材料力学金属扭转实验报告[5篇范例]

第一篇：材料力学金属扭转实验报告

材料力学金属扭转实验报告

【实验目的】

1、验证扭转变形公式，测定低碳钢的切变模量 G。；测定低碳钢和铸铁的剪切强度极限b 握典型塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的扭转性能；

2、绘制扭矩一扭角图； 3、观察和分析上述两种材料在扭转过程中的各种力学现象，并比较它们性质的差异； 4、了解扭转材料试验机的构造和工作原理，掌握其使用方法。

【实验仪器】

仪器名称

数量

参数

游标卡尺 1 0-150mm，精度 CTT502 微机控制电液伺服扭转试验机 1 最大扭矩 500N·m，最大功率 低碳钢、铸铁 各 1 标准

【实验原理和方法】

1..测定低碳钢扭转时的强度性能指标

试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，当达到某一值时，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩esM，低碳钢的扭转屈服应力为 pess43WM 

式中：/3pd W   为试样在标距内的抗扭截面系数。

在测出屈服扭矩sT 后，改用电动快速加载，直到试样被扭断为止。这时测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩ebM，低碳钢的抗扭强度为 pebb43WM 

对上述两公式的来源说明如下：

低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的  eM 图如图1-3-2 所示。当达到图中 A 点时，eM 与  成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力s，如能测得此时相应的外力偶矩epM，如图 1-3-3a 所示，则扭转屈服应力为 pepsWM 

经过 A 点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图 1-3-3b 所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图 1-7c 所示的情况，对应的扭矩sT 为 OM eABCM epM esM eb 图 1-3-2

低碳钢的扭转图  sT

 sT

 sT（a）

pT T 

（b）s pT T T  

（c）sT T 

图 1-3-3

低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布

s p s3d/2

0

2sd/2

0

s s3412d 2 d 2         WdT      由于es sM T ，因此，由上式可以得到 pess43WM  无论从测矩盘上指针前进的情况，还是从自动绘图装置所绘出的曲线来看，A 点的位置不易精确判定，而 B 点的位置则较为明显。因此，一般均根据由 B 点测定的esM 来求扭转

切应力s。当然这种计算方法也有缺陷，只有当实际的应力分布与图 1-7c 完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料差异是比较大的。从图 1-6 可以看出，当外力偶矩超过esM 后，扭转角  增加很快，而外力偶矩eM 增加很小，BC近似于一条直线。因此，可认为横截面上的切应力分布如图 1-7c 所示，只是切应力值比s 大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩ebM，可求得抗扭强度为 pebb43WM 2..测定灰铸铁扭转时的强度性能指标

对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩ebM（方法同 2），抗扭强度为 pebbWM 

由上述扭转破坏的试样可以看出：低碳钢试样的断口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成45 角，表明破坏是由拉应力引起的。

【 实验步骤 】

一、低碳钢

1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径 d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。

2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。

3、装夹试件：

（1）先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另一个定位环夹套在试件的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试件标距要求，将试件搁放在相应的 V 形块上，使两卡盘与 V 形块的两端贴紧，保证卡盘与试件垂直，以确保标距准确。将卡盘上的螺钉拧紧。

（2）先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显的偏差，请按下“正转”或“反转”按键进行微调。将已安装卡盘的试件的一端放入从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试件夹紧。按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。推动移动支座移动，使试件的头部进入主动夹头的钳口间。先按下“试件保护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试件夹紧。

（3）将扭角测量装置的转动臂的距离调好，转动转动臂，使测量辊压在卡盘上。

4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运行”键，开始试验。

5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。

6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的碎屑，关断电源。

二、铸铁

1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径 d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。

2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。

3、装夹试件：启动扭转试验机并预热后,将试件一端固定于机器,按“对正”按钮使两夹头对正后,推动移动支座使试件头部进入钳口间.4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运行”键，开始试验。

5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。

6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的碎屑，关断电源。

【实验数据与数据处理】

一.低碳钢扭转

1.低碳钢直径 D 测量

第一次测量

第二次测量

平均值

上部

中部

下部

2.低碳钢定位环间距 L 测量

第一次测量

第二次测量

平均值

L

注：第二次实验修正标距为 100

3.线性阶段相关数据

当处于线性阶时,有

扭矩 M(N·m)扭角ψ(°)相对扭角ψ 0(°)

