CN110987605B - 一种材料力学试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料力学试验装置及其使用方法，涉及材料力学试验技术领域。包括机壳、试样放置机构、锤体放置机构、锤体发射机构，机壳内设有高度标尺，用于夹持试样的试样放置机构、用于放置锤体的锤体放置机构、用于将锤体向上发射并冲断试样的锤体发射机构从上到下依次与机壳连接。本发明能够减小冲击韧性试验所需的空间。

Description

一种材料力学试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及材料力学试验技术领域，具体为一种材料力学试验装置及其使用方法。

背景技术

强度、塑性、韧性是材料的三个基本的力学性能，对于材料韧性的检测，少不了开展冲击韧性试验。冲击韧性(a_k)也称为冲击强度，是在冲击载荷下试样吸收的能量(称为冲击功，用A_K表示)除以试样断面的面积(用S表示)所得的商。

对于硬质塑料、玻璃钢、陶瓷等非金属材料的冲击韧性的测定，所使用的试验设备为悬臂梁冲击试验机。如图1所示，悬臂梁冲击试验机的试验原理如下：

①将试样的下端用夹具固定。

②摆锤的重力记为G＝mg(该式中，m为摆锤的质量，g为重力加速度)，摆锤重心至旋转中心的距离记为L，摆锤的扬起角记为a，摆锤的扬起高度记为H。此时，摆锤具有的势能为：E₁＝GH＝GL(1-COSa)，

③释放摆锤，摆锤冲断试样后剩余的能量为：E₂＝Gh＝GL(1-COSb)，该式中，h为摆锤冲断试样后的回升高度，b为摆锤冲断试样后的回升角度。

④试样所吸收的冲击功A_K为这两部分势能之差：

A_K＝E₁-E₂＝G(H-h)＝GL(COSb-COSa)

其中，m、L、b、a都可测得，g为常数，将m、L、b、a、g这五个参数带入上式，即可计算得出该试样所吸收的冲击功A_K。

⑤再测量试样断面的面积S，用冲击功A_K值除以截面积S，即可得到该材料的冲击韧性a_k。

在上述悬臂梁冲击试验机的试验过程中，为了避免被摆锤冲断的试样飞出伤人、或者摆锤松脱飞出伤人，在摆锤摆动的回转方向上不允许站人，而且，人的身高平均在1.8m左右，悬臂梁冲击试验机所占据的活动空间为摆锤回转方向上的空间，占用了人体的活动空间，所以，该悬臂梁冲击试验机所需的试验空间大，难以在有限的室内增设该悬臂梁冲击试验机，又因为课程时间短、同时参加课程的学生人数多，所以只允许个别学生亲自操作试验，其他学生观看试验，以致于无法让更多的学生亲自操作，违反了开展试验课程来让学生在试验中亲自操作、体会所学知识的初衷。

所以，如何能够减小冲击韧性试验所需的空间，是本领域的技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种材料力学试验装置及其使用方法，本发明能够减小冲击韧性试验所需的空间。

为实现上述目的，发明提供如下技术方案：

一种材料力学试验装置，包括机壳、试样放置机构、锤体放置机构、锤体发射机构，机壳内设有高度标尺，用于夹持试样的试样放置机构、用于放置锤体的锤体放置机构、用于将锤体向上发射并冲断试样的锤体发射机构从上到下依次与机壳连接。

进一步的，所述试样放置机构包括固定板、活动板、第一调节组件，固定板与机壳连接，活动板设于固定板的下方，固定板通过用于调节固定板和活动板之间的距离的第一调节组件与活动板连接。

进一步的，所述第一调节组件包括第一导向杆、调节螺杆、限位螺母，第一导向杆的下端和调节螺杆的下端均与活动板连接，第一导向杆与设于固定板上的第一导向孔配合，第一导向杆在第一导向孔中上下滑动，调节螺杆与设于固定板上的调节孔配合，调节螺杆在调节孔中上下滑动，限位螺母设于固定板的上端面，限位螺母的外径大于调节孔的孔径，限位螺母与调节螺杆配合。

进一步的，所述锤体放置机构包括第二导向杆、锤体、锤体支撑板、第二调节组件，第二导向杆的上端与机壳连接，锤体设有用于与第二导向杆配合的第二导向孔，锤体沿着第二导向杆上下滑动，锤体支撑板并排设有两个，锤体支撑板与设于机壳上的锤体支撑板滑槽配合，锤体支撑板在锤体支撑板滑槽内滑动，两个锤体支撑板通过用于调节两个锤体支撑板之间的距离的第二调节组件连接。

