一种材料切变模量测定装置及测定方法与流程

本发明属于材料切变模量测定技术领域，具体涉及一种材料切变模量测定装置及测定方法。

背景技术：

材料的切变模量g是衡量材料抵抗剪切变形能力的性能参数，也是材料的弹性常数之一，工程实际中在对受扭构件进行刚度设计或校核时，必须运用这一性能参数。基于切变模量在工程技术中的重要地位，许多高等院校工科类专业都开设了测定材料切变模量的实验。

目前，广大高等院校在进行测定实验时，普遍采用的是扭角仪，扭角仪百分表上指针走过的位移d，除以百分表顶杆与试样轴线间的距离γ，得到截面间的相对扭转角进而求得材料的切变模量g。由于试样材料在线弹性范围内实验，其相对扭转角很小，而扭角仪精度不高，稳定性较差，读数时也易产生较大误差，难以实现高精度测量。

一维光栅在微小量测量领域中有着广泛应用，根据入射光与衍射光的角度改变关系，可以对难以测量的微小角度进行放大后测量。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于光栅衍射的材料切变模量测定装置及测定方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种材料切变模量测定装置，包括主底座和副底座，主底座上设有第一支架和第二支架，第一支架上设有固定夹头，第二支架上设有转动夹头，试件的两端分别与固定夹头和转动夹头相连，转动夹头与加荷臂相连；试件上套设有夹箍推环，夹箍推环与连接杆相连，连接杆的一端穿过第一支架与转动盘相连，连接杆可相对于第一支架转动和轴向移动；转动盘上设有指向转动盘圆心的平行光源；副底座上设有刻度盘，刻度盘与游标转盘相连，刻度盘、游标转盘和转动盘的圆心均位于试件的轴线延长线上；游标转盘的圆心处设有光栅，平行光源发出的光线与光栅相交；光栅的一侧设有望远镜，望远镜与平行光源位于同一直线上。

优选地，所述光栅平面垂直于游标转盘，游标转盘与转动盘平行。

优选地，所述游标转盘可绕自身圆心转动。

优选地，所述夹箍推环上等距的设有三颗定位螺钉。

优选地，所述转动夹头通过滚珠轴承与第二支架可转动相连。

优选地，所述第二支架与主底座为可拆卸连接。

优选地，所述第一支架上设有用于连接杆通过的通孔。

优选地，所述游标转盘上设有两个游标，两个游标设于游标转盘上相隔180度的对称位置。

优选地，所述望远镜的视野中心设有水平叉丝。

一种材料切变模量测定方法，包括以下步骤：

s1、对试件进行测量，计算出试件的极惯性矩其中d为试件圆截面直径，测量加荷臂的端部载荷处距离试件圆截面圆心的距离a，测量夹箍推环至固定夹头的水平距离l；

s2、打开平行光源，转动转动盘，使第k级衍射光与望远镜视野中的水平叉丝重合，此时平行光源转动了θ角度：

其中d为光栅常数，λ为平行光源发出的入射光波长，读取游标转盘的初始读数α1；

s3、在加荷臂的端部载荷施加适当向下的力δf，试件受到负扭矩δm＝δfa的作用发生扭转，截面间产生相对扭转角固夹在试件上的夹箍推环带动转动盘和平行光源随着截面间的相对扭转而等量转动，望远镜视野中第k级衍射光将偏离水平叉丝位置；

s4、顺着力δf的方向转动游标转盘，使第k级衍射光再次与望远镜视野中的水平叉丝重合，读取此时游标转盘的读数α2，则光栅旋转了α角度：

α＝α2-α1，

则步骤s3中相对扭转角

根据得到最终切变模量的表达式为：

本发明的有益效果是：本发明所提供的材料切变模量测定装置，运用光栅偏转控制光衍射方向的方法，将难以测量的微小扭转角进行放大读出，进而能够应用于测量材料的切变模量的测量中；较之以往的百分表，该装置具有更稳定、精确度更高、读数更方便的优点。

附图说明

图1是本发明材料切变模量测定装置的示意图。

图2是本发明刻度盘与游标转盘的示意图。

图3是本发明望远镜的视野示意图。

图4是本发明选用波长为546.1nm的入射光、100线的光栅、选取第1级衍射光，得到的试件相对扭转角与光栅旋转角度α的理论曲线图。

附图标记说明：1、主底座；2、副底座；3、第一支架；4、第二支架；5、转动夹头；6、加荷臂；7、夹箍推环；8、连接杆；9、转动盘；10、平行光源；11、刻度盘；12、游标转盘；13、光栅；14、定位螺钉；15、通孔；16、铁丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例一

如图1和图2所示，本发明提供的一种材料切变模量测定装置，包括主底座1和副底座2，主底座1上设有第一支架3和第二支架4，第一支架3和第二支架4相对且平行，第一支架3固定安装在主底座1上，第二支架4与主底座1为可拆卸连接。

第一支架3上设有固定夹头，第二支架4上设有转动夹头5，转动夹头5通过滚珠轴承与第二支架4可转动相连。固定夹头和转动夹头相对设置，试件的两端分别与固定夹头和转动夹头5相连，转动夹头5与加荷臂6相连。

