材料力学实验指导书2012.doc

1、材料力学实验指导书邓瑞基 唐小弟 陈自力 中南林学院力学实验中心二0一二年九月目 录绪 言. 1实验一 试验机操作练习试验3实验二 材料拉伸实验报告4实验三 低碳钢和铸铁压缩实验9实验四 圆轴扭转实验11实验五 纯弯曲梁的正应力实验14附录：电子式万能试验机.2225绪言一、材料力学实验的主要内容材料力学实验是学习材料力学课程的一个重要环节。通过实验课能巩固和加深理解讲课中的基本理论知识，掌握材料机械性能及构件的应力与变形的测定方法。同时通过实验使我们学会使用有关的机器和仪器(如材料试验机，电阻应变仪)，初步培养确定实验方案、正确分析和处理实验结果的能力，并树立起严肃认真的科学作风。实验的过程

2、，也是集体密切配合的过程，只有在合理分工、密切配合、团结一致的情况下，才能顺利地完成每个实验。材料力学实验，按性质可以分为以下三类：1、测定材料力学性能的试验材料的力学性能是指在力或能的作用下，材料在变形、强度等方面表现出的一些特性，如弹性极限、屈服极限、强度极限、弹性模量、疲劳极限、冲击韧度等。这些强度指标是构件强度、刚度和稳定性计算的依据。此系列实验主要包括拉伸、压缩、扭转、冲击、硬度等，通过这类实验可以进一步巩固有关材料力学性质的知识和掌握材料特性数值的基本测定方法。随着科学技术的发展，新材料不断涌现，对每一种新材料所表现的力学性质都必须了解，才能正确使用，因而这一类实验是必不可少的。对

3、材料力学性能的测定，应按国家标准(或部颁标准)的规定进行。2、验证理论的实验将实际问题抽象为理想的模型，再根据科学的假设推导出一般性公式，这是研究材料力学通常采用的方法，例如杆件的弯曲理论就以平面假设为基础，但这些简化和假设是否正确，理论公式是否能在设计中应用，都需要通过实验来验证。如梁的正应力实验就属于这类实验，其目的是巩固和加深理解课堂中所学的概念，至于新建立的理论和公式，用实验来验证更是必不可少的。实验是验证、修正和发展理论的必要手段。3、测定应力和变形的实验工程上很多实际构件的形状、受力情况、工作环境都十分复杂(如汽车底盘、水坝、水压机、飞机结构等)。它们的应力及变形单纯靠理论计算是较

4、困难的，虽然有限元法和计算机的广泛应用，给计算法提供了有力的手段，但有时也不易得到满意的结果。近几十年来，发展了实验应力分析的方法，即用实验的方法解决应力分析的问题。这类实验的方法很多，在我们的实验中，着重训练用电测法测量应力，培养正确使用电阻应变仪的能力，掌握电测实验的基本技术。同时也介绍了光弹性法测量应力的一般原理。通过电测实验，让学生初步掌握电阻应变仪的使用及了解实测的方法，提高解决实际问题的能力。二、材料力学实验的标准、方法材料的强度指标如屈服极限、强度极限、持久极限等，虽是材料的固有属性，但往往与试样的形状、尺寸、表面加工精度、加载速度、周围环境（温度、介质）等有关。为使实验结果能相

5、互比较，国家标准对试样的取材、形状、尺寸、加工精度、试验手段和方法以及数据处理等都作了统一规定。我国国家标准的代号是 GB。其他国家也有各自的标准，如美国标准的代号为 ASTM，国际标准的代号为 ISO。国际间需要作仲裁实验时，以国际标准为依据。对破坏性实验，如材料强度指标的测定，考虑到材料质地的不均匀性，应采用多根试样，然后综合多根试样的结果，得出材料的性能指标。对非破坏性实验，如构件的变形测量，因为要借助于变形放大仪表，为减小测量系统引入的误差，一般也要多次重复进行，然后综合多次测量的数据得到所需结果。三、学生参加实验课的规则和要求为了提高实验效果，保证实验课顺利进行，对参加实验的每个学生

6、提出下列要求： 1、实验课前必须按预习要求，认真进行预习，未经预习不得进行实验。 通过预习，应明确本次实验的目的、原理以及实验所需用的机器和实验方法。然后根据实验目的和所用材料及尺寸，确定实验过程的加载方案(如最大载荷为多少、用什么方式加载)、测量变形的方法等。还要设计出记录表格，对每次实验应做好详细的记录。 对于机器、仪器的使用。 2、进入实验室要遵守实验室规则，不得大声喧哗，要保持安静，不得随意乱动与实验无关的机器、仪器。 3、应以严肃认真、科学严谨的态度作好实验。 实验开始，每个实验小组成员应有明确分工，统一指挥，紧密配合，相互协调。数据的测取要实事求是。 实验过程中，要充分发挥每个人的