进一步的，所述第二调节组件包括升降块、连接杆、固定件，升降块设于两个锤体支撑板之间，升降块与设于机壳上的升降块导向槽配合，升降块沿升降块导向槽上下滑动，升降块通过固定件与机壳固定，连接杆的上端与升降块铰接，连接杆的下端与锤体支撑板铰接。

进一步的，所述固定件采用固定杆，升降块设有第一固定孔，升降块导向槽内设有多个第二固定孔，所有的第二固定孔在升降块导向槽内沿着竖直方向均匀分布，固定杆依次与第一固定孔、第二固定孔配合。

进一步的，所述锤体发射机构包括驱动组件和从上到下依次连接的锤体推板、弹性件、弹性件支撑板，弹性件支撑板与机壳连接，弹性件通过用于压缩和释放弹性件的驱动组件与机壳连接。

进一步的，所述驱动组件包括绳索、拉环、升降筒、同步杆、升降件，绳索的上端与锤体推板连接，绳索用于与设于弹性件支撑板上的穿孔配合，绳索的下端与设于弹性件支撑板的下方的拉环连接，升降筒与机壳滑动连接，同步杆依次与升降筒的内腔、拉环的内圈配合，同步杆的两端均设有升降件，升降件的上端与机壳连接，升降件的下端与升降筒连接。

进一步的，所述试样放置机构和锤体放置机构之间设有缓冲机构，缓冲机构包括第三导向杆、第一缓冲垫、第二缓冲垫、铁芯、衔铁、开关、电源，第三导向杆与机壳连接，第一缓冲垫和第二缓冲垫均设有用于与第三导向杆配合的第三导向孔，第一缓冲垫远离第二缓冲垫的一端和第二缓冲垫远离第一缓冲垫的一端均与衔铁连接，衔铁通过衔铁弹性件与铁芯连接，铁芯上缠绕有绕组，铁芯与机壳连接，绕组通过导线与电源、开关构成导电回路，电源与开关均与机壳连接。

一种材料力学试验装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)称量锤体的质量，启动锤体发射机构，锤体发射机构将锤体向上发射出去，读取高度标尺上锤体上升至最高点的位置，锤体在最高点的势能按照下述公式计算：

E₁＝mgH

式中：

E₁——锤体空打时上升至最高点的势能，J；

m——锤体的质量，Kg；

g——重力加速度常数，m/s²；

H——锤体上升至最高点的位置，m；

(2)将试样放置于试样放置机构上，启动锤体发射机构，锤体发射机构将锤体向上发射出去，锤体冲断试样，记录锤体上升至最高点的位置，锤体在最高点的势能按照下述公式计算：

E₂＝mgh

式中：

E2——锤体冲断试样后上升至最高点的势能，J；

h——锤体冲断试样后上升至最高点的位置，m；

(3)试样所吸收的冲击功按照下述公式计算：

A_K＝E₁-E₂＝mg(H-h)

式中：

A_K——试样所吸收的冲击功；

(4)试样的冲击韧性按照下述公式计算：

a_k＝A_K/S

式中：

a_k——试样的冲击韧性；

S——试样的断面面积。

与现有技术相比，发明的有益效果是：

1、本发明能够限制锤体和试样的活动空间，让锤体和试样在竖直空间活动，避免锤体和试样飞出伤人，提高了试验的安全性。

而且，锤体和试样的活动空间是在竖直方向的，不会占据人体的活动空间，从而减小了冲击韧性试验所需的空间，以便于在有限的室内增设本发明的一种材料力学试验装置，从而在与背景技术中课程时间相同、参加课程的学生人数相同的情况下，本发明能让更多的学生亲自操作，符合了开展试验课程来让学生通过亲自试验来体会所学知识的初衷。

故而，本发明尤其适用于例如课程试验中这种试验空间有限、试验时间短、使用设备人数又多的情形。

2、通过设置调节螺杆和限位螺母，只需旋拧限位螺母和拉拽调节螺杆就能调节活动板和固定板之间的距离，结构简单，操作方便；又通过设置第一导向杆，能够让活动板只能在竖直方向上靠近或者远离固定板，避免活动板以调节螺杆为中心发生转动，提高了调节活动板和固定板之间的距离时的稳定性。