二.铸铁扭转

1.铸铁直径 d 测量

第一次测量

第二次测量

平均值

上部

中部

下部

【实验结果分析】

一、低碳钢数据处理1、验证线性阶段的数据是否为一条直线，以验证比例极限内的扭转角公式

根据 Original Data, 运用 b matlab 拟合实验数据

则 选取数据如下表

数据

LoadV

PosV

LoadV

PosV

用 用 b matlab 绘制的图如下

满足线性关系

二、计算 低碳钢 模量 G G

第二篇：岩石力学-实验报告

岩石力学与工程

实验报告

一、实验目的

1、熟悉运用岩石力学的phase软件；

2、运用岩石力学的基本理论，来计算某地的地应力值。

二、实验软件

1、岩石力学phase软件；

2、auto CAD 2006;

3、matlab 6.5软件；

4、microsoft office 2003软件。

三、实验方法与步骤

1、选取九龙河溪古水电站地质构造带作为实验基础，并用运用auto CAD软件绘制将该地区的断层、节理等地质构造单元；

2、在phase软件中导入已绘制各种边界（断裂边界、材料边界、boundry）；

3、进行网格划分；

4、定义材料，并将所计算的模型设置正确的材料颜色；

5、运用matlab软件进行数据处理和计算；

5.1、已知理塘、雅江、呷巴、长河坝、乾宁的最大主应力及最小主应力，利用工程力学的力学计算方法，将已知应力点的σ

1、σ

3、最大主应力方向转换成σx、σy、τxy、τyx.可得出如表1所示的的实验数据：

地名 理塘 雅江 呷巴 长河坝 乾宁 σx 7.402573 5.352823 4.553373 3.119851 2.883026

σy 5.89742731 5.967177408 5.146626914 6.09014932 3.22697392

τxy 1.96052 0.76029 0.04486 0.42586 0.56961

x坐标-16.2352-8.7352 1.7393 7.3222-0.3815

y坐标 14.604 14.604 14.0014 13.0728 20.9622

表格1：将σ

1、σ3 转化为σ

x、σy的数据表

5.2、运用matlab软件编程，求出各个地区的ν、λ、α值 令E=E;v=ν；l=λ；a=α； Yanshi1的源程序：

E=input('请输入E的值:');v=input('请输入v的值:');G=E/[2*(1+v)] l=E*v/[(1+v)*(1-2*v)] a=l+2*G 对于⑤古生代到三叠纪的变质分布 有：E=12500MPa，0.22 运行matlab程序：yanshi1 请输入E的值:12500 请输入v的值:0.22 G =5.1230e+003 l =4.0252e+003 a =1.4271e+004 即求得理塘G =370.3704；l =864.1975；a =1.6049e+003

5.3、在利用auto CAD 的测量距离方法，得出理塘、雅江、呷巴、长河坝、乾宁的坐标，求得的数据如表2：

地名 E(MPa)μ λ G α x坐标 理塘 12500 0.22 4025.1756 5122.95082 14271.08-121764 雅江 12500 0.22 4025.1756 5122.95082 14271.08-65514 呷巴 12500 0.22 4025.1756 5122.95082 14271.08 13044.75 长河坝 12500 0.22 4025.1756 5122.95082 14271.08 54916.5 乾宁 12500 0.22 4025.1756 5122.95082 14271.08-2861.25

表格2：各个地区的x,y坐标

5.4、建立matlab的矩阵模型，求出系数A1,A2,A3,A4,A5,B1,B2,B3,B4,B5

Matlab的矩阵模型如下：

A=[ α 0 2*α*X 0 a*Y 0 λ 0 2*λ*Y λ*X λ 0 2*λ*X 0 λ*Y 0 α 0 2*α*Y α*X 0 1 0 2*Y X 1 0 2*X 0 Y ];b=[σx;σy;τxy/G];

y坐标 109530 109530 105011 98046 157217 A*x=b；

即可得如下的系数矩阵：

A=[14271, 0,-3475388088, 0, 1563111392, 0, 4025.2, 0, 881760312，-490124453

14271, 0,-1869900588, 0, 1563111392, 0, 4025.2, 0, 881760312，-263706953

14271, 0, 372324682 , 0, 1498604846, 0, 4025.2, 0, 845376529.2，52507929

14271, 0, 1567426743, 0, 1399214466, 0, 4025.2, 0, 789309518.4, 221049896

14271, 0,-81667225 , 0, 2243636672, 0, 4025.2, 0, 1265655712,-11517305

4025.2, 0,-980248906, 0, 440880156, 0, 14271, 0, 3126205260,-1737694044

4025.2, 0,-527413906, 0, 440880156, 0, 14271, 0, 3126205260,-934950294

4025.2, 0, 105015858，0, 422688265, 0, 14271, 0, 2997209691, 186162341

4025.2, 0, 442099792，0, 394654759, 0, 14271, 0, 2798625024, 783713372

4025.2, 0,-23034610，0, 632827856, 0, 14271, 0, 4487273343,-40833612

0，1，0, 219060,-121764, 1，0,-243528，0，109530

0，1，0, 219060,-65514，1，0,-131028，0，109530

0，1，0, 210021, 13044.8, 1，0, 26089.6，0，105010.5

0，1，0, 196092, 54916.5, 1，0, 109833，0，98046

0，1，0, 314433,-2861.3, 1，0,-5722.6，0，157216.5];

b=[-5.89743;-5.96718;-5.14663;-6.09015;-3.22697;-7.4026;-5.3528;-4.5534;-3.1199;