7、积极性，每个学生不仅要掌握实验技能、正确操作有关的机器仪器(材料力学实验最常用的机器仪器是万能材料试验机、电阻应变仪和百分表等)，还要能运用基本理论知识，确定实验方案(如加载方案，电阻片的布置方案等)，分析实验现象和实验结果。 4、要爱护机器仪器及其他一切设备。 材料力学实验所用的机器仪器是比较复杂和精密的，为了确保机器仪器的正常使用及其精密度，学生还必须认真阅读机器操作规程。实验时要严格遵照规程进行操作，要注意安全，如发生故障应及时报告教师。 5、实验完毕后，要认真检查实验记录，经指导教师审阅后，方可离开实验室。 6、要保持实验室整洁。四、认真作好实验报告实验报告是实验资料的总结，报告应注意

8、以下内容：1、在实验测量中，注意测量单位。此外，还应注意仪器本身的精度。仪器的最小刻度值代表仪器的精度，百分表的最小刻度值是 0.01mm,其精度即为百分之一毫米。读数时还应在最小刻度之间，估计出一些数值，例如 0.128mm,其中 0.12 是精确读到的，8 则是估计的。 多次测量同一物理量，每次所得数据并不完全相同，应以测量结果的算术平均值作为该物理量的量值2、数据计算时，注意有效数字的运算法则。在材料力学实验中，一般可选用三位有效数字，例如截面面积 A13.8mm46.3mm 的计算结果，不要写成 638.94mm2,而应写为 639 mm2。3、当用曲线表达实验结果时，曲线应绘在方格纸

9、上，注明坐标轴所代表的物理量和比例尺。实验的坐标点可用“”、“”、“? ”表示。在连接曲线时，不要逐点连成折线（图 1-1），而应绘制成光滑曲线（图 1-2）。4、报告中最后的结论，是对实验中所观察到的主要现象和实验结果，进行分析、总结和归纳。五、机器仪器使用的一般规则1、进行实验前，必须了解和熟悉本实验所用的机器、仪器的一般原理和操作方法，实验时必须格遵守操作规程。2、非本实验所用的机器、仪器，切勿任意动用。3、实验过程中，如有机器、仪器发生故障，应立即切断电源，停止实验。并及时报告指导教师切忌自作主张，擅自处理。4、实验完毕后，应将机器、仪器擦试干净，并恢复原来正常状态。实验一试验机操作练

10、习一、实验目的1了解微机控制液压式万能试验机的工作原理和性能。2掌握微机控制液压式万能试验机的操作方法，为今后其它实验打好基础。二、试验设备万能试验机（见附录一）。三、试验步骤1听取实验指导教师对实验机原理、性能、主要部件及其作用、操作规程、安全注意事项和操作方法的介绍。2按附录中的试验机的使用方法进行操作练习，拉断一根低碳钢试件。四、思考题1万能试验机有哪些主要功能。2安装试件时要注意哪些问题。实验二 拉伸试验一、试验目的1测定低碳钢的屈服极限s、强度极限b、延伸率和截面收缩率。2测定铸铁的强度极限b。3观察低碳钢和铸铁拉伸过程中的各种现象，绘制拉伸图（PL 曲线）。4比较低碳钢和铸铁在拉伸

11、时的力学性质的特点。二、试验设备和工具万能材料试验机(或拉力试验机)，游标卡尺等三、试验试样由于试样的形状和尺寸对实验结果有一定影响，为便于互相比较，应按统一规定加工成标准试样。图一分别表示横截面为圆形和矩形的拉伸试样。L0是测量试样伸长的长度，称为原始标距。按现行国家标准 GB639786 的规定，拉伸试样分为比例试样和非比例试样两种。比例试样的标距 L0与原始横截面面积 A0的关系规定为：L0=式中系数 k 的值取为 5.65 时称为短试样，取为 11.3 时称为长试样。对直径为的圆截面短试样，L0 = 5.65 A0 = 5；对长试样L0=11.3 A0= 10。实验一般采用短试样。非比

