拉伸试验
实验一 拉伸实验报告
一、实验目的
1、掌握如何正确进行拉伸实验的测量；
2、通过对拉伸实验的实际操作，测定低碳钢的弹性模量 e、屈服极限бs、 强度极限бb 、延伸率δ 、截面收缩率 ψ；
3、观察在拉伸过程中的各种现象，绘制拉伸图（p―δ曲线） ；
4、通过适当转变，绘制真应力-真应变曲线s-e，测定应变硬化指数n ，并了解其实际意义。
二、实验器材与设备
1、电子材料试验机（载荷、变形、位移）
其设备如下：
2、变形传感器（引申仪）
型 号 ∶yj y―11
标 距 l ∶50 mm
量 程 δl∶ 25mm
3、拉伸试件
为了使试验结果具有可比性，按gb228-2002规定加工成标准试件。
其标准规格为：l0=5d0，d0=10mm。
试件的标准图样如下：标准试件图样
三、实验原理与方法
1、低碳钢拉伸
随着拉伸实验的进行，试件在连续变载荷作用下经历了弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段以及局部变形阶段这四个阶段。
其拉伸力——伸长曲线如下：
弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 局部变形阶段
低碳钢的拉伸力——伸长曲线
2、低碳钢弹性模量 e的测定
在已经获得的拉伸力—伸长曲线上取伸长长度约为标距的1%~8%的相互距离适当的两点（本实验选取了伸长为4%和8%的两点），读出其力和伸长带入相关的计算公式计算出弹性模量e。
3、应变硬化指数n的测定
在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度之后，塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去，而需要不断增加外力才能继续进行。这表明金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力，这就是应变硬化性能。塑性应变是硬化的原因，而硬化则是塑性应变的结果。应变硬化是位错增值，运动受阻所致。
准确全面描述材料的应变硬化行为，要使用真实应力——应变曲线。因为工程应力——应变曲线上的应力和应变是用试样标距部分原始截面积和原始标距长度来度量的，并不代表实际瞬时的应力和应变。当载荷超过曲线上zui大值后，继续变形，应力下降，此与材料的实际硬化行为不符。
在拉伸真实应力——应变曲线上，在均匀塑性变形阶段，应力与应变之间符合hollomon关系式
s=ken
式中，s为真实应力；k为硬化系数，亦称强度系数，是真实应变等于1.0时的真实应力；e为真实应变；n为应变硬化指数。
应变硬化指数n反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。
根据gb5028-85，应变硬化指数n的计算过程如下：
首先，要绘制出真实的应力——应变曲线，然后根据在塑性变形阶段下： 真应力 s=f/a 真应变 e=△l/l
根据塑性变形时体积不变的条件：
dv =0 v=al
由① ②联立求解得：
此式为颈缩判据。
在颈缩点
sb=kebn dsb/deb=knebn-1
故： kebn=knebn-1
即： n = eb
故可求出应变硬化指数n的值。
4、实验数据修约 （gb228―87）
测定的机械性能的数值修约，按照gb1.1－81执行。
若应力在200～1000mpa范围，
应力计算的尾数<2.5，则舍去；
计算的尾数≥2.5或<7.5,则取5；
计算的尾数≥7.5，则取10
四、实验结果与分析
1、实验所得数值结果
标距直径断面收缩率屈服强度下屈服力zui大力抗拉强度弹性模量断后伸长率应变硬化指数
l0dzrefelfmrmean
mmmm%n/mm^2knknn/mm^210^5n/mm%
100.51066.36293.323.0434.89444.22.0431.900.28
2、实验所得力——位移曲线
3、力——变形曲线
修约处理后数据整理 ：
屈服极限 бs = 295 mpa
强度极限 бb = 445 mpa
延伸率 δ = 66 %
截面收缩率 ψ= 32 %
应变硬化指数 n =0.28
五、 实验步骤
1、根据gb228-2002选取标准试件；
2、将试件放入电子材料试验机css-44200中（放入过程应缓慢，以免损坏试件）并连接；
3、将变形传感器接入试件中心部位并连接；