-2.883;0.000382689;0.000148407;0.000008756;0.000083127;0.000111185];5.5、利用以上模型来求解，从中任意选取10组可求A1,A2,A3,A4,A5和B1,B2,B3,B4,B5的值分别如下：

A1=-0.0007, A2=0, A3=-1E-10, A4=-1E-09, A5=3E-09, B1=0.00013, B2=-0.0003, B3=-2E-09, B4=6.5E-10, B5=1.7E-09 5.6、根据以上的系数A1,A2,A3,A4,A5,B1,B2,B3,B4,B5可将研究区域的不同坐标值找出，利用以下式子求出σx，σy，τxy值： α*A1+2αX*A3+αY*A5+λ*B2+2λY*B4+λX*B5=σx λ*A1+2λX*A3+λY*A5+α*B2+2αY*B4+αX*B5=σy B1+2X*B3+Y*B5+A2+2Y*A4+X*A5=τxy/G 求得的实验数据见表3：

X σy Y σx τxy-270030.1-300000 26.10190827 23.443972-3.3845051-248837-300000 26.01878553 22.919628-3.1933399-236123.4-300000 25.96892114 22.60508-3.0786621-196566.8-300000 25.81377387 21.6264-2.7218553-184185.2-300000 25.76521133 21.320064-2.6101715-153965.8-300000 25.64668607 20.572399-2.3375878-123746.4-300000 25.52816081 19.824733-2.0650041-93526.95-300000 25.40963555 19.077067-1.7924204-60145.15-300000 25.2787069 18.25116-1.4913115-26763.34-300000 25.14777826 17.425253-1.1902025 6618.4692-300000 25.01684961 16.599346-0.8890936 45416.512-300000 24.86467765 15.639435-0.5391294 73948.703-300000 24.75276995 14.933514-0.2817648 104011.98-300000 24.6348571 14.189711-0.0105895 134075.26-300000 24.51694425 13.445909 0.26058577 164138.53-300000 24.3990314 12.702106 0.53176105 175764.95-300000 24.35343079 12.414454 0.63663307 217176.63-300000 24.19100772 11.389878 1.01017268 258588.32-300000 24.02858465 10.365302 1.38371229-300000 267798.0381-0.913855697 6.8671631-3.0855215-300000 235596.0762 0.624976383 7.8493492-3.1178096-300000 203394.1143 2.163808463 8.8315352-3.1500977-300000 158059.4885 4.330209902 10.214278-3.1955536-300000 124366.9978 5.940269739 11.241926-3.2293362-300000 90674.50712 7.550329576 12.269575-3.2631188-300000 56982.01644 9.160389413 13.297223-3.2969014-300000 42538.32465 9.850608735 13.737767-3.3113838-300000 10072.42382 11.40205364 14.728004-3.3439365-300000-22393.477 12.95349854 15.71824-3.3764892-300000-49054.7592 14.22755869 16.531431-3.4032218-300000-75716.0413 *** 17.344622-3.4299544-300000-113096.701 17.28792486 18.484762-3.4674351-300000-150477.361 19.07423088 19.624903-3.5049157-300000-187858.021 20.8605369 20.765043-3.5423964-300000-225238.68 22.64684292 21.905184-3.579877-300000-262619.34 24.43314895 23.045324-3.6173577-300000-300000 26.21945497 24.185465-3.6548383

表格3：不同坐标的应力值 5.7、在Phase中设定边界应力值导入所求的模型，即可得到所需的实验模型。模型如图1所示：

图1：实验模型图

四、实验成果

由以上的模型，在phase软件中经过计算，可建立如下图所示的成果：

图2：maximum shear strain图

图3：strength factor 图

五、实验中遇到的问题及心得体会

本题是岩石力学的基本实验之一，旨在通过学习了一些岩石力学的基本知识，来实地计算某地的地应力。本题以九龙河溪古水电站地质构造为实验数据的基础，来对该地区的地应力值进行了定量的计算。实验的过程中，由于是第一次接触岩石力学phase软件，也遇到了一定的问题。具体来说可以概括如下：

