材料力学实验讲义

第二章材料的机械（力学）性能测试§2-1 材料试验机的操作一、万能材料试验机简介在材料力学实验中，一般都要给试样（或模型）施加荷载，这种加载用的设备称为材料试验机。

试验机根据所加荷载的性能可分为静荷试验机和动荷试验机；根据工作条件又可分为常温、高温和低温等试验机；根据加载的形式分为拉力、压力和扭转等试验机。

如果一台试验机兼作拉伸、压缩、弯曲和剪切等多种试验，则称为万能试验机。

试验机所能施加的荷载有大有小，小的只有几牛顿，大的可达几千吨。

一般材料力学实验室常用的是常温、静载5t～100t的万能试验机、拉力和扭转等试验机。

试验机的种类很多，但一般都有机架、加载系统、测力示值系统、荷载位移记录系统以及夹具、附具等五个基本部分所组成。

其中以加载系统、测力示值系统和荷载位移记录系统反映了试验机的主要性能。

1、加载系统它是对试样施加荷载的装置，除油泵外，主要安装在右边部分。

一般所谓加载，都是利用一定的动力和传动装置强迫试样发生变形，从而使试样受到力的作用。

2、测力、示值系统它是传递和指示试样所受荷载大小的装置，主要安装在左边部分。

3、荷载位移记录系统试验机上配置的一种称为自动绘图器的装置，它可以在实验过程中自动地绘出荷载与变形之间的关系曲线。

为了保证实验可靠，试验机要满足一定的技术条件，其标准由国家统一规定。

其中重要的规定之一，是要求试验机荷载的示值误差要在±1％以内，并且试验机在安装时或使用一定时间（一般为一年）后，都要进行检定（有国家计量管理部门统一进行），不合格的应检修。

试验机的检定方法可参阅“材料试验机检定规程”。

二、液压动摆式万能试验机这是最常用的一种试验机，类型很多，但一般指示外形不同，基本原理是一样的。

其可分为上置式油缸和下置式油缸两大类。

（一）上置式油缸液压万能试验机这类试验机的工作油缸在上部，其外形如图21-1所示，其构造原理如图21-2所示。

- 1 -- 2 -图21-2 液压式万能试验构造机原理示意图图21-1 WE-10A型液压式万能试验机- 3 -1、加载系统图21-3所示是其加载机构。

当图21-2中的油泵电机带动油泵5工作，将高压油液经送油管⑴和送油阀送入工作油缸时，逐渐推动工作活塞6、上横头7、活动立柱8和工作台9（又称活动台）上升。

若试样装夹在下层拉伸空间的上下夹头10和11中，则因下夹头固定不动，而工作台上升时上夹头随之一起上升，就对试样施加了拉力。

若试样放在上层压缩空间的上下垫板12之间，当工作台上升到试样与上垫板接触时就对试样施加了压力。

输油管路中的送油阀门用来控制进入工作油缸中的油量，以调节对试样加载的速度。

加载时回油阀置于关闭位置。

回油阀打开时，可将工作油缸中的油液泄回油箱，工作台由于自重而下降，回到原始位置。

如果拉伸试样的长度不同，可用下夹头电机（或人力）转动底座中的蜗轮，使螺柱上下移动以调节下夹头的位置。

注意：当试样已经夹紧或受力时，不能再移动下夹头，否则就造成用下夹头对试样加载，以致损伤机件。

工作台的行程对拉伸和压缩区间都有规定，使用者必须遵守。

2、测力、示值系统测力、示值系统的功能，是要随时反映出作用在试样上的荷载值。

它是试验机的心脏部门(见图21-2)。

加载时，工作油缸中的油压推动工作活塞6的力与试样所受的力成正比。

如果用油管⑵将工作油缸和测力油缸14连通，此油压便推动测力活塞15向下移动，使拉杆拉动摆锤16，使之绕支点转动而抬起，同时摆上的推杆（又称拨杆）便推动齿轮17，使齿轮和指针18旋转。