4、通过微机处理系统对实验进行设定；
5、开始实验，并对实验进行实时监测；
6、当变形量达到5mm时，暂停加载，并将变形传感器卸下，之后继续加载；
7、在接入塑性变形阶段后，可提高加载速率，试件断裂时，实验结束，对数据进行处理。
六、实验总结与心得体会
通过本次实验，觉得自己更深地掌握了相关知识。对于材料性能测试中的拉伸实验也有了进一步的了解。
实验中，在仪器不断施加变载荷的情况下，试件也经历了不同的阶段。在弹性变形阶段中，如果将所施加的力卸载，由于弹性变形是可恢复变形，所以卸载之后的试件恢复到原样。当试件继续加载到屈服阶段时，就会产生屈服效应，我们会发现在这一阶段当力在不断增加时，试件的变形却很小。过了屈服阶段之后，试件就进入了均匀塑性变形阶段，在这一阶段中，随着力的不断增加，试件的变化量也快速增加；随后发生缩颈。在实际操作过程中，我们也可以观察到明显的缩颈现象。缩颈现象过后，试件就进入了不均匀塑性变形阶段，然后随着力的不断增加，试件zui终被拉断。
在测量过程中，我们可以发现计算机所绘制的“工程应力——应变曲线”与“真实应力——应变曲线”存在一定的差异。“工程应力——应变曲线”中试件在发生缩颈现象之后，在不均匀塑性变形阶段，其应力随着应变的增加而不断减小，zui后发生断裂；而在“真实应力——应变曲线”中试件在发生缩颈之后，在不均匀塑性变形阶段，其应力随着应变的增加而不断增加，zui后发生断裂。这说明，理论与实际存在着一定的差距，为了使材料具有更安全的应用范围，我们必须经过无数次的实验来测量它的力学性能、物理性能、化学性能以及加工性能等。
在实验介绍过程中，老师谈论到一些有关传感器的内容。老师说到，之所以要使用变形传感器（引伸仪），是因为试件与设备的螺纹连接处存在公差配合，从而使得在拉伸试件的时候存在误差，导致zui后算得的数据不准确，所以为了消除这一部分的机械误差，我们就使用变形传感器来测量试件的变形量。这告诉了我们，在进行实验的时候，我们要尽可能的考虑所有的影响因素，并且想一些方法来减小这些因素导致的测量误差，使得zui后的实验结果更加。这样才能更安全，更广泛的使用材料。
实验过程中，我们也测得了应变硬化指数n。我们也了解到，应变硬化指数n具有十分明显的工程意义。如金属材料的n值较大，则加工成的机件在服役的时承受偶然过载的能力也就越大，可以阻止机件某些薄弱部位继续塑性变形，从而保证机件安全服役。n对板材冷变形工艺也有重要影响，n大的材料，冲压性能好，因为应变硬化效应高，变形均匀，减少变薄和增大极限变形程度，不易产生裂纹。n值还对应变硬化效果有重要意义，n值大者，应变硬化效果更突出。不能进行热处理强化的金属材料都可以用应变硬化的方法进行强化。在工件表面进行局部应变硬化，如喷丸、表面滚压等，处理后可有效地提高强度和疲劳强度。因此，在进行拉伸试验时，测量应变硬化指数n也是非常重要的。
通过本次试验，我们能更好地掌握材料拉伸实验的操作流程，同时，也对材料的部分力学性能有了进一步的了解。
实验二 变压器设计与特性研究
一、仪器和元器件
pasco sf-8616 基本线圈4个（200匝1个、400匝2个、800匝1个）pasco sf-8614 u型铁芯，低压交流电源（0—6v，0—1a），电压表，导线若干。
二、实验要求
1、用上述仪器和元件设计组装一套简单变压器装置。
2、研究在空载时，不同结构对变压器的输出特性的影响。
三、实验原理和思路
图1是变压器的原理简体图，当一个正弦交流电压u1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流i1并产生交变磁通ф1，它沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势u2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势e1，e1的方向与所加电压u1方向相反而幅度相近，从而限制了i1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。
