19983.贾有权权.材料力力学实验.高等教育育出版社.19844050600.021324567第二部分电电测实实验应变电测原原理●适用范围：：结构构件件金属、非非金属材料料表面应力力测量；静、动态（（含冲击））应变应力力测量；高高速旋转构件应应力测量；；结构高压压液下；高高低温条件下的的应力测量量…●原理电阻应变仪仪应变计变形固体F1F2FnF3广义虎克定定律应变分析1、金属电电阻丝的““应变效应应”Ks－称为金属属电阻丝的的灵敏系数数FFl图为康铜丝丝的曲曲线，，镍铬丝在在小应变条条件下关系亦为直直线2、电阻应应变计的工工作原理（1）电阻应变计计（片）构构造。利用金属电电阻丝应变变效应制成成用于构件件应变测量量的敏感元件件bl敏感栅（丝丝绕或箔栅栅）引出线基底（纸基基或胶基））（2）使用用特制的胶胶水粘贴于于构件表面面，丝栅长长度平行于于待测应变方方向。（3）原理K－应变计灵灵敏系数，，与Ks有区别K通过实验标标定。（4）主要技术指指标a，初始电电阻值R（（Ω）测量必须数数据，工程程应变测量量选R＝120ΩΩ。b，应变计计灵敏系数数K由厂方提供供，测量必必须数据。。c，应变计计标距l(或敏感栅栅尺寸b××l)根据测试对对象目的而而定。（5）应变计类型型：按构造分纸纸基浸胶丝丝绕式；胶胶基箔式；；半导体应变变计；金属属底基焊接接式等，其他按测量量应变范围围，按用途途分，按使使用温度分已已不下数千千种。3、应变电电桥及其输输出测量电阻变变化一般用用惠斯登电电桥（即4臂电桥）），电源E1称为桥压。。I1I4当R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3时UBD＝0称为电桥的的平衡条件件。实测时，随随着构件的的受力变形形R1~R4发生变化为为R1→R1＋△R1，R2→R2＋△R2，R3→R3＋△R3，R4→R4＋△R4代入（2））式可见或略去分子当当中的高阶阶微量，分分母当中的的△R项，经整理理得（3）说明电桥输输出电压的的变化与四四个桥臂电电阻变化的的总和成正比比或与测点点应变总和和成正比。。其次，对角角桥臂电阻阻变化率或或应变相加加，邻臂的的电阻变化率率或应变相相减。这种种规律称为为电桥输出出的加减特性。。（3）式简简化结果产产生的误差差不会超过过5‰，根根据其原理可以制制成专门用用于测量的的电阻应变变仪。4、数字电电阻应变仪仪（1）电原理框图图电压变换器桥压E1电源放大器滤波器A/D数显表头模数转换电桥（2）YE2538程控应应变仪面板板结构及其其使用方法法●使用方法（1）组桥桥a，1/4桥接接法（静态多点点应变测量量常用的接法），，桥路形式式bR-1，所有测测量片均接AB，，连接片连连于BB’’。共用一一枚补偿片。b，半桥接法AB,BC接应变片片，桥路bR-2,c，全桥接法四个桥臂均均接应变片片，多用于于传感器电路，桥桥路bR-4（2）K，，R设定（3）平衡衡、测量(有关详细细的使用方方法由实验验室多媒体体室介绍，，或见网上上资料)该仪器特点点是各通道道可以独立立选择不同同的测量桥桥路形式、使用用不同K的的应变计和和不同R的的应变计。。5、有关应应变电测法法的若干问问题（a）温温度变化化会产生电阻变化（b）应变变计线膨胀胀系数与与被被测工件线线膨胀系数数不同，温度度变化会产产生附附加电电阻变化，必须设法法消除（1），温温度补偿●温度补偿方方法a，补偿块补偿偿法FF(补偿块必必须与被测测工件同材材料且置于于被测工件件旁)●温度补偿方方法b，工作片补偿偿法不允许单独独设置补偿偿块的构件件应变测量量用工作片补偿法c，补偿应变片片必需接于于测量应变变片的邻臂臂（2）应变变计的串连连及其应用用串连的2枚枚应变片所所测的应变变自动取平平均RaRbRcRdABCR1R2（3）静态态多点应变变测量当测点较多多，希望加加一次载荷荷能同时读读下所有测点应变时时，可利用用1/4桥桥接法，事事先把所有有测点接到应变仪的的AB桥臂臂上，共用用一枚补偿偿片接于公公共补偿桥臂上，，利用测点点转换按键键同时读出出各个测点点的应变。●用途（a）偏心受拉压压构件测轴轴向应变（b）测材料弹性性模量时用用串连半桥桥测量电电路6、应变片片式传感器器及其设计计概要不同结构形形式的弹性性元件＋应应变片组成不同用用途的应变变式传感器器。可用于于测拉、压压力，弯矩、扭矩矩、加速度度、位移（（或变形））、倾角等等。●高比例极限限材料。●低弹性模量量的材料。。●应变片贴于于应变的敏敏感区，并并利用全桥桥测量的加加减特性使输出出灵敏度最最大。9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。1月-231月-23Thursday,January5,202310、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。18:18:2218:18:2218:181/5/20236:18:22PM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。1月月-2318:18:2218:18Jan-2305-Jan-2312、故人江海别别，几度隔山山川。。18:18:2318:18:2318:18Thursday,January5,202313、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。1月月-231月月-2318:18:2318:18:23January5,202314、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。05一一月20236:18:23下午午18:18:231月-2315、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。一月236:18下下午1月-2318:18January5,202316、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2023/1/518:18:2318:18:2305January202317、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。6:18:23下午午6:18下午午18:18:231月-239、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。1月-231月-23Thursday,January5,202310、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。18:18:2318:18:2318:181/5/20236:18:23PM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积积累累。。。。1月月-2318:18:2318:18Jan-2305-Jan-2312、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，，留留一一份份不不足足，，可可得得无无限限完完美美。。。。18:18:2318:18:2318:18Thursday,January5,202313、不知香积积寺，数里里入云峰。。。1月-231月-2318:18:2318:18:23January5,202314、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。05一一月