12、例试样的L0 和A0不受上列关系的限制。图一 试样的表面粗糙度应符合国标规定。在图一中，尺寸称为试样的平行长度，圆截面试样不小于 +；矩形截面试样 L 不小于 +/2。为保证由平行长度到试样头部的缓和过渡，要有足够大的过渡圆弧半径 R。试样头部的形状和尺寸，与试验机的夹具结构有关。四、试验原理材料的机械性质s、b、和是由拉伸破坏实验来测定的。拉伸实验应按国家标准进行。实验完成后，计算机可以自动绘出低碳钢的拉伸图如图二、图三所示（见试验机的使用说明）。图二图三对于图示注意以下几个问题：1图二，为力位移曲线，纵坐标Y是指试验机加载在试件上的拉力，由试验机油缸内的压力传感器测得。横坐标为整个拉伸试件

13、的伸长，包机器本身弹性变形和试件头部在夹板中的滑动等。图线前面一段在没有增加力的情况下产生的位移是由于试验刚开如试件在夹头内滑动等因素造成。2图三，力变形曲线，这段图线是在力位移图线中在线弹性阶段选取的一段经放大而成，纵坐标Y是加在试件的上的力，原点以截取的起点为原点，横坐标是试件L0内50的一段的伸长量（50为电子引伸仪的标距，即两个脚之间的距离），是由于电子引伸仪测得。3.在屈服阶段，拉伸曲线常成锯齿状，由于上屈服点受变形速度和试件形状等影响较大，而下屈服点b则比较稳定，故工程上均以下屈服点所对应的载荷作为材料屈服时的载荷Ps，Ps在试验后会由计算机自动采集打印在图线下面的表格里，屈服极限

14、按下式计算：4. 在强化阶段，当试件所受拉力达到最大载荷Pb之前，在标距范围内的变形是均匀的，拉伸曲线是一段平缓上升的曲线，在这段曲线的最高点，拉力达到最大载荷Pb，以下式计算强度极限：5. 在局部收缩阶段，当拉力达到最大载荷Pb后，试件开始局部伸长和颈缩。在颈缩发生部位，其横截面面积迅速缩小，继续拉伸所需的载荷也迅速减小，拉伸曲线从最高点开始下降，直至试件断裂。此时通过测量试件断裂后的长度L1和断口处的直径d1，由公式:即可算出延伸率和截面收缩率。式中：L0：试件初始标距刻线间的长度。L1：试件拉断后，对接两拉断的试件重新测得的标距刻线间的长度。A0：缩颈处横截面积，根据d1计算。6根据图二

15、，测定弹性模量的E的原理。测定钢材的弹性模量时，应用拉伸试验。钢材在比例极限内服从虎克定律，其关系式为： 由此可得 （11）在低碳钢拉伸试件上安装测量轴向伸长的电子式引伸仪见图，加载荷P即可以从引伸仪直接测量在引伸标距范围内的轴向伸长量，从图（二）力变形图线上可查出，通过式（11）即可计算出低碳钢的弹性模量E。为了验证虑克定律和消除测量中可能产生的误差，一般采取增量法。所谓增量法，就是把欲加的最终载荷分成若干等份，逐级加载来测量试件的变形。本试验分为六级荷载，每级2KN，设试件的截面面积为A0，引伸仪的标距为，各级载荷增量相同并等于为2KN，各级伸长增加量为，则式（11）可改写为（12）式中足

16、标加载级数（=1，2，n）。由实验可以发现：在各级载荷量相等时，相应地由引伸仪测出的伸长量增加量也基本相等，这就验证了虑克定律的正确性。7铸铁试件在变形极小时，就已达到最大载荷而发生断裂，没有屈服和颈缩现象，故本试验没有给铸铁的拉伸图线，对于铸铁试件只测定其强度荷载（试验结束后，由计算机上只接读出），计算其。五、试验步骤（一）试件准备1在拉伸试件低碳钢试件的两端划上两条相距50mm的细线，即标距L0，铸铁试件不划。2用游标卡尺分别测量标距两端及中间的三个模截面处的直径，在上述每一横截面积内沿互相垂直的两个径向各测量一次，取平均值作为该截面的直径。用上述三个横截面直径的最小者计算试件的横截面积F

17、0，取三位有效数字，填入实验报告中。（二）试验机准备1打开试验机主机箱电源，启动计算机。2进入试验程序。（见试验机使用说明）（三）安装试件1将低碳钢拉伸试件安装到试验的上下两钳口之间。注意不要卡死电机，相关操作详见试验机使用说明。2对于低碳钢材料，要测其弹性阶段的的变形量，故要安装电子引伸仪，对于铸铁试件不需测变形量，不装引伸仪。（四）拉伸试验开始1在试验软件中，选择要做的试验名称，点“试验”，启动油泵，再点“开始”，开始拉伸试验。（详见试验机使用说明）2试件拉断后，点“结束”，然后在弹出的对话框中选文件存盘，取适当的文件名存盘。3对低碳钢试件，拉断后要测其标距和断口直径，铸铁不必测量。记录在

