實驗一  拉伸實驗報告
一、實驗?zāi)康?br />1、掌握如何正確進(jìn)行拉伸實驗的測量；
2、通過對拉伸實驗的實際操作，測定低碳鋼的彈性模量 E、屈服極限бs、 強度極限бb 、延伸率δ 、截面收縮率 ψ；
3、觀察在拉伸過程中的各種現(xiàn)象，繪制拉伸圖（P―Δ曲線） ；
4、通過適當(dāng)轉(zhuǎn)變，繪制真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線S-e，測定應(yīng)變硬化指數(shù)n ，并了解其實際意義。
二、實驗器材與設(shè)備
  1、電子材料試驗機（載荷、變形、位移）
     其設(shè)備如下：

2、變形傳感器（引申儀）
      型     號  ∶YJ Y―11
      標(biāo)  距  L  ∶50 mm
      量  程 ΔL∶ 25mm

3、拉伸試件
      為了使試驗結(jié)果具有可比性，按GB228-2002規(guī)定加工成標(biāo)準(zhǔn)試件。
  其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為：L0=5d0，d0=10mm。
     試件的標(biāo)準(zhǔn)圖樣如下：標(biāo)準(zhǔn)試件圖樣

三、實驗原理與方法

1、低碳鋼拉伸

隨著拉伸實驗的進(jìn)行，試件在連續(xù)變載荷作用下經(jīng)歷了彈性變形階段、屈服階段、強化階段以及局部變形階段這四個階段。
其拉伸力——伸長曲線如下：

彈性階段  屈服階段       強化階段        局部變形階段

低碳鋼的拉伸力——伸長曲線

2、低碳鋼彈性模量 E的測定

在已經(jīng)獲得的拉伸力—伸長曲線上取伸長長度約為標(biāo)距的1%~8%的相互距離適當(dāng)?shù)膬牲c（本實驗選取了伸長為4%和8%的兩點），讀出其力和伸長帶入相關(guān)的計算公式計算出彈性模量E。

3、應(yīng)變硬化指數(shù)n的測定

在金屬整個變形過程中，當(dāng)外力超過屈服強度之后，塑性變形并不是像屈服平臺那樣連續(xù)流變下去，而需要不斷增加外力才能繼續(xù)進(jìn)行。這表明金屬材料有一種阻止繼續(xù)塑性變形的能力，這就是應(yīng)變硬化性能。塑性應(yīng)變是硬化的原因，而硬化則是塑性應(yīng)變的結(jié)果。應(yīng)變硬化是位錯增值，運動受阻所致。

準(zhǔn)確全面描述材料的應(yīng)變硬化行為，要使用真實應(yīng)力——應(yīng)變曲線。因為工程應(yīng)力——應(yīng)變曲線上的應(yīng)力和應(yīng)變是用試樣標(biāo)距部分原始截面積和原始標(biāo)距長度來度量的，并不代表實際瞬時的應(yīng)力和應(yīng)變。當(dāng)載荷超過曲線上zui大值后，繼續(xù)變形，應(yīng)力下降，此與材料的實際硬化行為不符。

在拉伸真實應(yīng)力——應(yīng)變曲線上，在均勻塑性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系式
S=Ken

式中，S為真實應(yīng)力；K為硬化系數(shù)，亦稱強度系數(shù)，是真實應(yīng)變等于1.0時的真實應(yīng)力；e為真實應(yīng)變；n為應(yīng)變硬化指數(shù)。

 應(yīng)變硬化指數(shù)n反映了金屬材料抵抗均勻塑性變形的能力，是表征金屬材料應(yīng)變硬化行為的性能指標(biāo)。

根據(jù)GB5028-85，應(yīng)變硬化指數(shù)n的計算過程如下：

首先，要繪制出真實的應(yīng)力——應(yīng)變曲線，然后根據(jù)在塑性變形階段下：      真應(yīng)力 S=F/A          真應(yīng)變 e=△L/L

根據(jù)塑性變形時體積不變的條件：
          dV =0      V=AL

由① ②聯(lián)立求解得：

此式為頸縮判據(jù)。
在頸縮點
Sb=KeBn       dSb/deB=KneBn-1
故：    KeBn=KneBn-1
即：      n = eB
故可求出應(yīng)變硬化指數(shù)n的值。
4、實驗數(shù)據(jù)修約 （GB228―87）
     測定的機械性能的數(shù)值修約，按照GB1.1－81執(zhí)行。

若應(yīng)力在200～1000MPa范圍，
 應(yīng)力計算的尾數(shù)<2.5，則舍去；
 計算的尾數(shù)≥2.5或<7.5,則取5；
 計算的尾數(shù)≥7.5，則取10

