【知识目标】

1.在比例极限内验证虎克定律。

2.加深对弹性变形与塑性变形的认识。

【技能目标】

1.掌握低碳钢弹性模量E 的测量方法。

2.能根据材料的强度指标,设计合理的加载方案。

3.3.1　实验设备

①RGM-4300 型微机控制电子万能试验机。

②YYU-25/50 型电子引伸计。

③游标卡尺。

3.3.2　实验内容

①测量低碳钢弹性模量E。

②验证虎克定理。

③制订实验加载方案。

3.3.3　实验原理

(1)弹性模量的测量

测定低碳钢的弹性模量时,为了确保均匀变形,满足平面假设条件,应采用拉伸实验。低碳钢在比例极限内服从胡克定律:σ=Eε。在满足小变形与轴向均匀变形的条件下,由虎克定律导出变形Δl 与载荷P 的关系式为

式中　l0——原始标距长度;

A0——试样原始横截面积。

由此可得

试样的轴向变形量Δl 由如图3.8 所示的电子引伸计测得。通过式(3.9)即可计算出低碳钢的弹性模量E。

图3.8　电子引伸计

(2)确定加载范围

确定加载范围应考虑以下两点:

①因胡克定律在线弹性范围内才有意义,故试样承受最大应力值不能超过比例极限。同时,为了确保试样拉伸过程中横截面积的变化在许可范围内,低碳钢加载上限一般不超过屈服强度σs 的70%~80%。例如,Q235 低碳钢试样,E=(2.0~2.2) ×105 MPa,σs≈350 MPa,d0=10 mm,A0=78.5 mm2。取实验应力上限为屈服强度的75%,则最终载荷为

Pn=0.8σs A0=20 606 N(www.daowen.com)

②由于实验开始阶段引伸计刀刃与试样之间,以及液压夹具与试样夹头之间往往存在微小滑动,试验机传动链存在微小间隙。因此,加载必须足够大,以避开实验开始阶段各类非线性因素带来的影响。

3.3.4　实验步骤

①试样准备。按引伸计的标距要求用试样分划器划两道不深的标距线。在试样的标距范围内,测量试样3 个横截面处的直径,取3 处直径的平均值(可称计算直径)作为试样的横截面积A0 的计算依据。

②制订加载方案,并按照加载方案,设定试验机加载上限、加载速率以及停机逻辑条件。

③检查及试车。检查活动横梁的上下限位点是否在正常位置;试车时,使活动横梁快速上升、下降。

④安装电子引伸计。小心、正确地安装电子引伸计,应使引伸计的两刀刃位于试样的标距处,并用橡皮筋将电子引伸计与试样可靠固定。

⑤按液压夹具上夹头夹紧开关夹紧试样上端,并将载荷、电子引伸计数据清零。

⑥通过手动控制将活动横梁移动到合适位置,并按液压夹具下夹头夹紧开关夹紧试样下端。

⑦进行实验。按照设定方案,从载荷零点开始加载,直至设定加载上限。

⑧手动操纵试验机横梁缓慢上移,直至计算机控制界面的压力传感器数据达到零附近。

⑨按液压夹具上下夹头松开开关,取下试样。

3.3.5　实验结果处理

①确定取点范围与载荷增量。应在载荷-变形曲线上线性较好的曲线段上取点,起始载荷应避开实验起始阶段的非线性部分,根据起始载荷、加载上限以及加载级数(取点数目)确定载荷增量,载荷增量ΔP 原则上应大于刚好避开载荷-变形曲线起始非线性部分的载荷值。

②确定载荷增量后,通过“曲线遍历”功能读取选取点的载荷值P0,P1,P2,P3,P4,…,Pn,以及轴向变形量Δl0,Δl1,Δl2,Δl3,Δl4,…,Δln。

③计算相邻取点间的载荷增量和轴向变形增量,即

并按

计算出多个弹性模量,再按算术平均值计算出弹性模量的实验结果,即

式中　n——加载级数。

3.3.6　注意事项

①试样加载需缓慢均匀。

②实验时,必须严格遵守所使用的试验机、仪器及量具等的操作规程。

3.3.7　思考题

①为什么要分段计算弹性模量?用此法测算得的弹性模量与一次就加载到最终值所测得的数据是否相同?

②试样的尺寸(d0 及l0)对测定弹性模量有无影响?

③实际加载起始阶段非线性曲线产生的原因是什么?