3、通过在锤体放置机构中设置第二导向杆，能够使锤体能沿着第二导向杆上下移动，即让锤体在竖直方向上移动，提高了锤体冲击试样的准确性。

4、通过设置升降块、连接杆、固定件来调节锤体放置机构中的两个锤体支撑板之间的距离，只需上下滑动升降块就能改变两个锤体支撑板之间的距离，结构简单，操作方便。

5、通过采用固定杆来固定升降块的位置，只需将固定杆插入升降块上的固定孔、机壳上的固定槽即可，操作灵活简便。

6、通过在驱动组件中设置同步杆，既能够拉拽绳索实现弹性件的蓄能，又能够抽出同步杆来释放弹性件的弹性势能，结构简单，操作方便。

7、通过设置缓冲机构，能够在锤体下落时，让锤体受到第一缓冲垫和第二缓冲垫的缓冲作用，而不会直接砸向锤体支撑板，从而防止锤体下落时砸伤锤体支撑板，起到了对锤体支撑板的保护作用，也避免锤体砸在锤体支撑板上发出声响，降低了噪音。

附图说明

图1为背景技术中悬臂梁冲击试验机的原理图；

图2为实施例1未安装第三侧板和锤体的一种材料力学试验装置的结构示意图；

图3为图2A处的局部放大图；

图4为实施例1未安装第三侧板的一种材料力学试验装置的结构示意图；

图5为实施例1锤体的结构示意图；

图6为实施例1一种材料力学试验装置的结构示意图一；

图7为图6B处的局部放大图；

图8为实施例1一种材料力学试验装置的结构示意图二；

图9为图8C处的局部放大图；

图10为实施例1一种材料力学试验装置的结构示意图三；

图11为实施例1绳索与锤体推板的连接结构示意图；

图12为实施例1绳索与拉环的连接结构示意图；

图13为实施例1试样的结构示意图；

图14为实施例1试样与活动板配合的结构示意图；

图15为实施例1一种材料力学试验装置的试验原理图一；

图16为实施例1一种材料力学试验装置的试验原理图二；

图17为实施例1的断裂的试样的结构示意图；

图18为实施例2一种材料力学试验装置的结构示意图；

图19为实施例2的缓冲机构的原理示意图一；

图20为实施例2的缓冲机构的原理示意图二。

图中：

1-1-顶板，1-2-底板，1-3-第一侧板，1-3-1-升降块导向槽，1-3-2-固定槽，1-3-3-长孔，1-4-第二侧板，1-4-1-第一升降导向孔，1-5-第三侧板，1-6-第四侧板，1-6-1-第二升降导向孔，1-7-锤体支撑板滑槽，1-8-保护观察门，

2-1-固定板，2-1-1-第一导向孔，2-2-活动板，2-2-1-放置槽，2-3-第一导向杆，2-4-调节螺杆，2-5-限位螺母，

3-1-锤体，3-1-1-冲击槽，3-1-2-第二导向孔，3-2-第二导向杆，3-3-锤体支撑板，3-3-1-铰接轴，3-4-升降块，3-4-1-固定孔，3-5-连接杆，3-6-固定杆，

4-1-弹性件支撑板，4-1-1-穿孔，4-2-弹性件，4-3-锤体推板，4-3-1-安装槽，4-3-2-安装杆，4-4-绳索，4-5-拉环，4-6-升降筒，4-6-a-第一升降筒，4-6-b-第二升降筒，4-7-同步杆，4-8-升降件，

5-1-第三导向杆，5-2-第一缓冲垫，5-3-第二缓冲垫，5-4-第三导向孔，5-5-铁芯，5-6-衔铁，5-7-衔接弹性件，

100-试样。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种材料力学试验装置，包括机壳、试样放置机构、锤体放置机构、锤体发射机构。试样放置机构、锤体放置机构、锤体发射机构从上到下依次设于机壳内。

如图2所示，机壳包括顶板1-1、侧板、底板1-2。侧板包括依次焊接固定第一侧板1-3、第二侧板1-4、第三侧板1-5、第四侧板1-6。第一侧板1-3的上端和第二侧板1-4的上端以及第四侧板1-6的上端均与顶板1-1焊接固定，第一侧板1-3的下端至第四侧板1-6的下端均与底板1-2焊接固定。为了提高机壳放置在地面上的稳定性，机壳的底板1-2可通过紧固件固定在地面上，在本实施例1中，紧固件采用螺栓或者螺钉。