如果次级接上负载，次级线圈就产生电流i2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁芯中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压e1减少，其结果使i1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时i1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁芯里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。
四、实验装置的调试和测量
1、用400匝线圈作为初级线圈，另一个400匝线圈作为次级线圈输入6v交流电压，测输出电压的输出值。
2、在两线圈插入直铁芯，重复步骤1，记录结果。
3、把线圈放入开口的u型铁芯的两边，重复步骤1，记录结果。
4、zui后，把直铁芯装上，重复步骤1，记录结果。
五、数据和结果分析
无铁芯时电感耦合不良，磁感线不能*穿过次级线圈，耦合系数小，导致次级电压很小；u1：u2=6：0.1
增加直铁芯后，耦合系数增大，穿入次级线圈的磁感线增多，电压明显增大。u1：u2=6：2.5
增加u型铁芯后，耦合系数较无铁芯时有明显增大，但效果不如加直铁芯。u1：u2=6：2
增加闭合式铁芯后磁感线被约束的更多，因此穿入次级线圈的磁感线增加，次级电压增大，几乎与初级电压相同。u1：u2=6：5
六、问题与思考
1、哪种结构的铁芯能使输出电压zui大？试用理论解释其不同之处
答：*封闭的铁芯使输出电压zui大。增加闭合式铁芯后磁感线被约束的更多，因此穿入次级线圈的磁感线增加，次级电压增大，几乎与初级电压相同。
2、线圈匝数与电压间存在什么数学关系？理想吗？为什么？
答：线圈匝数比n1:n2=电压比u1:u2;是理想模型，现实中误差可能比较大，因为磁感线从原线圈穿出并不都从次级线圈穿入，导致电压下降，另外，导线、铁芯震动也有损耗使次级电压下降。
3、为了使输出增大，你有什么其他办法？
答：1、可以使用密封材料防止磁感线从次级线圈外穿出；2、可以用次级线圈包裹在原线圈外，再加上铁芯，这样可以尽量多的利用原线圈产生的磁感线，使次级线圈的磁通量加大，增加输出。
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1、掌握如何正确进行拉伸实验的测量；
2、通过对拉伸实验的实际操作，测定低碳钢的弹性模量 e、屈服极限бs、 强度极限бb 、延伸率δ 、截面收缩率 ψ；
3、观察在拉伸过程中的各种现象，绘制拉伸图（p―δ曲线） ；
4、通过适当转变，绘制真应力-真应变曲线s-e，测定应变硬化指数n ，并了解其实际意义。
二、实验器材与设备
1、电子材料试验机（载荷、变形、位移）
其设备如下：
2、变形传感器（引申仪）
型 号 ∶yj y―11
标 距 l ∶50 mm
量 程 δl∶ 25mm
3、拉伸试件
为了使试验结果具有可比性，按gb228-2002规定加工成标准试件。
其标准规格为：l0=5d0，d0=10mm。
试件的标准图样如下：标准试件图样
三、实验原理与方法
1、低碳钢拉伸
随着拉伸实验的进行，试件在连续变载荷作用下经历了弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段以及局部变形阶段这四个阶段。
其拉伸力——伸长曲线如下：
弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 局部变形阶段
低碳钢的拉伸力——伸长曲线
2、低碳钢弹性模量 e的测定
在已经获得的拉伸力—伸长曲线上取伸长长度约为标距的1%~8%的相互距离适当的两点（本实验选取了伸长为4%和8%的两点），读出其力和伸长带入相关的计算公式计算出弹性模量e。
3、应变硬化指数n的测定
在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度之后，塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去，而需要不断增加外力才能继续进行。这表明金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力，这就是应变硬化性能。塑性应变是硬化的原因，而硬化则是塑性应变的结果。应变硬化是位错增值，运动受阻所致。
准确全面描述材料的应变硬化行为，要使用真实应力——应变曲线。因为工程应力——应变曲线上的应力和应变是用试样标距部分原始截面积和原始标距长度来度量的，并不代表实际瞬时的应力和应变。当载荷超过曲线上zui大值后，继续变形，应力下降，此与材料的实际硬化行为不符。
