本發(fā)明涉及測量金屬材料彈性模量的裝置及測量方法,尤其涉及用直流雙臂電橋測量金屬材料彈性模量的裝置及測量方法,既用于全面了解與研究金屬材料性質(zhì),又能用于材料力學(xué)實驗教學(xué)。
背景技術(shù):固體材料在外力作用下發(fā)生形狀變化,稱為“形變”。在一定限度內(nèi)外力作用停止后,形變完全消失,稱為“彈性形變”。外力過大時,形變不能全部消失,留有剩余的形變,稱為“塑性形變”,即撤出外力后形變?nèi)匀淮嬖?,為不可逆過程。逐漸增加外力到開始出現(xiàn)剩余形變,就稱為達到了物體的彈性限度。描述固體材料抵抗形變能力的重要物理量稱為彈性模量,也稱為楊氏模量,是材料力學(xué)中的概念,他反映了固體材料彈性形變與內(nèi)應(yīng)力的關(guān)系,是工程技術(shù)中選擇材料時常需涉及的重要參數(shù)之一。彈性模量與所施外力、物體的長度及截面積無關(guān),只決定與固體材料的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、及其加工制造方法。他是反映固體材料性質(zhì)的一個重要物理量。彈性模量的大小標志了固體材料的剛性,彈性模量大說明固體材料承受壓縮或拉伸力時,其形變小。測量金屬材料彈性模量的方法有多種,一般采用拉伸——光杠桿放大法測量金屬材料彈性模量較為普遍,但是,拉伸——光杠桿放大法測量金屬材料彈性模量的實驗過程比較繁瑣,測量中易產(chǎn)生誤差。因此,設(shè)計一種方法簡單、測量較為準確的測量金屬材料彈性模量的裝置及測量方法受到了有關(guān)人士的關(guān)注。經(jīng)檢索國內(nèi)外現(xiàn)有文獻,尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有文獻。
技術(shù)實現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的在于提供一種測量金屬材料彈性模量的裝置及測量方法,以便更方便、準確測量金屬材料彈性模量,使其深入的研究和了解金屬材料的性質(zhì),有利于合理選擇金屬材料,用好金屬材料。為了實現(xiàn)上述發(fā)明的目的,其技術(shù)方案是:在圖1中,測量金屬材料彈性模量的裝置包括支架、砝碼、托盤、上夾頭、下夾頭、測量夾、導(dǎo)線及直流雙臂電橋、螺旋測微計、卷尺,還包括待測金屬絲。在圖2中,測量金屬材料彈性模量的裝置中的支架由1個支座、3顆支承螺釘、1塊底板、1個水準、2根支承桿、1個橫梁及2顆鎖緊螺釘組成,支座有三個腳,每個腳端安有支承螺釘;底板與支座用螺釘連接,固定在支座上面,底板中間處安有水準;2根支承桿的下端分別焊接在底板兩側(cè),橫梁安裝在2根支承桿的上端,旋松橫梁兩端的鎖緊螺釘,橫梁可在2根支承桿上向上或向下滑移,滑移至所需距離,旋緊鎖緊螺釘即可;在圖3中,上夾頭為彈簧夾頭,由上螺桿軸、彈簧套、螺母組成,彈簧套裝在上螺桿軸內(nèi),螺母旋在上螺桿軸的下方;支架上的橫梁中間處有一個通孔,該孔按動配合與上夾頭的上螺桿軸的螺紋桿配做,上夾頭的上螺桿軸的螺紋桿裝