如图3所示，试样放置机构包括固定板2-1、活动板2-2、第一调节组件。第一侧板1-3和第二侧板1-4均与固定板2-1焊接固定，活动板2-2设于固定板2-1的下方，固定板2-1通过用于调节固定板2-1和活动板2-2之间的距离的第一调节组件与活动板2-2连接。

如图3所示，第一调节组件包括第一导向杆2-3、调节螺杆2-4、限位螺母2-5。第一导向杆2-3的下端和调节螺杆2-4的下端均焊接固定于活动板2-2的上端面，第一导向杆2-3与设于固定板2-1上的第一导向孔2-1-1间隙配合，第一导向杆2-3能在第一导向孔2-1-1中上下滑动，调节螺杆2-4与设于固定板2-1上的调节孔间隙配合，调节螺杆2-4能在调节孔中上下滑动，限位螺母2-5设于固定板2-1的上端面，限位螺母2-5的外径大于调节孔的孔径，限位螺母2-5与调节螺杆2-4螺纹配合。

将如图13所示的试样100放置于试样放置机构上的操作如下：

①、向上旋拧限位螺母2-5，以便使调节螺杆2-4有从调节孔中向下滑动的活动空间。

②、向下拉动调节螺杆2-4，与调节螺杆2-4焊接固定的活动板2-2随着调节螺杆2-4一起下移，使活动板2-2和固定板2-1之间的距离增大，以便于将试样100的一端插入活动板2-2和固定板2-1之间，试样100的另一端为自由端，试样100的自由端是用来被锤体3-1冲断的。在活动板2-2随着调节螺杆2-4向下移动的过程中，第一导向杆2-3也在第一导向孔2-1-1中向下滑动，以便于让活动板2-2只能在竖直方向上下移动，避免活动板2-2转动，提高了活动板2-2上下移动的稳定性。

③、将试样100的一端插入活动板2-2和固定板2-1之间，并且将试样100有缺口的一面朝下放置。试样100设置缺口，是为了增大试样100缺口处的集中应力，从而在锤体3-1自下而上地冲断试样100时，试样100更易被冲断。

④、向上拉动调节螺杆2-4，与调节螺杆2-4焊接固定的活动板2-2随着调节螺杆2-4的一起上移，使固定板2-1和活动板2-2之间的距离缩小，以便于让固定板2-1和活动板2-2夹住试样100。在活动板2-2随着调节螺杆2-4一起上移的过程中，第一导向杆2-3也在第一导向孔2-1-1中向上滑动。

⑤、向下旋拧限位螺母2-5，直至限位螺母2-5的下端面落于固定板2-1的上端面，此时固定板2-1和活动板2-2夹住了试样100。

如图2或图14所示，为了提高试样100放置在活动板2-2上的稳定性，活动板2-2的上端面设有用于与试样100配合的放置槽2-2-1。这样能够使试样100受到放置槽2-2-1的槽壁的阻挡，避免试样100在固定板2-1和活动板2-2之间滑动，从而提高了试样100放置在活动板2-2上的稳定性。

如图4所示，锤体放置机构包括锤体3-1、第二导向杆3-2、锤体支撑板3-3、第二调节组件。

如图5所示，锤体3-1设有用于与试样100配合的冲击槽3-1-1，通过设置冲击槽3-1-1，以便于提高锤体3-1冲击试样100的准确性。

如图4所示，第二导向杆3-2并排设有两个，第二导向杆3-2竖直设置，第二导向杆3-2的上端与顶板1-1焊接固定。如图4和图5所示，第二导向杆3-2与设于锤体3-1上的第二导向孔3-1-2间隙配合，使锤体3-1能沿着第二导向杆3-2上下滑动。

如图4所示，锤体支撑板3-3并排设有两个，第一侧板1-3和第三侧板1-5均设有用于与锤体支撑板3-3配合的锤体支撑板滑槽1-7，锤体支撑板3-3能在锤体支撑板滑槽1-7内左右滑动。放置于锤体支撑板3-3上的锤体3-1的上端面高于第二导向杆3-2的下端面，如果放置于锤体支撑板3-3上的锤体3-1的上端面低于第二导向杆3-2的下端面，那么在锤体3-1向上移动时，锤体3-1容易被第二导向杆3-2挡住，阻碍了锤体3-1的上移。