18、实验报告相应的表格。3对所存的文件进行相关的分析。详见试验机使用说明。4对低碳钢试件要打印其拉伸图线，再作相应的分析，对铸铁试件直接从图线上读取最大荷载，记录在实验报告上。（五）试验结果的处理1从图（二）的力变形关系图线上查出各级荷载作用下的伸长量（2，4，6，8，10，12KN），填在实验报告相应的表格中，并观察力变形是否近似为直线，以验证虎克定律。2接式（12）计算每次的弹性模量。再按算术平均值，计算弹性模量的试验结果，n为加载级数。3按实验原理中的各式计算低碳钢的、和铸铁的。六、注意事项1进入实验室后，没有指导老师的许可，任何不得动任何设备，损坏赔偿！2操作过程中，听到异常声音立即停机，

19、关掉电源。3对电子式引伸仪要轻拿轻放，不得随意玩弄，损坏赔偿，后果严重！4操作过程中要注意观察低碳金拉伸时的颈缩现象。5试件拉断后要保存好，不要扔掉，等所有的操作完成后，对低碳钢试件要要测其实验后的标距和断口直径。七、思考问题1根据试验结果比较低碳钢和铸铁的抗拉性能.2试从不同的断口特征说明金属的两种基本破坏形式？3什么叫比例试件，它应满足什么要求？实验三 低碳钢和铸铁压缩试验一、实验目的1测定铸铁的压缩强度极限，和低碳钢压缩时屈服极限。2观察低碳钢和铸铁压缩时的破坏现象。3比较铸铁拉伸与压缩时的强度极限。二、设备万能试验机，游标卡尺。三、试验试件图一 压缩试样为圆柱形，也分短、长两种试样受压

20、时，两端面与试验机垫板间的摩擦力约束试样的横向变形，影响试样的强度。随着比值 h/d的增加，上述摩擦力对试样中部的影响减弱。但比值 h/d也不能过大，否则将引起失稳。测定材料抗压强度的短试样，通常规定1h/d3。四、试验原理 图二为了尽量使试样承受轴向压力，试样两端面必须平行，并与试样轴线垂直。其端面还应加工光滑，以减少摩擦力的影响。必要时，试样端面和垫板之间应涂上润滑剂以减小摩擦。 试验机应附有球形承垫如图二所示，以保证试样端面与垫板均匀接触，试样均匀受压。当试样两端面受力稍有不同时，球形承垫可以起调节作用，使压力通过试样轴线。低碳钢在弹性阶段，同样有比例极限和弹性极限，开始进入屈服阶段后，

21、只有很短暂拐点，该负荷值即定为Ps，在强化段压缩图的变化由于试件长度不断缩短，横截面不断增大而使试件抗力也随之不断增加，得不到极限状态，故低碳钢材料不存在强度荷载Pb和相应的强度极限，铸铁是脆性材料，单向压缩时试件达到最大载荷Pb时，就突然断裂，没有明显的屈服，断裂面与轴线夹角约45o在左右，说明破坏主要由于剪应力达到某极限值而引起的。故铸铁不测其屈服荷载。低碳钢压缩时屈服极限，按式：计算，铸铁压缩时强度极限按式： 计算。Ps、Pb从计算机显示的图线中读取。五、试验步骤1试件准备用游标卡尺测量试件的两端及中部三处截机的直径，取三处中最小的一处的平均值来计算截面面积。2试验机的准备开启试验机主机

22、电源，启动电脑，打开压缩程序。3安放试件如有条件将试件两端涂以润滑油，然后将试件准确地放在试验机的球形承垫的中心处。4进行试验运行软件进行试验，如是低碳钢材料，在材料达到屈服后，继续加载，将试件压成鼓形即可停上，存盘。如是铸铁材料，加压到破坏为止（破坏时会声响）停机，存盘。5试验结果处理根据原理中的公式，在试验图线中查取相应的Pb ，Ps，计算低碳钢的和铸铁的。六、注意事项1加载时切忌接近试件，以防试件飞出致伤。七、思考题1为什么说压缩试验是有条件性的？2为什么铸铁压缩试样沿与轴线约成 45o倾斜的截面破坏?3铸铁抗拉、抗压性能有什么不同?实验四 圆轴扭转试验一、实验目的1测定低碳钢的剪切屈服