入該孔內(nèi),就可將上夾頭固定在橫梁中間處;測量夾有2個,為了保證測量精度,將測量夾設(shè)計成如圖1中圖所示,該測量夾為橢圓柱體,高15mm,寬12mm,厚7mm,材料為黃銅,軸線方向有兩個通孔,一個孔的直徑為2.5mm,另一個孔的直徑為3.5mm,兩孔中心距為5mm,測量夾配裝有4顆螺釘,安裝時,長為1100~1200mm,直徑為0.635~1.362mm的待測金屬絲的一端依次從2個測量夾直徑為2.5mm的孔穿過,再從上夾頭的下端穿入通過彈簧套的三爪,其爪與待測金屬絲接觸面為鋸齒狀,主要是增強摩擦力,旋緊上夾頭的螺母后就可限制待測金屬絲在上夾頭的彈簧套內(nèi)滑移;在圖4中,下夾頭也為彈簧夾頭,由螺桿軸、彈簧套、螺母組成,彈簧套裝在螺桿軸內(nèi),螺母旋在螺桿軸的上方;待測金屬絲的另一端從下夾頭的上端穿入通過彈簧套的三爪,其爪與待測金屬絲接觸面也為鋸齒狀,旋緊下夾頭的螺母就可限制待測金屬絲在下夾頭的彈簧套內(nèi)滑移;下夾頭的螺桿軸下端有一個通孔,托盤的吊鉤鉤住其通孔就可承載砝碼,用2根長導(dǎo)線,其中1根導(dǎo)線的一端從1個測量夾的直徑為3.5mm的孔穿入,旋入螺釘將該導(dǎo)線的一端與該測量夾的孔弧面貼緊,再將另1根導(dǎo)線的一端從另1個測量夾的直徑為3.5mm的孔穿入,旋入螺釘將該導(dǎo)線的一端與該測量夾的孔弧面貼緊,該2根長導(dǎo)線的另一端分別與直流雙臂電橋的P1、P2電位端鈕連接,用2根短導(dǎo)線,將其中1根導(dǎo)線的兩端分別與直流雙臂電橋的P1電位端鈕、C1電流端鈕連接,再將另1根導(dǎo)線的兩端分別與直流雙臂電橋的P2電位端鈕、C2電流端鈕連接,構(gòu)成四端接線方式。測量金屬材料彈性模量的方法按以下步驟進行:①根據(jù)胡克定律:在彈性限度內(nèi),伸長應(yīng)變Δl/l與外應(yīng)力F/A成正比,即(1),(1)式中E為彈性模量,也稱為比例系數(shù);F為所測金屬絲在長度方向受到的外力;A為所測金屬絲的橫截面積;l為所測金屬絲檢測段的長度;Δl為所測金屬絲在長度方向受到外力后的伸長量。F、l、A都易于精確測量,而Δl變化量非常微小,不易測量。怎樣才能將不易測量的Δl變?yōu)橐子跍y量呢?查有關(guān)文獻得知橫截面積為A的金屬絲,受到F作用后其長度l發(fā)生微小變化增長了Δl時,金屬絲的電阻值Rx也同時增長了ΔR,由此可知ΔR的變化與Δl的變化密切相關(guān),從而可將測Δl變?yōu)闇yΔR,然后推導(dǎo)一種新的公式求得E?!巴徊牧系膶?dǎo)體,其電阻與導(dǎo)體的長度成正比,與導(dǎo)體的橫截面積成反比”即(2),同樣,同一材料的導(dǎo)體,其電阻的變化量ΔR與導(dǎo)體的長度變化量Δl成正比,與導(dǎo)體的橫截面積成反比,即(3),(2)、(3)式中的ρ為導(dǎo)電系數(shù),由(1)、(3)式可得(4),(4)式中的d為待測金屬絲的直徑??梢娭灰獪y出ΔR,再由(4)式就能求得E。用什么方法精確測量變化量很小的ΔR呢?電阻按阻值分為高阻值電阻(大于100KΩ);中阻值電阻(10Ω-100KΩ);低阻值電阻(小于10Ω)。