如图6所示，第二调节组件用于调节两个锤体支撑板3-3之间的距离。第二调节组件包括升降块3-4、连接杆3-5、固定件。

如图6所示，升降块3-4设于两个锤体支撑板3-3之间，升降块3-4与设于第一侧板1-3上的升降块导向槽1-3-1配合，升降块3-4沿升降块导向槽1-3-1上下滑动，升降块导向槽1-3-1设于第一侧板1-3远离第三侧板1-5的一侧。连接杆3-5的上端与升降块3-4铰接，连接杆3-5的下端与锤体支撑板3-3铰接。在本实施例1中，固定件采用固定杆3-6，升降块3-4设有固定孔3-4-1，升降块导向槽1-3-1的槽底设有多个固定槽1-3-2，所有的固定槽1-3-2在升降块导向槽1-3-1内沿着竖直方向均匀分布，固定杆3-6依次与固定孔3-4-1、固定槽1-3-2间隙配合。

具体的,实现连接杆3-5的下端与锤体支撑板3-3铰接的结构如下：第一侧板1-3的升降块导向槽1-3-1的槽底设有长孔1-3-3，锤体支撑板3-3在靠近第一侧板1-3的一侧焊接固定有铰接轴3-3-1，铰接轴3-3-1与长孔1-3-3间隙配合，铰接轴3-3-1能够沿长孔1-3-3滑动，连接杆3-5的下端设有用于与铰接轴3-3-1间隙配合的铰接孔。

将锤体3-1放置于锤体支撑板3-3上的操作如下：

①、将固定杆3-6依次从固定槽1-3-2、固定孔3-4-1中抽出，以便于使升降块3-4能够在升降块导向槽1-3-1中上下滑动；

②、向下滑动升降块3-4，使连接杆3-5推着锤体支撑板3-3滑动，使得两个锤体支撑板3-3之间的距离增大，如图2、图8、图9所示，以便于能将锤体3-1上的第二导向孔3-1-2自下而上地往第二导向杆3-2上套；

③、将锤体3-1套上第二导向杆3-2，并将锤体3-1滑至锤体支撑板3-3的上方，以便于在缩小两个锤体支撑板3-3之间的距离之后，来将锤体3-1放置于锤体支撑板3-3上；

④、向上滑动升降块3-4，使连接杆3-5带着锤体支撑板3-3滑动，使得两个锤体支撑板3-3之间的距离缩小，如图4、图6、图7所示，并将固定杆3-6依次插入固定孔3-4-1、固定槽1-3-2中，以便于将两个锤体支撑板3-3之间的距离固定住；

⑤将锤体3-1放置于锤体支撑板3-3的上端面即可。

如图2所示，第一侧板1-3在靠近第三侧板1-5的一侧标有高度标尺，第一侧板1-3在与锤体支撑板3-3的上端面平齐的位置记为0m，自锤体支撑板3-3的上端面向上逐渐增加。并且，如图10所示，为了防止试件100断裂后，试件100飞出砸伤人，也为了能够让试验人员读取高度标尺上的数值，第三侧板1-6的上方设有保护观察门1-8，保护观察门1-8的一端与第二侧板1-4铰接。

因为要方便试验人员读取高度标尺上的数值，所以将升降块导向槽1-3-1设于第一侧板1-3远离第三侧板1-5的一侧，并且设置铰接轴3-3-1和长孔1-3-3，能够避免第二调节组件挡住高度标尺，也就方便试验人员读取高度标尺上的数值。

如图2所示，锤体发射机构包括弹性件支撑板4-1、弹性件4-2、锤体推板4-3、驱动组件。第一侧板1-3和第二侧板1-4以及第四侧板1-6均与弹性件支撑板4-1焊接固定，在本实施例1中，弹性件4-2采用弹簧，弹性件4-2的下端焊接固定于弹性件支撑板4-1的上端面，弹性件4-2的上端与锤体推板4-3焊接固定。

如图2所示，驱动组件用于下压弹性件4-2来积蓄弹性势能，且用于释放弹性件4-2来释放弹性势能。驱动组件包括绳索4-4、拉环4-5、升降筒4-6、同步杆4-7、升降件4-8。