23、极限，剪切强度极限。2测定铸铁的剪切强度极限。3分析比较两种材料在受扭过程中的变形现象和破坏形式。二、设备微机控制扭转试验机NJ100（见附录），游标卡尺。三、试验试件金属扭转试验所用的试件为圆形，其标距部分的直截了当径d=101毫米，标距长度l=100毫米。亦可用l=50毫米的短试件。四、试验原理 图一低碳钢的Mn曲线当低碳钢材料放在扭转试验扭转破坏后（扭转试验机的操作见附录说明），计算机会绘出其Mn曲线，如图一所示。当扭矩达到一定数值时，试件横截面边缘处的剪应力开始达到剪切屈服极限，如图二所示，这时的抟矩叫。在扭矩超过后，横截面上剪应力的分布不再是线性的。在圆轴的外部处，材料发生屈服形成环

24、形朔性区，同时Mn图变成曲线。此后，随着试件继续扭转变形，塑性区不断向圆心扩展，曲线稍微上升，直至B点趋于平坦，这时图线中B点的扭矩为试件截面全部屈服所对应的抟矩，对应的近似等于式中的是试件的抗扭截面模量。试件再继续变形，材料进一步强化，到达曲线上的C点，试件发生断裂。这时的扭矩为试件横截面部达到强度所对应的扭矩，所对应的强度 。图三 铸铁抟转的Mn图当铸铁的曲线如图所示。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从而。 图四 纯剪应力状态试件受扭，材料处于纯剪应力状态，如图四。在与杆轴成450角的螺旋面上，分别受到主应力的作用。低碳钢的抗拉能力大于搞剪能力，故从横截面剪断

25、，而铸铁的抗拉能力不从心较抗剪能力弱，故沿着与方向成正交的方向拉断。五、试验步骤1试件准备用游标卡尺测量试件的两端及中部三处截机的直径，取三处中最小的一处的平均值来计算截面面积。2试验机的准备开启试验机主机电源，启动电脑，打开压缩程序。3安放试件调整扭转夹头的位置，把试件夹好。4进行试验运行软件进行试验，至到破坏为止（破坏时会声响）停机，存盘。5试验结果处理根据原理中的公式，在试验图线中查取相应的Mb ，Ms，计算低碳钢的和铸铁的。六、注意事项参看扭转试验机使用说明七、思考题1塑性材料和脆性材料试件扭转破坏后的断口有何不同？原因何在？2比较低碳钢的抗拉、抗压、抗剪能力。3比较铸铁的抗拉、抗压、

26、抗剪能力。实验五纯弯曲梁的正应力试验一、实验目的1熟悉电测法。2测定梁纯弯曲时的正应力及其分布规律。3验证纯弯曲正应力理论公式。二、试验设备静态电阻应变仪，纯弯曲试验台。三、试验装置图一 纯弯正应力实验装置简图图二试件材料弹性模量E（GPa）梁高度h（）梁宽度b（）梁跨度L（）加力器到支座的距离a（）惯性矩Iy（4）杆杠力放大倍数K低碳钢24030.860201.820表一四、电测原理及测试方法（一）概述 电测法是目前实验应力分析中应用最广泛的一种。电测法使用的最重要的测量仪器是电阻应变仪，是把非电量的变化转换为电学量(如电容、电感、电阻等)的变化而进行测量的。它主要用于测量构件表面的应变，其

27、测量应变的灵敏度可达 l 微应变(1 微应变=10-6)，精确度可达 l 一 2。它的传感元件尺寸小、重量轻，能满足应力梯度较大情况下的应变测量。电阻应变仪不仅可作静态应力的测量，且适于作动态应力的测量，还可用于高温或低温环境下以及遥测等方面，通用性好。仪器便于携带，可到现场进行实测，且不破坏构件。电测法便于普及和推广。 电测法使用的测量仪器由两部分组成：(1)应变感受部分电阻应变片。(2)信号放大，测量部分电阻应变仪。（二）电阻应变片1 电阻应变片的结构及主要性能参数 在一般实测中最常用的是丝绕式应变片。它的结构如图三所示。电阻应变片的丝栅 5，是用直径为 0.020.05mm 的康铜或镍铬