當測量電阻時,在測量電路中有連接導(dǎo)線本身和測量接點處引起的附加電阻約10-2~10-4Ω,一般測量高、中阻值的電阻時,測量電路中的附加電阻可以忽略,但測量低阻值的電阻時就不能不考慮測量電路中的附加電阻了。由惠斯登電橋改進而成的直流雙臂電橋(又稱開爾文電橋)能有效地減小測量電路中的附加電阻,適用于測量10-5~10Ω的電阻,因而可以用直流雙臂電橋測量待測金屬絲的ΔR。在圖5中,直流雙臂電橋測量低阻值電阻電路中的Rx是被測電阻,Rn是比較用的可調(diào)標準電阻。Rx和Rn各有兩對端鈕,C1和C2、Cn1和Cn2稱為電流端鈕,P1和P2、Pn1和Pn2稱為電位端鈕。接線時必須使被測電阻Rx只能在電位端鈕P1和P2之間,而電流端鈕在電位端鈕的外側(cè),否則就不能排除或減少接線電阻與接觸電阻對測量結(jié)果的影響。將Rn的電流端鈕Cn2與Rx的電流端鈕C2用粗導(dǎo)線連接起來,粗導(dǎo)線的電阻為r,稱為“跨橋電阻”。R1、R′1、R2和R′2其阻值均在10Ω以上,因而所產(chǎn)生的附加電阻可以忽略,R1和R′1、R2和R′2組成兩對比率臂。測量時為了在改變R1或R2的同時使R′1和R′2也隨之變化,在直流雙臂電橋上把R1和R′1以及R2和R′2設(shè)計成同軸調(diào)節(jié)電阻,使其始終保持(5),測量時接上Rx,調(diào)節(jié)各橋臂電阻使電橋平衡。此時,因為Ig=0,從而得到被測電阻(6),可見,被測電阻Rx僅決定于橋臂電阻R2和R1的比值及比較用可調(diào)電阻Rn,而與粗導(dǎo)線電阻r無關(guān),比值R2/R1稱為直流雙臂電橋的倍率,所以電橋平衡時:被測電阻值=倍率讀數(shù)×比較用可調(diào)標準電阻讀數(shù)。只要能保證R1、R′1、R2和R′2均大于10Ω,r又很小,且接線正確,直流雙臂電橋就可較好地消除或減小附加電阻對測量精度的影響,所以用直流雙臂電橋測量小阻值電阻時,能得到較準確的測量結(jié)果。②用卷尺確定需要測量待測金屬絲的距離,按檢測段距離調(diào)整2個測量夾至檢測段,旋入螺釘將待測金屬絲與測量夾的孔弧面貼緊,注意待測金屬絲與測量夾的孔弧面貼合段要打磨光亮,使其減小待測金屬絲與測量夾的孔弧面接觸時產(chǎn)生的附加電阻。③調(diào)支架下端與地面接觸的3顆支承螺釘至使支架下端的底板中間處的水準泡在水準中心處,然后估計待測金屬絲檢測段的電阻值,選擇直流雙臂電橋適當?shù)谋堵?,調(diào)低直流雙臂電橋的檢流計靈敏度,然后按下控制直流雙臂電橋的檢流計按鈕“G”和控制直流雙臂電橋工作電源按鈕“B”,調(diào)節(jié)直流雙臂電橋的步進讀數(shù)盤和滑線讀數(shù)盤,並同時逐漸提高直流雙臂電橋的檢流計靈敏度,調(diào)節(jié)直流雙臂電橋平衡后,直流雙臂電橋的步進讀數(shù)盤和滑線讀數(shù)盤之和乘上此時所使用的倍率,就等于所測金屬絲檢測段的電阻值Rx1,Rx1為當金屬絲承受負載F為0時所測得的金屬絲檢測段的電阻值,然后用螺旋測微計在所測金屬絲的檢測段的不同部位測其直徑da1、db1,da1、db1為所測金屬絲承受負載F為0時所測得的金屬絲的檢測段的不同部位的直徑。