如图2所示，绳索4-4的上端与锤体推板4-3连接，绳索4-4的下端穿过设于弹性件支撑板4-1上的穿孔4-1-1，绳索4-4的下端与设于弹性件支撑板4-1下方的拉环4-5连接。升降筒4-6包括第一升降筒4-6-a和第二升降筒4-6-b，第一升降筒4-6-a与设于第二侧板1-4的第一升降导向孔1-4-1配合，第一升降筒4-6-a能在第一升降导向孔1-4-1内上下滑动。第二升降筒4-6-b与设于第四侧板1-6的第二升降导向孔1-6-1配合，第二升降筒4-6-a能在第二升降导向孔1-6-1内上下滑动。同步杆4-7依次与第一升降筒4-6-a的内腔、拉环4-5的内圈、第二升降筒4-6-b的内腔间隙配合，同步杆4-7的两端均设有升降件，在本实施例1中，升降件采用电推杆4-8，电推杆4-8的上端通过紧固件与侧板固定，第一升降筒4-6-a和第二升降筒4-6-b均通过紧固件与电推杆3-8的下端固定。

具体的：如图11所示，绳索4-4的上端与锤体推板4-3的连接结构如下：锤体推板4-3的下端面设有安装槽4-3-1，安装槽4-3-1内设有安装杆4-3-2，安装杆4-3-2的两端与锤体推板4-3焊接固定，绳索4-4的上端在安装杆4-3-2上缠绕两圈后，把绳索4-4打结，也就将绳索4-4的上端与锤体推板4-3安装在一起。

具体的：如图12所示，绳索4-4的下端与拉环4-5的连接结构如下：绳索4-4的下端在拉环4-5上缠绕两圈后，把绳索4-4打结，也就将绳索4-4的下端与拉环4-5安装在一起。

将锤体3-1向上发射出去的操作如下：

①、启动电推杆，使电推杆伸长，伸长的电推杆推着第一升降筒4-6-a、第二升降筒4-6-b一起下移，第一升降筒4-6-a和第二升降筒4-6-b带着同步杆4-7一起下移，同步杆4-7带着拉环4-5一起下移，下移的拉环4-5向下拽动绳索4-4，绳索4-4拉拽锤体推板4-3一起下移，下移的锤体推板4-3压缩弹性件4-2，以便使弹性件4-2不断积聚弹性势能，然后关闭电推杆；

②、将同步杆4-7依次从第二升降筒4-6-b的内腔、拉环4-5的内腔、第一升降筒4-6-a的内腔中抽出，此时，锤体推板4-3不再压制弹性件4-2，弹性件4-2将锤体推板4-3向上顶起，锤体推板4-3又将锤体3-1向上顶起，使得锤体3-1向上发射出去。

试验过程如下：

(1)称量并记录锤体3-1的重量m，先不摆放试样100，启动锤体发射机构，锤体发射机构将锤体3-1向上发射出去，记录锤体上升至最高点的位置H，如图15所示。

(2)将试样100放置于试样放置机构上，启动锤体发射机构，锤体发射机构将锤体3-1向上发射出去，锤体3-1冲断试样100，记录锤体3-1上升至最高点的位置h，如图16所示。

(3)带入公式计算：

当锤体3-1空打时，锤体3-1在最高点的势能为：E₁＝mgH，g为重力加速度常数，取g＝9.8m/s²；

当锤体3-1冲断试样100时，锤体3-1在最高点的势能为：E₂＝mgh。

试样100所吸收的冲击功(A_K)为这两部分势能之差：

A_K＝E₁-E₂＝mg(H-h)。

测量如图17所示的试样100断面的边长c和d，计算出试样100断面的面积S＝c*d

通过下式即可计算出该试样100的冲击韧性a_k：

a_k＝A_K/S。

通过上述试验过程可知：

本实施例1的一种材料力学试验装置，能够用试样放置机构能够夹持试样100，用锤体放置机构来承托锤体3-1并导向锤体3-1的移动方向，用锤体发射机构将锤体3-1发射出去来冲断试样100，用高度标尺来方便试验人员读取锤体3-1空打以及锤体3-1冲断试样100后上升的高度位置。从而通过锤体3-1空打以及锤体3-1冲断试样100后上升至最高点的势能之差来得到试样100的冲击功，进而再通过测量计算试样100的断面面积来得到试样100的冲击韧性。试验原理简单明了，方便了学生理解学习。

更重要的是，在整个试验过程中，锤体3-1始终在竖直方向上升降，被锤体3-1冲断的试样100也只能在机壳内活动，从而限制了锤体3-1和试样100的活动空间，避免锤体3-1和试样100飞出伤人，提高了试验的安全性。