试件上套设有夹箍推环7，夹箍推环7上等距的设有三颗定位螺钉14，用于夹紧试件。夹箍推环7与连接杆8相连，连接杆8的一端穿过第一支架3与转动盘9相连，连接杆8可相对于第一支架3转动和沿着连接杆的轴向移动。第一支架3上设有用于连接杆8通过的通孔15，通孔15为圆形孔或者腰形孔。在本实施例中，连接杆的数量为四。

转动盘9上设有指向转动盘9圆心的带狭缝的平行光源10，平行光源可采用磁吸或者粘接的方式固定在转动盘上。

副底座2上设有固定的刻度盘11，刻度盘11与游标转盘12相连，刻度盘11、游标转盘12和转动盘9的圆心均位于试件的轴线延长线上。游标转盘12的圆心处设有光栅13，游标转盘12可绕自身圆心转动，光栅平面垂直于游标转盘12，游标转盘12与转动盘9平行。光栅和转动盘之间具有间隙，但平行光源10发出的光线与光栅13相交，从而平行光源发出的光线可垂直或以一定角度入射到光栅。

光栅13的一侧设有望远镜，望远镜的视野中心设有水平叉丝，望远镜用于观察光栅的衍射光。望远镜与平行光源10位于同一直线上，光栅平面垂直于该直线。

一种材料切变模量测定方法，使用上述的材料切变模量测定装置，试件为圆形的铁丝16，包括以下步骤：

s1、对铁丝进行测量，计算出铁丝的极惯性矩其中d为铁丝圆截面直径，测量加荷臂的端部载荷处距离铁丝圆截面圆心的距离a，卸下第二支架，将铁丝装入材料切变模量测定装置，装上第二支架，移动夹箍推环至一适当位置，夹紧定位螺钉，测量夹箍推环至固定夹头的水平距离l。

s2、打开平行光源，转动转动盘，使第k级衍射光与望远镜视野中的水平叉丝重合，如图3所示。此时平行光源转动了θ角度：

其中d为光栅常数，λ为平行光源发出的入射光波长，读取游标转盘的初始读数α1，k＝0，±1，±2，...

s3、在加荷臂的端部载荷施加适当向下的力δf，由于滚珠轴承的摩擦阻力偶极微小，铁丝受到负扭矩δm＝δfa的作用发生扭转，在负扭矩δm的作用下，铁丝发生扭转，截面间产生相对扭转角固夹在铁丝上的夹箍推环带动转动盘和平行光源随着截面间的相对扭转而等量转动，平行光源的入射光相对于初始状态有一微小角度的旋转，望远镜视野中第k级衍射光将偏离水平叉丝位置；

s4、顺着力δf的方向转动游标转盘，使第k级衍射光再次与望远镜视野中的水平叉丝重合，读取此时游标转盘的读数α2，则光栅旋转了α角度：

α＝α2-α1，

则步骤s3中相对扭转角

根据得到最终切变模量的表达式为：

图4是选用波长为546.1nm的入射光、100线的光栅、第1级衍射光，得到的相对扭转角与光栅旋转角度α的理论曲线图。从图中可以看出，若铁丝相对扭转角为5′，则需要转动光栅约11°才能保证衍射光还在原来位置。本实施例所提供的材料切变模量测定方法，将难以测量的微小扭转角进行放大读出，进而能够应用于测量材料的切变模量的测量中。

实施例二

本实施例中的一种材料切变模量测定装置为了消除游标转盘转动时造成的偏心差。在实施一中的材料切变模量测定装置的基础上，在游标转盘12上设置两个游标，两个游标设于游标转盘12上相隔180度的对称位置。

一种材料切变模量测定方法，使用本实施例提供的材料切变模量测定装置，试件为圆形的铁丝16，包括以下步骤：

s1、对铁丝进行测量，计算出铁丝的极惯性矩其中d为铁丝圆截面直径，测量加荷臂的端部载荷处距离铁丝圆截面圆心的距离a，卸下第二支架，将铁丝装入材料切变模量测定装置，装上第二支架，移动夹箍推环至一适当位置，夹紧定位螺钉，测量夹箍推环至固定夹头的水平距离l。

s2、打开平行光源，转动转动盘，使第k级衍射光与望远镜视野中的水平叉丝重合，如图3所示。此时平行光源转动了θ角度：

其中d为光栅常数，λ为平行光源发出的入射光波长，读取游标转盘分别相隔180度位置的两个游标的初始读数α1和α1′，k＝0，±1，±2，...

s3、在加荷臂的端部载荷施加适当向下的力δf，由于滚珠轴承的摩擦阻力偶极微小，铁丝受到负扭矩δm＝δfa的作用发生扭转，在负扭矩δm的作用下，铁丝发生扭转，截面间产生相对扭转角固夹在铁丝上的夹箍推环带动转动盘和平行光源随着截面间的相对扭转而等量转动，平行光源的入射光相对于初始状态有一微小角度的旋转，望远镜视野中第k级衍射光将偏离水平叉丝位置；

s4、顺着力δf的方向转动游标转盘，使第k级衍射光再次与望远镜视野中的水平叉丝重合，读取此时游标转盘分别相隔180度位置的两个游标的读数α2和α2′，则光栅旋转了α角度：

则步骤s3中相对扭转角

根据得到最终切变模量的表达式为：

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。