指针的旋转角度与油压成正比，因此在测力度盘上便可读出试样所受力的大小。

图21－4所示是测力、示值系统工作原理示意图。

由此图可知，试验机作用于试样上的力P 就是作用在工作油缸上的压力P W 与工作台自重W 0的差值（即P =P W －W 0）。

由于工作油缸与测力油缸相连通，它们的油压相等，因此有：p S P S P S S W W == 其中， S W 为工作油缸活塞的面积，P S 是作用在测力油缸上的压力，S S 为测力油缸活塞的面积，p 为油缸内油液的压强。

连杆在P S 作用下，摆杆、砝码对支点O 的平衡方程为：Q sin α·ι－P S cos(α－α0)·r ＝0齿杆的位移x 与摆杆扬角α的关系为：x = h ∙tan α0+h ∙tan(α－α0)= h [sin α/cos α0cos(α－α0)]图21-3 试验机加载部分- 4 - 示力指针的转角φ与齿杆位移x 的关系为：x =φ∙d /2联立以上四式可得：000W cos 2-⋅⋅=-=ϕαSw W S S r h Qld W P P 式中，Q 、l 、d 、r 、h 、S W 、S 0以及预置角α0都是常数，工作台的自重W 0也是常数，因此可得如下结论：⑴ 试验机作用于试样上的荷载P 与示力指针的转角φ成线性关系。

因此测力度盘可以以圆等分刻度。

⑵ 若视φ为常量（指针指在同一角度时），而视Q 为变量，则P 与Q 成线性关系。

因此更换砝码重量Q 可以得到不同的测力范围。

一般试验机可以更换三种摆重，相应地配有三个不同的砝码（一般由小到大编为A 、B 、C 三种号码），也相应地有三种刻度的测力度盘，分别表示三种测力范围。

例如WE －10A 型液压式万能试验机（图21-1所示）的三种度盘分别为：0～20 KN 、0～50 KN 、0～100 KN 。

试验时，为了保证测量荷载的精度，要根据试样实现估算所需荷载的大小，正确选择合适的测力度盘，并在摆杆21上放置相应重量的砝码。

⑶ 当φ视为常量，而l 视为变量时，P 与l 成线性关系。

因此更换摆杆长度l ，也可以得到不同的测力范围。

所以，有些试验机是采用调节摆杆长度的办法，而不是变更砝码的重量。

图21-4 测力、示值系统工作原理示意图前式中的荷载P与示力指针的转角φ成线性关系，是在理想状态下推得的，其中没有考虑到摩擦力，支承、夹具、机架受力后的变形，加工装配中几何尺寸的偏差，以及各零件之间的间隙等因素的影响，这些都会使P与φ之间产生非线性偏差。

当摆杆扬起的α角较大（相应指针的转角φ也大）时，由于摩察力引起的非线性误差显著增加，指针临近度盘的满度区域，示值的精度较差。

又根据国家对试验机示值精度的规定：以每级测量范围的10%开始，但不小于该机最大荷载的4%，误差应在±1%之内。

可见，指针在度盘的开始区域内精度也较差。

因此在试验时，应正确选择度盘的测力范围，一般使需要测量的荷载最好全落在度盘的10%～80%范围内。

另外，摩察力对试验机进程（加载）、回程（卸载）都有影响，而在进回程中引起的是双倍误差。

所以试验机加载时，必须平稳增加，不应忽增忽减。

再者，试验机加在试样上的荷载P是作用在工作油缸上的压力P W与工作台自重W0的差值，因此在加载前，应调整测力指针的零点（使P o=W O），以消除试验机工作台自重的影响。