而且，锤体3-1和试样100的活动空间是在竖直方向的，不会占据人体的活动空间，从而减小了冲击韧性试验所需的空间，以便于在有限的室内增设本实施例1的一种材料力学试验装置，从而在与背景技术中课程时间相同、参加课程的学生人数相同的情况下，本实施例1的一种材料力学试验装置能让更多的学生亲自操作，符合了开展试验课程来让学生通过亲自试验来体会所学知识的初衷。

故而，本实施例1的一种材料力学试验装置，尤其适用于例如课程试验中这种试验空间有限、试验时间短、使用设备人数又多的情形。

实施例2：

本实施例2与实施例1相同，不同之处在于，如图18-20所示，在本实施例2的一种材料力学试验装置中。为了防止锤体3-1下落时砸伤锤体支撑板3-3，在试样放置机构和锤体放置机构之间还设有缓冲机构。

缓冲机构包括第三导向杆5-1、第一缓冲垫5-2、第二缓冲垫5-3、铁芯5-5、衔铁5-6、开关、电源。

第三导向杆5-1并排设有两根，两个第二导向杆3-2设于两根第三导向杆5-1之间，锤体3-1能够在两个第三导向杆5-1之间上下滑动。第三导向杆5-1的一端与第二侧板1-4焊接固定，第三导向杆5-1远离第二侧板1-4的一端与第四侧板1-6焊接固定。

第一缓冲垫5-2设于第二导向杆3-2和第二侧板1-4之间，第二缓冲垫5-3设于第二导向杆3-2和第四侧板1-6之间，第一缓冲垫5-2和第二缓冲垫5-3均设有用于与第三导向杆5-1间隙配合的第三导向孔5-4，第二缓冲垫5-2和第二缓冲垫5-3均能够沿着第三导向杆5-1左右滑动。

第三导向杆5-1的两端均通过紧固件固定有铁芯5-5，铁芯5-5上缠绕有绕组，绕组通过导线与电源、开关串联成导电回路，电源与开关均安装于机壳上。

衔铁5-6通过衔接弹性件5-7与铁芯5-5连接，在本实施例2中，衔接弹性件5-7也采用弹簧，第一缓冲垫5-2和第二缓冲垫5-3均通过紧固件与衔铁5-6远离铁芯5-5的一端固定。

当锤体3-1被锤体发射机构向上发射出去时，如图20所示，闭合开关，使导电回路通电，通电后，铁芯5-5在绕组的磁场的作用下磁化，磁化的铁芯5-5吸附衔铁5-6，从而衔铁5-6带动着第一缓冲垫5-2、第二缓冲垫5-3一起克服衔接弹性件5-7的弹性力向铁芯5-5靠近，从而为锤体3-1的上升让开上升通道，避免第一缓冲垫5-2、第二缓冲垫5-3妨碍锤体3-1的上移。

当锤体3-1穿过第一缓冲垫5-2和第二缓冲垫5-3之间的间隙时，如图19所示，断开开关，导电回路断电，断电后，铁芯5-5不再具有磁性，衔铁5-6在衔接弹性件5-7的弹性力作用下向远离铁芯5-5的方向移动，从而使第一缓冲垫5-2和第二缓冲垫5-3挡住锤体3-1下落的通道，当锤体3-1下落时，能够让锤体3-1受到第一缓冲垫5-2和第二缓冲垫5-3的缓冲作用，而不会直接砸向锤体支撑板3-3，从而起到了对锤体支撑板3-3的保护作用。

当锤体3-1在第一缓冲垫5-2、第二缓冲垫5-3上平稳后，手动扶着锤体3-1将锤体放置于锤体支撑板3-3上即可。

通过上述使用过程可知：本实施例2的一种材料力学试验装置，能够在锤体3-1下落时，让锤体3-1受到第一缓冲垫5-2和第二缓冲垫5-3的缓冲作用，而不会直接砸向锤体支撑板3-3，从而防止锤体3-1下落时砸伤锤体支撑板3-3，起到了对锤体支撑板3-3的保护作用，也避免了锤体3-1砸在锤体支撑板3-3上发出声响，降低了噪音。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种材料力学试验装置，其特征在于，包括机壳、试样放置机构、缓冲机构、锤体放置机构、锤体发射机构，机壳内设有高度标尺，用于夹持试样的试样放置机构、缓冲机构、用于放置锤体的锤体放置机构、用于将锤体向上发射并冲断试样的锤体发射机构从上到下依次设于壳体内；