在拉伸真实应力——应变曲线上，在均匀塑性变形阶段，应力与应变之间符合hollomon关系式
s=ken
式中，s为真实应力；k为硬化系数，亦称强度系数，是真实应变等于1.0时的真实应力；e为真实应变；n为应变硬化指数。
应变硬化指数n反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。
根据gb5028-85，应变硬化指数n的计算过程如下：
首先，要绘制出真实的应力——应变曲线，然后根据在塑性变形阶段下： 真应力 s=f/a 真应变 e=△l/l
根据塑性变形时体积不变的条件：
dv =0 v=al
由① ②联立求解得：
此式为颈缩判据。
在颈缩点
sb=kebn dsb/deb=knebn-1
故： kebn=knebn-1
即： n = eb
故可求出应变硬化指数n的值。
4、实验数据修约 （gb228―87）
测定的机械性能的数值修约，按照gb1.1－81执行。
若应力在200～1000mpa范围，
应力计算的尾数<2.5，则舍去；
计算的尾数≥2.5或<7.5,则取5；
计算的尾数≥7.5，则取10
四、实验结果与分析
1、实验所得数值结果
标距直径断面收缩率屈服强度下屈服力zui大力抗拉强度弹性模量断后伸长率应变硬化指数
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mmmm%n/mm^2knknn/mm^210^5n/mm%
100.51066.36293.323.0434.89444.22.0431.900.28
2、实验所得力——位移曲线
3、力——变形曲线
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屈服极限 бs = 295 mpa
强度极限 бb = 445 mpa
延伸率 δ = 66 %
截面收缩率 ψ= 32 %
应变硬化指数 n =0.28
五、 实验步骤
1、根据gb228-2002选取标准试件；
2、将试件放入电子材料试验机css-44200中（放入过程应缓慢，以免损坏试件）并连接；
3、将变形传感器接入试件中心部位并连接；
4、通过微机处理系统对实验进行设定；
5、开始实验，并对实验进行实时监测；
6、当变形量达到5mm时，暂停加载，并将变形传感器卸下，之后继续加载；
7、在接入塑性变形阶段后，可提高加载速率，试件断裂时，实验结束，对数据进行处理。
六、实验总结与心得体会
通过本次实验，觉得自己更深地掌握了相关知识。对于材料性能测试中的拉伸实验也有了进一步的了解。
实验中，在仪器不断施加变载荷的情况下，试件也经历了不同的阶段。在弹性变形阶段中，如果将所施加的力卸载，由于弹性变形是可恢复变形，所以卸载之后的试件恢复到原样。当试件继续加载到屈服阶段时，就会产生屈服效应，我们会发现在这一阶段当力在不断增加时，试件的变形却很小。过了屈服阶段之后，试件就进入了均匀塑性变形阶段，在这一阶段中，随着力的不断增加，试件的变化量也快速增加；随后发生缩颈。在实际操作过程中，我们也可以观察到明显的缩颈现象。缩颈现象过后，试件就进入了不均匀塑性变形阶段，然后随着力的不断增加，试件zui终被拉断。
在测量过程中，我们可以发现计算机所绘制的“工程应力——应变曲线”与“真实应力——应变曲线”存在一定的差异。“工程应力——应变曲线”中试件在发生缩颈现象之后，在不均匀塑性变形阶段，其应力随着应变的增加而不断减小，zui后发生断裂；而在“真实应力——应变曲线”中试件在发生缩颈之后，在不均匀塑性变形阶段，其应力随着应变的增加而不断增加，zui后发生断裂。这说明，理论与实际存在着一定的差距，为了使材料具有更安全的应用范围，我们必须经过无数次的实验来测量它的力学性能、物理性能、化学性能以及加工性能等。
在实验介绍过程中，老师谈论到一些有关传感器的内容。老师说到，之所以要使用变形传感器（引伸仪），是因为试件与设备的螺纹连接处存在公差配合，从而使得在拉伸试件的时候存在误差，导致zui后算得的数据不准确，所以为了消除这一部分的机械误差，我们就使用变形传感器来测量试件的变形量。这告诉了我们，在进行实验的时候，我们要尽可能的考虑所有的影响因素，并且想一些方法来减小这些因素导致的测量误差，使得zui后的实验结果更加。这样才能更安全，更广泛的使用材料。