普通材料试验机均为指针度盘式的示值方式，它有两根示值指针：一根是主动针，另一根示从动针，如图21-1所示。

当试验加载时，主动针带着从动针随荷载增加而沿刻度值增大的方向旋转；当试验结束卸载时，主动针回转至零位，而从动针则停示在终止的力值上，以供充裕的时间准确读数。

试验中，主动针记录的是加在试样上的瞬时荷载值，从动针记录的是前期加在试样上的最大荷载值。

从动针的位置可由手动进行调节。

3、荷载位移记录系统图21-5所示是万能试验机荷载位移记录系统的一般构成机构。

图21-5 荷载位移记录系统示意图力值的记录：在测力系统的齿杆上装有笔架，记录笔随齿杆的移动而在记录筒上描绘。

如使指针转动一圈，记录笔所绘直线的长度代表该度盘的满度力值，可作为力值的坐标。

- 5 -- 6 - 位移的记录：试验机上下夹头之间有相对位移时，线绳通过绳轮带动记录筒转动，记录笔便在筒纸上绘出了代表位移的线段。

记录筒上的绳轮一般具有2～3条不同直径的线槽，使描绘位移线段的长度比真实位移放大不同的倍数，可以选择使用。

力和位移同时记录：当夹头强迫试样变形的同时，试样不断产生抗力，这时记录笔和记录筒仪器运动，二者的合成运动描绘了力－变形曲线。

应当注意，该机构所记录的变形并非试样标距内的真实变形，而是试验机上、下两夹头间的位移，其精度较差。

如果需要大比例、高精度的P －∆L 曲线图，可应用现代的电子设备，在普通试验机上使用传感器直接测量试样的抗力和标距内的变形，并将测得值转化为电信号输出，经放大器接入x －y 函数记录仪便可得到放大倍数为，1 000以上的精确图线。

更先进的记录是将传感器采集的讯息经A /D 转换输入电子计算机，通过计算机数据处理打印出更精确的数据和曲线图。

（二）下置式油缸液压万能试验机这类试验机的工作油缸在下部，其外形如图21-6及图21-7所示，其构造原理与上置式油缸液压万能试验机的构造原理基本相似，只是外形不同，各机构的位置不同，相应试验空间的位置也不同（拉伸试验空间在上部，压缩试验空间在下部）。

试验空间的调节是靠中间横梁10的上下移动来实现的。

加载时，图21-6 WEC-50B 微机显示液压万能试验机- 7 -高压油液经送油管和送油阀送入工作油缸推动工作活塞、上横梁9、活动立柱和工作台11上升。

若试样装夹在上层拉伸空间的上下夹头中，则因中间横梁10固定不动，下夹头也就不动，而上横梁9上升时上夹头随之一起上升，就对试样施加了拉力。

若试样放在下层压缩空间的上下垫板之间，当工作台上升到试样与上垫板接触时就对试样施加了压力。

此类试验机在试验中的操作过程及注意事项与上述的上置式油缸液压万能试验机基本相同，此不再赘述。

了解试验机的主要功能，目的是为了更好地掌握和使用试验机。

实验的质量，除了试验机本身须达到规定的精度外，更重要的是决定于实验者的操作技能。

同时，正确、熟练的操作技能，也反映了实验者的水平和能力。

试验中具体所用试验机的构造原理及其操作规程请参看相关试验机的说明书或其他相关资料。

图21-7 WA-500B 电液式万能试验机- 8 - 金属材料的室温拉伸试验[实验目的]1、测定低碳钢的屈服强度R Eh 、R eL 及R e 、抗拉强度R m 、断后伸长率A 和断面收缩率Z 。

2、测定铸铁的抗拉强度R m 和断后伸长率A 。

3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化、冷作硬化和颈缩等现象），并绘制拉伸图。

4、比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸机械性能的特点。

[使用设备]万能试验机、游标卡尺、试样分划器或钢筋标距仪[试样]本试验采用经机加工的直径d =10 mm 的圆形截面比例试样，其是根据国家试验规范的规定进行加工的。

它有夹持、过渡和平行三部分组成（见图2-1），它的夹持部分稍大，其形状和尺寸应根据试样大小、材料特性、试验目的以及试验机夹具的形状和结构设计，但必须保证轴向的拉伸力。