28、等合金材料绕成栅状的，称为敏感栅。用绝缘的粘结剂 4 把它贴在基底 2上，两端用直径为 0.2mm 的银铜线 3 引出，上面覆盖一层保护纸 1 而构成。图三 丝绕式应变片 电阻应变片的主要性能参数由制造厂提供，并标在包装袋上，以供在不同条件测试时能够正确的选择和使用。现就常温下电阻应变片的主要性能参数介绍如下：（1）基长(标距)L：是指敏感栅的轴向长度，一般为 3100mm。 基宽 a：一般为 210mm。（2）原始电阻值 R：一般有 60、120、350、600 或 1000，最常用的是 120。（3）灵敏系数 K：电阻应变片的灵敏系数是电阻相对变化与感受的应变的比值，即：或 式（1）K 称

29、为应变片的灵敏系数，它与丝栅的材料和丝栅的绕制形式有关。K 值由实验测定，一般 K=2.0 左右。2电阻应变片的工作原理在测试中，电阻应变片的作用是感受构件的变形，也是将机械量转换为电学量的转换元件。测试前，先将电阻应变片牢固地粘贴在被测构件的表面上，使其同构件一起变形，从而引起电阻应变片电阻值的变化，这就把应变量转换为电学量的变化。设电阻改变量为R，由试验得知，电阻相对改变量与应变量成正比，即，由此可知，如能测出R，则便可求出。在测试中是将电阻改变量R 输入到指示器中，经放大后，在指示器上直接标出应变量的大小。3 应变片的分类根据敏感栅所用材料不同可将应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片两

30、大类。现着重讨论金属电阻应变片的分类。按制造方法分类按敏感栅的制造方法金属电阻应变片可分为： （1）金属丝绕式应变片这种应变片的敏感栅是由直径为 001005mm 的铜镍合金或镍铬合金的金属丝绕制而成，简称为丝绕式应变片。如图四所示。图四由于应变片的敏感栅除有纵栅外，还有圆弧形或直线形的横栅。因此当应变片感受到轴线方向的应变时，同时还能感受到横向的应变，这就是应变片的横向效应。丝绕式应变片敏感栅的横向部分呈圆弧形，其横向效应较大，故测量精度较差。而且其端部圆弧部分制造困难，形状不易保证，使应变片性能不够稳定。但丝绕式应变片多用纸基底和纸覆盖层，价格较低，粘贴也方便，故目前国内还在应用。（2）金

31、属箔式应变片这种应变片的敏感栅是用厚度为 00020005mm 的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成，简称箔式应变片，如图 2-16 所示。由于制造工艺自动化，可大量生产，并可把敏感栅制成为各种形状和尺寸的应变片，尤其可以制造很小的应变片。其敏感栅的横向部分为较宽的栅条，故横向效应较小；而且栅箔薄而宽，因而粘贴牢固、散热性能好、疲劳寿命长，并能较好地反映构件表面的变形，使测量精度较高。由于箔式应变片具有以上优点，故在各个测量领域中得到广泛的应用。按结构形状分类按敏感栅的结构形状，金属电阻应变片可分为：（1）单轴应变片单轴应变片是指只有一个敏感栅的应变片。如图

32、三所示。（2）应变花(多轴应变片)具有两个或两个以上轴线相交成一定角度的敏感栅制成的应变片称为多轴应变片，通常称为应变花。如图五所示。图五4电阻应变片的选用选用电阻应变片时，主要考虑以下几项因素：（1）应力状态 单向应力状态用单轴应变片；平面应力状态,应选应变花(多轴应变片)。（2）应力梯度 应力梯度大时应选小标距应变片，反之标距则可适当大一些。（3）试件材质及表面质量 材质均匀、表面光滑者可用小标距应变片；材质不匀、表面粗者，则应选用大标距应变片，如对混凝土表面，应变片标距应大于粗骨料(石子)粒径的四倍，以获得标距内的平均应变。（4）环境条件 在高温高湿等恶劣环境条件下，应选专用应变片。（5

33、）与应变仪匹配 应变片须与应变仪的供桥电压(或电流)匹配，以免测量时应变片过度发热，影响精度甚至烧坏。5电阻应变片的粘贴工艺应变片的粘贴质量直接影响测量结果，必须重视。不同类型的应变片和粘合剂，有不同的粘贴工艺。下面仅介绍纸基丝绕式应变片，使用 502 快干胶水粘贴的步骤。（1）处理试件表面。在试件表面拟贴应变片处，用锉刀、刮刀或砂纸打磨平整，光洁度不低于4，然后用丙酮等易挥发的液体将试件表面擦洗干净，使之无油、无污、无锈。（2）刻划定位线。为了保证贴片位置的准确，先在试件表面欲测处划出定位线。（3）涂胶粘贴。先在划好定位线并擦洗干净的表面上涂一层胶水，稍干后，在电阻应变片的背面也涂一薄层胶水