实验过程中，我们也测得了应变硬化指数n。我们也了解到，应变硬化指数n具有十分明显的工程意义。如金属材料的n值较大，则加工成的机件在服役的时承受偶然过载的能力也就越大，可以阻止机件某些薄弱部位继续塑性变形，从而保证机件安全服役。n对板材冷变形工艺也有重要影响，n大的材料，冲压性能好，因为应变硬化效应高，变形均匀，减少变薄和增大极限变形程度，不易产生裂纹。n值还对应变硬化效果有重要意义，n值大者，应变硬化效果更突出。不能进行热处理强化的金属材料都可以用应变硬化的方法进行强化。在工件表面进行局部应变硬化，如喷丸、表面滚压等，处理后可有效地提高强度和疲劳强度。因此，在进行拉伸试验时，测量应变硬化指数n也是非常重要的。
通过本次试验，我们能更好地掌握材料拉伸实验的操作流程，同时，也对材料的部分力学性能有了进一步的了解。
实验二 变压器设计与特性研究
一、仪器和元器件
pasco sf-8616 基本线圈4个（200匝1个、400匝2个、800匝1个）pasco sf-8614 u型铁芯，低压交流电源（0—6v，0—1a），电压表，导线若干。
二、实验要求
1、用上述仪器和元件设计组装一套简单变压器装置。
2、研究在空载时，不同结构对变压器的输出特性的影响。
三、实验原理和思路
图1是变压器的原理简体图，当一个正弦交流电压u1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流i1并产生交变磁通ф1，它沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势u2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势e1，e1的方向与所加电压u1方向相反而幅度相近，从而限制了i1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。
如果次级接上负载，次级线圈就产生电流i2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁芯中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压e1减少，其结果使i1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时i1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁芯里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。
四、实验装置的调试和测量
1、用400匝线圈作为初级线圈，另一个400匝线圈作为次级线圈输入6v交流电压，测输出电压的输出值。
2、在两线圈插入直铁芯，重复步骤1，记录结果。
3、把线圈放入开口的u型铁芯的两边，重复步骤1，记录结果。
4、zui后，把直铁芯装上，重复步骤1，记录结果。
五、数据和结果分析
无铁芯时电感耦合不良，磁感线不能*穿过次级线圈，耦合系数小，导致次级电压很小；u1：u2=6：0.1
增加直铁芯后，耦合系数增大，穿入次级线圈的磁感线增多，电压明显增大。u1：u2=6：2.5
增加u型铁芯后，耦合系数较无铁芯时有明显增大，但效果不如加直铁芯。u1：u2=6：2
增加闭合式铁芯后磁感线被约束的更多，因此穿入次级线圈的磁感线增加，次级电压增大，几乎与初级电压相同。u1：u2=6：5
六、问题与思考
1、哪种结构的铁芯能使输出电压zui大？试用理论解释其不同之处
答：*封闭的铁芯使输出电压zui大。增加闭合式铁芯后磁感线被约束的更多，因此穿入次级线圈的磁感线增加，次级电压增大，几乎与初级电压相同。
2、线圈匝数与电压间存在什么数学关系？理想吗？为什么？
答：线圈匝数比n1:n2=电压比u1:u2;是理想模型，现实中误差可能比较大，因为磁感线从原线圈穿出并不都从次级线圈穿入，导致电压下降，另外，导线、铁芯震动也有损耗使次级电压下降。
3、为了使输出增大，你有什么其他办法？
答：1、可以使用密封材料防止磁感线从次级线圈外穿出；2、可以用次级线圈包裹在原线圈外，再加上铁芯，这样可以尽量多的利用原线圈产生的磁感线，使次级线圈的磁通量加大，增加输出。
分割器出现故障需要分析和维修有哪些方法？
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