然后保持被測金屬絲檢測段的距離不變,即夾持金屬絲檢測段兩端的測量夾不松開,逐次遞增相同負載F,即逐次遞增托盤上相同重量的砝碼,直至遞增至設(shè)計值,然后逐次遞減相同負載F,即逐次遞減托盤上相同重量的砝碼,直至遞減至0g,并且在每次遞增或遞減托盤上的砝碼時均要用直流雙臂電橋測出金屬絲檢測段對應(yīng)負載的變化其電阻隨之發(fā)生微小變化的Rx記錄在表1里,在每次遞增或遞減托盤上的砝碼時均要用螺旋測微計在金屬絲檢測段的不同部位測其對應(yīng)負載變化其直徑也隨之發(fā)生微小變化的da、db記錄在表1里。④當F=mg時,可以通過求ΔR;通過求再通過求d;然后將ΔR、F、A=πd2/4、ρ、l代入公式(4)即可求出所測金屬絲彈性模量E。本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:①測量金屬材料彈性模量的裝置中的上夾頭、下夾頭均為彈簧夾頭,夾持力好,裝夾待測金屬絲方便、快速。②待測金屬絲承受拉伸力時,夾持待測金屬絲的夾頭與待測金屬絲之間的夾持面易產(chǎn)生滑移,造成待測金屬絲出現(xiàn)假伸長,如果用現(xiàn)有技術(shù)的拉伸——光杠桿放大法測定金屬絲彈性模量,遇此情況將導(dǎo)致所測數(shù)據(jù)誤差增大,而本發(fā)明卻不受其影響。③運用雙臂電橋測微小值電阻的原理,結(jié)合推導(dǎo)出的新彈性模量計算公式,實驗方法簡便,測量的有關(guān)數(shù)據(jù)符合精度要求,所求得的金屬材料彈性模量與標準值比較,誤差小。④將金屬材料彈性模量的測定實驗與雙臂電橋測微小值電阻實驗綜合成一個實驗,即保證了實驗質(zhì)量,提高了實驗效率,又豐富了實驗內(nèi)容。附圖說明圖1為測量金屬材料彈性模量的裝置;圖2為測量金屬材料彈性模量的裝置中的支架;圖3為測量金屬材料彈性模量的裝置中的上夾頭;圖4為測量金屬材料彈性模量的裝置中的下夾頭;圖5為直流雙臂電橋測量低阻值電阻電路。具體實施方式實施例1測量碳鋼鋼絲彈性模量的裝置在圖1中,測量碳鋼鋼絲彈性模量的裝置包括支架、砝碼、托盤、上夾頭、下夾頭、測量夾及QJ44型直流雙臂電橋、量程為0-25mm螺旋測微計,量程為0-2000mm的卷尺,還包括導(dǎo)電系數(shù)ρ=9.70×10-8Ω·m,直徑為0.635mm的待測碳鋼鋼絲,碳鋼鋼絲長約1100mm,檢測段l設(shè)為900mm;在圖2中,測量碳鋼鋼絲彈性模量的裝置中的支架外輪廓高2000mm,寬200mm;支座有三個腳,每個腳端安有支承螺釘,支座材料為鑄鐵,支承螺釘材料為45鋼,底板與支座用螺釘連接,固定在支座上面,底板中間處安有水準,底板材料為45鋼;支承桿材料為45鋼,2根支承桿的下端分別焊接在底板兩側(cè),橫梁安裝在2根支承桿的上端,橫梁材料為鑄鐵,鎖緊螺釘為45鋼;支架上的橫梁中間處安裝有上夾頭,上夾頭為彈簧夾頭,由上螺桿軸、彈簧套、螺母組成,彈簧套裝在上螺桿軸內(nèi),螺母旋在上螺桿軸的下方,該彈簧套材料為彈簧鋼,該上螺桿軸、螺母材料均為45鋼;安裝時