34、，然后将电阻应变片准确地贴在划线部位上，再用手指轻轻滚压，挤出多余胶水。注意在胶层中间不应夹有气泡。（4）干燥。在室温下自然干燥 1024 小时后，用高阻表检查电阻应变片与试件间的绝缘电阻，要求大于100兆欧。（5）焊线。干燥后测量电阻应变片的电阻值。检查是否断线或与试件短路，然后将导线与应变片引出线焊牢。注意保证焊接质量，严防接触不良，假焊与易于脱落等现象。焊线前必须将导线固定在试件上，以防应变片引出线受力而被拉断。（6）保护。为了防潮，可在应变片上涂一层石蜡或中性凡士林。（三）测量电路使用应变片测量应变时，必须采用适当的办法检测应变片阻值的微小变化。测量电路的作用就是将应变片的阻值变化转化

35、为电压(或电流)信号。这种电信号是很微弱的，需用电子放大器放大，然后再由指示仪表或记录器显示、记录。电阻应变测量一般采用两种测量电路。一种是电位计式电路，另一种是桥式电路(惠斯顿电桥)。前一种电路只在某些情况下使用，这里我们仅介绍桥式电路。我们实验所使用的电阻应变仪是采用惠斯顿电桥(电路)的平衡原理来测量应变片的电阻值变化。下面主要以惠斯顿电桥为例介绍电路的工作原理。图六所示的是惠斯顿电桥。设各桥臂电阻分别为 R1、R2、R3、R4,其中的任一个桥臂电阻都可以是应变片电阻。电桥的 A、C 为输入端，输入电压为 UAC,B、D 为输出端，输出电压为 UBD。当负载阻抗远大于电桥的输出阻抗时，可视

36、负载阻抗为无穷大，即 B、D 端开路，为电压输出。从 ABC 半个电桥来看，AC 间的电压为 UAC 。流经 R1的电流为由此得出 R1 两端的电压降为图六同理，R3 两端的电压降为故可得到电桥输出电压为： 式（2）由上式可知，当 R1R4=R2R3电桥输出电压 UBD=0。(2)式称为电桥平衡条件。设处于初始平衡状态的电桥，若用全桥接线法，即四个桥臂电阻都是应变片。当各桥臂的阻值有微小增量，设分别为R1 R2 R3 R4此时电桥的输出电压为化简后，略去分母中的R 项及分子中的R 高次项，并考虑到电桥出始平衡条件。R1 R3 = R2 R4故上式变为当四个桥臂阻值相等(R1=R2=R3=R4=

37、R)，且其灵敏系数 K 亦相同，则上式变为将关系式R /R = K代入上式，便得 式（3）若用半桥接线法，只有桥臂 AB、BC 为工作应变片也既只有 R1、R2变化 式（4）若只有桥臂 AB 为工作应变片，既仅 R1 有变化，则 式（5）由式（3）（4）（5）可知，(1)电桥输出电压UBD 与应变成正比，所以电阻应变仪可按电压输出量的大小，经放大器放大直接读出应变值。(2)电桥输出电压UBD与任何两个相邻桥臂的电阻相对改变量之差成比例，或者与任何两个相对桥的电阻相对改变量之和成比例，这就是常说的电桥的加减特性。它是解决温度补偿问题的依据。（四）温度补偿电阻应变片对温度的变化十分敏感，即电阻值随

38、温度变化而变化。故在测量过程中，若有温度变化，所测结果将包括由温度变化而引起的应变，这就造成了测量误差。为清除此误差采取的措施是：用与工作电阻应变片同一型号的应变片粘贴在与被测构件材料相同，但不受力的试样上，将它放置在被测构件的同一温度环境中，这个应变片称作温度补偿片。测量时，将工作电阻应变片 R1接在 A、B 桥臂上,温度补偿片 R2接在 B、C 桥臂上。R1因受力和温度变化，其电阻值增量R1=R1+R1t。而 R2 只有温度的变化,引起电阻值的增量为R2t，因这两个应变片的型号相同，即 K1=K2和 R1=R2，故它们由于温度变而引起的应变也是相同的(即R1t/ R1=R2t/ R2)。由