四、實驗結(jié)果與分析
1、實驗所得數(shù)值結(jié)果

標(biāo)距 直徑 斷面收縮率 屈服強度 下屈服力 zui大力 抗拉強度 彈性模量 斷后伸長率 應(yīng)變硬化指數(shù)
L0 d Z Re Fel Fm Rm E A n
mm mm % N/mm^2 kN kN N/mm^2 10^5N/mm % 
100.5 10 66.36 293.3 23.04 34.89 444.2 2.04 31.90 0.28

2、實驗所得力——位移曲線

3、力——變形曲線

修約處理后數(shù)據(jù)整理 ：
屈服極限     бs =  295  MPa
強度極限     бb =  445  MPa
延伸率       δ =   66    %
截面收縮率   Ψ=   32    %
應(yīng)變硬化指數(shù) n =0.28
五、 實驗步驟
1、根據(jù)GB228-2002選取標(biāo)準(zhǔn)試件；
2、將試件放入電子材料試驗機CSS-44200中（放入過程應(yīng)緩慢，以免損壞試件）并連接；
3、將變形傳感器接入試件中心部位并連接；
4、通過微機處理系統(tǒng)對實驗進(jìn)行設(shè)定；
5、開始實驗，并對實驗進(jìn)行實時監(jiān)測；
6、當(dāng)變形量達(dá)到5mm時，暫停加載，并將變形傳感器卸下，之后繼續(xù)加載；
7、在接入塑性變形階段后，可提高加載速率，試件斷裂時，實驗結(jié)束，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
六、實驗總結(jié)與心得體會
通過本次實驗，覺得自己更深地掌握了相關(guān)知識。對于材料性能測試中的拉伸實驗也有了進(jìn)一步的了解。
實驗中，在儀器不斷施加變載荷的情況下，試件也經(jīng)歷了不同的階段。在彈性變形階段中，如果將所施加的力卸載，由于彈性變形是可恢復(fù)變形，所以卸載之后的試件恢復(fù)到原樣。當(dāng)試件繼續(xù)加載到屈服階段時，就會產(chǎn)生屈服效應(yīng)，我們會發(fā)現(xiàn)在這一階段當(dāng)力在不斷增加時，試件的變形卻很小。過了屈服階段之后，試件就進(jìn)入了均勻塑性變形階段，在這一階段中，隨著力的不斷增加，試件的變化量也快速增加；隨后發(fā)生縮頸。在實際操作過程中，我們也可以觀察到明顯的縮頸現(xiàn)象。縮頸現(xiàn)象過后，試件就進(jìn)入了不均勻塑性變形階段，然后隨著力的不斷增加，試件zui終被拉斷。
在測量過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)計算機所繪制的“工程應(yīng)力——應(yīng)變曲線”與“真實應(yīng)力——應(yīng)變曲線”存在一定的差異。“工程應(yīng)力——應(yīng)變曲線”中試件在發(fā)生縮頸現(xiàn)象之后，在不均勻塑性變形階段，其應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而不斷減小，zui后發(fā)生斷裂；而在“真實應(yīng)力——應(yīng)變曲線”中試件在發(fā)生縮頸之后，在不均勻塑性變形階段，其應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而不斷增加，zui后發(fā)生斷裂。這說明，理論與實際存在著一定的差距，為了使材料具有更安全的應(yīng)用范圍，我們必須經(jīng)過無數(shù)次的實驗來測量它的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能以及加工性能等。
在實驗介紹過程中，老師談?wù)摰揭恍┯嘘P(guān)傳感器的內(nèi)容。老師說到，之所以要使用變形傳感器（引伸儀），是因為試件與設(shè)備的螺紋連接處存在公差配合，從而使得在拉伸試件的時候存在誤差，導(dǎo)致zui后算得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，所以為了消除這一部分的機械誤差，我們就使用變形傳感器來測量試件的變形量。這告訴了我們，在進(jìn)行實驗的時候，我們要盡可能的考慮所有的影響因素，并且想一些方法來減小這些因素導(dǎo)致的測量誤差，使得zui后的實驗結(jié)果更加。這樣才能更安全，更廣泛的使用材料。
實驗過程中，我們也測得了應(yīng)變硬化指數(shù)n。我們也了解到，應(yīng)變硬化指數(shù)n具有十分明顯的工程意義。如金屬材料的n值較大，則加工成的機件在服役的時承受偶然過載的能力也就越大，可以阻止機件某些薄弱部位繼續(xù)塑性變形，從而保證機件安全服役。n對板材冷變形工藝也有重要影響，n大的材料，沖壓性能好，因為應(yīng)變硬化效應(yīng)高，變形均勻，減少變薄和增大極限變形程度，不易產(chǎn)生裂紋。n值還對應(yīng)變硬化效果有重要意義，n值大者，應(yīng)變硬化效果更突出。不能進(jìn)行熱處理強化的金屬材料都可以用應(yīng)變硬化的方法進(jìn)行強化。在工件表面進(jìn)行局部應(yīng)變硬化，如噴丸、表面滾壓等，處理后可有效地提高強度和疲勞強度。因此，在進(jìn)行拉伸試驗時，測量應(yīng)變硬化指數(shù)n也是非常重要的。
通過本次試驗，我們能更好地掌握材料拉伸實驗的操作流程，同時，也對材料的部分力學(xué)性能有了進(jìn)一步的了解。