,待測碳鋼鋼絲的一端依次從2個測量夾的直徑為2.5mm的孔穿過,再從上夾頭的下端穿入通過彈簧套的三爪,其爪與待測碳鋼鋼絲接觸面為鋸齒狀,旋緊上夾頭的螺母就可限制待測碳鋼鋼絲在上夾頭的彈簧套內(nèi)滑移;下夾頭也為彈簧夾頭,由螺桿軸、彈簧套、螺母組成,彈簧套裝在螺桿軸內(nèi),螺母旋在螺桿軸的上方,該彈簧套材料為彈簧鋼,該螺桿軸、螺母均為45鋼;碳鋼鋼絲的另一端從下夾頭的上端穿入通過彈簧套的三爪,其爪與待測金屬絲接觸面也為鋸齒狀,旋緊下夾頭的螺母就可限制待測碳鋼鋼絲在下夾頭的彈簧套內(nèi)滑移,托盤的吊鉤鉤住下夾頭的螺桿軸下端的通孔就可承載砝碼,托盤材料為合金鋁;用2根截面積為2.5平方毫米,長1000mm的導(dǎo)線,其中1根導(dǎo)線的一端從1個測量夾的直徑為3.5mm的孔穿入,旋入螺釘將該導(dǎo)線的一端與該測量夾的孔弧面貼緊,再將另1根導(dǎo)線的一端從另1個測量夾的直徑為3.5mm的孔穿入,旋入螺釘將該導(dǎo)線的一端與該測量夾的孔弧面貼緊,2根導(dǎo)線的另一端分別與直流雙臂電橋的P1、P2電位端鈕連接;用2根2.5平方毫米,長60mm導(dǎo)線,將其中1根導(dǎo)線的兩端分別與直流雙臂電橋的P1電位端鈕、C1電流端鈕連接,再將另1根導(dǎo)線的兩端分別與直流雙臂電橋的P2電位端鈕、C2電流端鈕連接起來,構(gòu)成四端接線方式。測量碳鋼鋼絲彈性模量的方法按以下步驟進行:①用卷尺確定測量碳鋼鋼絲檢測段l的距離為900mm,調(diào)整2個測量夾相距900mm,旋入螺釘將碳鋼鋼絲與測量夾的孔弧面貼緊。②調(diào)支架下端與地面接觸的3顆支承螺釘至使支架下端的底板中間處的水準泡在水準中心處,然后估計待測碳鋼鋼絲檢測段的電阻值,選擇直流雙臂電橋的倍率為×1檔,調(diào)節(jié)直流雙臂電橋平衡,這時直流雙臂電橋的步進讀數(shù)盤和滑線讀數(shù)盤之和乘上此時所使用的倍率,就等于所測碳鋼鋼絲檢測段的電阻值Rx1,用螺旋測微計在所測碳鋼鋼絲的檢測段的不同部位測其直徑da1、db1。然后保持所測碳鋼鋼絲檢測段的距離不變,即夾持碳鋼鋼絲檢測段兩端的測量夾不松開,從碳鋼鋼絲承受負載為0開始,逐次遞增負載F為2000g,即逐次遞增托盤上的砝碼為2000g,直至遞增至10000g,然后逐次遞減負載F為2000g,即逐次遞減托盤上的砝碼為2000g,直至遞減至0g,并且在每次遞增或遞減托盤上的砝碼時均要用直流雙臂電橋測出碳鋼鋼絲檢測段對應(yīng)負載的變化其電阻隨之發(fā)生微小變化的Rx記錄在表2里,在每次遞增或遞減托盤上的砝碼時均要用螺旋測微計在碳鋼鋼絲檢測段的不同部位測其對應(yīng)負載變化其直徑也隨之發(fā)生微小變化的da、db記錄在表2里。③當F=mg=6kg×9.8N時,可以通過求ΔR;通過求再通過求d;然后將ΔR、F、A=πd2/4、ρ、l代入公式(4)即可求出E碳鋼實測=2.00×1011Pa,E碳鋼實測為用本發(fā)明的裝置和方法得到的碳鋼鋼絲彈性模量;E碳鋼標為1.96~2.06×1011Pa,E碳鋼標為有關(guān)文獻記載的碳鋼彈性模量標準值,從而看出用本發(fā)明所測得的碳鋼鋼絲彈性模量在標準值范圍內(nèi),表2記錄的是有關(guān)求碳鋼鋼絲彈性模量的測量及計算數(shù)據(jù)。