39、电桥的加减特性可知，温度变化而产生的应变在测量中将被抵消，这样就消除了温度变化造成的测量误差。（五）应变片接入电桥的方法在实际测量中，可利用电桥的基本特性，采用各电阻应变片在电桥中不同的连接方法达到各种不同的测量目的。如实现温度补偿；从比较复杂的组合应变中测出指定成分而排除其他成分；扩大应变仪的读数，以减少读数误差，提高测量灵敏度。在应变测量中常采用以下几种方法将应变片接入电桥。1 全桥接线法在测量电桥的四个桥臂上全部接电阻应变片，称为全桥接线法，如图 2-19 所示。对于等臂电桥，此时应变仪的读数应变由实际测量时，可有以下两种情况：（1）全桥测量电桥的四个桥臂上都接工作应变片。（2）相对两桥

40、臂测量电桥相对两桥臂接工作应变片，另外相对两桥臂接温度补偿应变片。2 半桥接线法若在测量电桥的桥臂 AB 和 BC 上接电阻应变片，而另外两桥臂 AD 和 DC 接电阻应变仪的内部固定电阻 R，则称为半桥接线法，如图 2-20 所示。由于桥臂 AD 和 DC 接固定电阻，不感受应变，因此对于等臂电桥，可得到应变仪的读数应变为（1）半桥测量 电桥的两个桥臂 AB 和 BC 上均接工作应变片。（2）单臂测量 电桥的两个桥臂 AB 和 BC 上任一桥臂接一工作应变片另一桥臂接温度补偿应变片。这为本实验室采用的接桥方法。3 电桥盒接线方法电桥盒如图七所示，共有18八个接线柱。其中电桥盒的“1，2，3，

41、4”旋钮相当于电桥的“A,B,C,D”. 桥盒内部 5，8 之间接有标准电阻 R4，7，8 之间接有标准电阻 R3。在进行单臂、半桥测量时，将仪器备用的三个短路片分别将15，37及48 连接起来，这样R3,R4可作为内半桥使用。工作片接 1，2，（即 A,B）温度补偿片(或另一工作片)接在 2，3(既 B,C)上即可。在作对臂测量或全桥测量时，将三个短路片全部拆下，四枚电阻片按(1，2)，（2，3)(3，4)及(4，1)顺序连接即可。（六）电阻应变仪的结构及使用详见静态电阻应变仪的说明。五、试验原理纯弯曲试验装置如图一所示，梁的尺寸均列在表一中，当给装置增加砝码时，装置上面的杆杠会将砝码的力P

42、放大20倍后，均分为两个竖直向上的力加在梁上，受力图如图八所示，这样在梁中间有一段是纯弯装态，其截面上的正应力理论公式为。 （1）图八 式（1）中z为梁横截面上的点到中性层的坐标，是横截面对中性层的惯性矩。图中，代入公式（1）得： 当装置的砝重量P改变时，横截面上某点的正应力也会改变，且若通过电测法测得该点沿纵（即x方向）应变，则根据纵向纤维间无挤压假设，由单向应力状态的虎克定律：即可以得到该点的实测正应力，同样当砝码重量改变时，这样就可以把该点正应力的理论值与实验测得的进行比较，以验证公式（1）。本实验中梁中间设置了5个测点，如图二所示，其中测点1位于梁的上表面，测点2位于中性层到上表面等距

43、离的地方，测点3位于中性层上，测点4位于中性到下表面等距离的地方，测点5位于梁的下表面，梁高h一定，各点的z值是已知的，注意有正负之分。同时通过电测法，也测得横截面上各点（5点）的正应力，就可以了解梁纯弯曲时横截面上正应和分布情况。电测法详见附录静态电阻应变仪使用说明五、试验步骤1观察试验装置的构造，电阻应变片在梁上的分布情况，以及电阻应片的半桥接法。2将预调平衡箱调到第一测点。2调整静态电阻应变仪（灵敏系数，基零平衡和电阻平衡）见附录静态电阻应变仪使用说明。3改变砝码重量，分级加载，本试验分5级加载，每级增10N，测出测点1的应变值，即仪器读数，记录在实验报告上。4重复3，直至测出测点1在各级荷载下的应变值。5重复2，3，4，测点5个测点在各级荷载下的应变值。6测完各点，整理实验报告。六、思考题1纯弯曲正应力计算公式推导中应用了哪些假设？2测点1，5与2，4的应变有什么关系？理想的测点3的应变值为多少？3弯曲正应力与弹性模量E有没有关系？简支梁中跨中受压差线附录 电子式万能材料试验机电子式万能试验机采用高速DSP平台，其高集成度、数据处理能力强，可靠性高。采用基于神经元自适应PID算法的全数字，三闭坏（力、变形、位移）控制系统，实