试样放置机构包括固定板、活动板、第一调节组件，固定板与机壳连接，活动板设于固定板的下方，固定板通过用于调节固定板和活动板之间的距离的第一调节组件与活动板连接；

锤体放置机构包括第二导向杆、锤体、锤体支撑板、第二调节组件，第二导向杆的上端与机壳连接，锤体设有用于与第二导向杆配合的第二导向孔，锤体沿着第二导向杆上下滑动，锤体支撑板并排设有两个，锤体支撑板与设于机壳上的锤体支撑板滑槽配合，锤体支撑板在锤体支撑板滑槽内滑动，两个锤体支撑板通过用于调节两个锤体支撑板之间的距离的第二调节组件连接；

锤体发射机构包括驱动组件和从上到下依次连接的锤体推板、弹性件、弹性件支撑板，弹性件支撑板与机壳连接，弹性件通过用于压缩和释放弹性件的驱动组件与机壳连接；

缓冲机构包括第三导向杆、第一缓冲垫、第二缓冲垫、铁芯、衔铁、开关、电源，第三导向杆与机壳连接，第一缓冲垫和第二缓冲垫均设有用于与第三导向杆配合的第三导向孔，第一缓冲垫远离第二缓冲垫的一端和第二缓冲垫远离第一缓冲垫的一端均与衔铁连接，衔铁通过衔铁弹性件与铁芯连接，铁芯上缠绕有绕组，铁芯与机壳连接，绕组通过导线与电源、开关构成导电回路，电源与开关均与机壳连接。

2.如权利要求1所述的一种材料力学试验装置，其特征在于，所述第一调节组件包括第一导向杆、调节螺杆、限位螺母，第一导向杆的下端和调节螺杆的下端均与活动板连接，第一导向杆与设于固定板上的第一导向孔配合，第一导向杆在第一导向孔中上下滑动，调节螺杆与设于固定板上的调节孔配合，调节螺杆在调节孔中上下滑动，限位螺母设于固定板的上端面，限位螺母的外径大于调节孔的孔径，限位螺母与调节螺杆配合。

3.如权利要求1所述的一种材料力学试验装置，其特征在于，所述第二调节组件包括升降块、连接杆、固定件，升降块设于两个锤体支撑板之间，升降块与设于机壳上的升降块导向槽配合，升降块沿升降块导向槽上下滑动，升降块通过固定件与机壳固定，连接杆的上端与升降块铰接，连接杆的下端与锤体支撑板铰接。

4.如权利要求3所述的一种材料力学试验装置，其特征在于，所述固定件采用固定杆，升降块设有第一固定孔，升降块导向槽内设有多个第二固定孔，所有的第二固定孔在升降块导向槽内沿着竖直方向均匀分布，固定杆依次与第一固定孔、第二固定孔配合。

5.如权利要求1所述的一种材料力学试验装置，其特征在于，所述驱动组件包括绳索、拉环、升降筒、同步杆、升降件，绳索的上端与锤体推板连接，绳索用于与设于弹性件支撑板上的穿孔配合，绳索的下端与设于弹性件支撑板的下方的拉环连接，升降筒与机壳滑动连接，同步杆依次与升降筒的内腔、拉环的内圈配合，同步杆的两端均设有升降件，升降件的上端与机壳连接，升降件的下端与升降筒连接。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种材料力学试验装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)称量锤体的质量，启动锤体发射机构，锤体发射机构将锤体向上发射出去，读取高度标尺上锤体上升至最高点的位置，锤体在最高点的势能按照下述公式计算：

E₁＝mgH

式中：

E₁——锤体空打时上升至最高点的势能，J；

m——锤体的质量，Kg；

g——重力加速度常数，m/s²；

H——锤体上升至最高点的位置，m；

(2)将试样放置于试样放置机构上，启动锤体发射机构，锤体发射机构将锤体向上发射出去，锤体冲断试样，记录锤体上升至最高点的位置，锤体在最高点的势能按照下述公式计算：

E₂＝mgh

式中：

E2——锤体冲断试样后上升至最高点的势能，J；

h——锤体冲断试样后上升至最高点的位置，m；

(3)试样所吸收的冲击功按照下述公式计算：

A_K＝E₁-E₂＝mg(H-h)

式中：

A_K——试样所吸收的冲击功；

(4)试样的冲击韧性按照下述公式计算：

a_k＝A_K/S

式中：

a_k——试样的冲击韧性；

S——试样的断面面积。

Images