實驗二 變壓器設(shè)計與特性研究

一、 儀器和元器件
PASCO SF-8616 基本線圈4個（200匝1個、400匝2個、800匝1個）PASCO SF-8614 U型鐵芯，低壓交流電源（0—6V，0—1A），電壓表，導(dǎo)線若干。
二、 實驗要求
1、 用上述儀器和元件設(shè)計組裝一套簡單變壓器裝置。
2、 研究在空載時，不同結(jié)構(gòu)對變壓器的輸出特性的影響。
三、 實驗原理和思路
圖1是變壓器的原理簡體圖，當(dāng)一個正弦交流電壓U1加在初級線圈兩端時，導(dǎo)線中就有交變電流I1并產(chǎn)生交變磁通ф1，它沿著鐵芯穿過初級線圈和次級線圈形成閉合的磁路。在次級線圈中感應(yīng)出互感電勢U2，同時ф1也會在初級線圈上感應(yīng)出一個自感電勢E1，E1的方向與所加電壓U1方向相反而幅度相近，從而限制了I1的大小。為了保持磁通ф1的存在就需要有一定的電能消耗，并且變壓器本身也有一定的損耗，盡管此時次級沒接負(fù)載，初級線圈中仍有一定的電流，這個電流我們稱為“空載電流”。
如果次級接上負(fù)載，次級線圈就產(chǎn)生電流I2，并因此而產(chǎn)生磁通ф2，ф2的方向與ф1相反，起了互相抵消的作用，使鐵芯中總的磁通量有所減少，從而使初級自感電壓E1減少，其結(jié)果使I1增大，可見初級電流與次級負(fù)載有密切關(guān)系。當(dāng)次級負(fù)載電流加大時I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好補充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持鐵芯里總磁通量不變。如果不考慮變壓器的損耗，可以認(rèn)為一個理想的變壓器次級負(fù)載消耗的功率也就是初級從電源取得的電功率。變壓器能根據(jù)需要通過改變次級線圈的圈數(shù)而改變次級電壓，但是不能改變允許負(fù)載消耗的功率。
四、 實驗裝置的調(diào)試和測量
1、 用400匝線圈作為初級線圈，另一個400匝線圈作為次級線圈輸入6V交流電壓，測輸出電壓的輸出值。

2、 在兩線圈插入直鐵芯，重復(fù)步驟1，記錄結(jié)果。

3、 把線圈放入開口的U型鐵芯的兩邊，重復(fù)步驟1，記錄結(jié)果。

4、 zui后，把直鐵芯裝上，重復(fù)步驟1，記錄結(jié)果。

五、 數(shù)據(jù)和結(jié)果分析
無鐵芯時電感耦合不良，磁感線不能*穿過次級線圈，耦合系數(shù)小，導(dǎo)致次級電壓很小；U1：U2=6：0.1
增加直鐵芯后，耦合系數(shù)增大，穿入次級線圈的磁感線增多，電壓明顯增大。U1：U2=6：2.5
增加U型鐵芯后，耦合系數(shù)較無鐵芯時有明顯增大，但效果不如加直鐵芯。U1：U2=6：2
增加閉合式鐵芯后磁感線被約束的更多，因此穿入次級線圈的磁感線增加，次級電壓增大，幾乎與初級電壓相同。U1：U2=6：5
六、 問題與思考
1、 哪種結(jié)構(gòu)的鐵芯能使輸出電壓zui大？試用理論解釋其不同之處
答：*封閉的鐵芯使輸出電壓zui大。增加閉合式鐵芯后磁感線被約束的更多，因此穿入次級線圈的磁感線增加，次級電壓增大，幾乎與初級電壓相同。

2、 線圈匝數(shù)與電壓間存在什么數(shù)學(xué)關(guān)系？理想嗎？為什么？
答：線圈匝數(shù)比n1:n2=電壓比U1:U2;是理想模型，現(xiàn)實中誤差可能比較大，因為磁感線從原線圈穿出并不都從次級線圈穿入，導(dǎo)致電壓下降，另外，導(dǎo)線、鐵芯震動也有損耗使次級電壓下降。
3、 為了使輸出增大，你有什么其他辦法？
答：1、可以使用密封材料防止磁感線從次級線圈外穿出；2、可以用次級線圈包裹在原線圈外，再加上鐵芯，這樣可以盡量多的利用原線圈產(chǎn)生的磁感線，使次級線圈的磁通量加大，增加輸出。