表2實施例1的其余技術(shù)特征與技術(shù)方案中的技術(shù)特征相同。實施例2測量銅絲彈性模量的裝置測量銅絲彈性模量裝置中的待測銅絲的導(dǎo)電系數(shù)ρ=1.72×10-8Ω·m,直徑為1.362mm,長為1200mm,檢測段l設(shè)為1000mm,用2根截面積為2.5平方毫米,長1100mm的導(dǎo)線,其中1根導(dǎo)線的一端從1個測量夾的直徑為3.5mm的孔穿入,旋入螺釘將該導(dǎo)線的一端與該測量夾的孔弧面貼緊,再將另1根導(dǎo)線的一端從另1個測量夾的直徑為3.5mm的孔穿入,旋入螺釘將該導(dǎo)線的一端與該測量夾的孔弧面貼緊,2根導(dǎo)線的另一端分別與直流雙臂電橋的P1、P2電位端鈕連接;用2根2.5平方毫米,長60mm導(dǎo)線,將其中1根導(dǎo)線的兩端分別與直流雙臂電橋的P1電位端鈕、C1電流端鈕連接,再將另1根導(dǎo)線的兩端分別與直流雙臂電橋的P2電位端鈕、C2電流端鈕連接起來,構(gòu)成四端接線方式。測量銅絲彈性模量的方法按以下步驟進行:①用卷尺確定測量銅絲檢測段l的距離為1000mm,調(diào)整2個測量夾相距1000mm,旋入螺釘將銅絲與測量夾的孔弧面貼緊;②調(diào)支架下端與地面接觸的3顆支承螺釘至使支架下端的底板中間處的水準泡在水準中心處,然后估計待測銅絲檢測段的電阻值,選擇直流雙臂電橋的倍率為×0.01檔,調(diào)節(jié)直流雙臂電橋平衡,這時直流雙臂電橋的步進讀數(shù)盤和滑線讀數(shù)盤之和乘上此時所使用的倍率,就等于所測銅絲檢測段的電阻值Rx1,用螺旋測微計在所測銅絲的檢測段的不同部位測其直徑da1、db1。然后保持所測銅絲檢測段的距離不變,即夾持銅絲檢測段兩端的測量夾不松開,從銅絲承受負載為0開始,逐次遞增負載F為1000g,即逐次遞增托盤上的砝碼為1000g,直至遞增至5000g,然后逐次遞減負載F為1000g,即逐次遞減托盤上的砝碼為1000g,直至遞減至0g,并且在每次遞增或遞減托盤上的砝碼時均要用直流雙臂電橋測出銅絲檢測段對應(yīng)負載的變化其電阻隨之發(fā)生微小變化的Rx記錄在表3里,在每次遞增或遞減托盤上的砝碼時均要用螺旋測微計在銅絲檢測段的不同部位測其對應(yīng)負載變化其直徑也隨之發(fā)生微小變化的da、db記錄在表3里。③當F=mg=3kg×9.8N時,可以通過求ΔR;通過求再通過求d;然后將ΔR、F、A=πd2/4、ρ、l代入公式(4)即可求出E銅實測=1.06×1011Pa,E銅實測為用本發(fā)明的裝置和方法得到的銅絲彈性模量;E銅標為1.03~1.27×1011Pa,E銅標為有關(guān)文獻記載的銅彈性模量標準值,用本發(fā)明所測得的銅絲彈性模量在標準值范圍內(nèi),表3記錄的是有關(guān)求銅絲彈性模量的測量及計算數(shù)據(jù)。實施例2用的裝置同實施例1,實施例2中的其余技術(shù)特征與技術(shù)方案中的技術(shù)特征相同。