1、工程力学基础知识学得不是特别的扎实，致使在已知了理塘、雅江、呷巴、长河坝、乾宁的最大主应力及最小主应力后，处理实验数据花了一定的时间，利用公式xy2(xy2)2x2花费了一定的时间，此题可用应力圆的方法来计算，使问题得到一定的简化。

2、由于知识的局限性，所学的matlab知识也不是特别的熟练。此题本来也可以excel来解决问题，求解线性方程组也有一定的方便，但关于这方面的知识自己学得不是特别的精通，致使用了matlab软件来解决。本题在一定的程度上也反映matlab的局限性，如在求解的过程中，可从中选取任意15个线性方程组中的10组数据来解决需要求的系数A1,A2,A3,A4,A5,B1,B2,B3,B4,B5。但matlab不能够显示数据过于小的数据，因此在运行的过程中，会遇到显示-Inf的情况，此方式就表示了在matlab的情况下，不能正常的显示数据。如果采用excel来解决问题，或许不会遇到这样类似的问题。

3、实验过程中，对计算模型的思路不清晰。致使在做题的过程中，在得出一些实验数据之后，不能进行下一步的正确操作。只有在等到老师讲解了一些相关的步骤之后，才会有一定的思路。同是，对模型也不是特别的清楚，由于phase软件全部是英文的命令，所以在操作的过程中，也有了一定的难度。在实验时，我不仅遇到了一些难题，而且还转了一定的圈子。比如在添加在Phase软件中设定边界应力值时，由于不知道实验的条件，所以给模型的四周都设定了边界的应力值，但之后在计算时，却出现了一定的问题。之后经过老师的讲解，才知道另外两边的值是不需要加的。这不仅给计算的过程带来了冗杂，而且也浪费了不少的时间。

通过本次实验，我也深刻的认识到了自己所学的知识的局限性。岩石力学phase软件，auto CAD 2006，matlab 6.5软件以及microsoft office 2003软件这些有用的学习软件，在以后学习的过程中我一定要抽空来熟练这些软件的。同时，我也深刻地认识到了计算机软件对工程类的巨大作用。通过对一些实验数据的收集，在软件中解决这些实际的问题，的确给我们的学习和工作带来了一定的方便。特别是对于这研究地质类的软件来说，我想如果可以的话，还可以考虑地震力的作用，来研究和预测地震，这些都是有极大地帮助。或者将所研究的模型来通过进一步的研究，并考虑其他的因素，来分析不同地质深度的地应力的变化情况，以对研究地质构造将有极大的帮助。

通过本次实验，我也只是分析和计算了岩石力学实验的一些初级东西。由于phase软件的强大性，我想通过一定的方式，还可以从模型中研究出一些新的东西，这对于学习本软件和岩石力学更深的知识，都是有极大的帮助的。当然，这些也只有通过以后进一步的学习了。

最后，感谢王老师给我们这样的一次实验机会，也感谢她在实验过程中给我的指导和帮助。

第三篇：金属力学读书报告

金属力学读书报告

任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。

对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。

塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用y表示。伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。

硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。

金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用ak表示，单位为J/cm2。冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定，即把被测材料做成标准冲击试样，用摆锤一次冲断，测出冲断试样所消耗的冲击AK，然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功ak表示冲击韧性。ak值越大，则材料的韧性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韧性材料。很多零件，如齿轮、连杆等，工作时受到很大的冲击载荷，因此要用ak值高的材料制造。铸铁的ak值很低，灰口铸铁ak值近于零，不能用来制造承受冲击载荷。

第一章 合金强化

从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。如果一个理想晶体，在切应力作用下沿一定晶面和晶向发生滑移形变，根据计算，此时金属的理论切变强度一般是其切变模量的1/10～1/30。而金属的实际强度只是这个理论强度的几十分之一，甚至几千分之一。造成这样大差异的原因曾是人们长期关注的课题。直到1934年，奥罗万(E.Orowan)、波拉尼M.Polanyi)和泰勒(G.I.Taylor)分别提出晶体位错的概念；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度（和屈服强度）低于理论切变强度的本质。在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性（见形变和断裂）。可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。

强化金属的方法有很多，例如冷加工、淬火以及机械热处理等；但最有效而又稳定的方法就是合金化。因为它除了强化金属以外，往往对其他性能也会有所改进，如提高淬透性、增强抗氧化能力等。一般合金化后，由于改变了组织从而强度有所提高的强化称为间接强化。合金化后直接提高了基体金属强度的称为直接强化。主要有直接强化中的固溶强化和间接强化中的弥散强化。1.1 固溶强化

融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。

其影响因素影响因素主要有以下几点：

（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。

（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。

（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。

固溶强化的程度主要取决于以下因素：

（1）原始原子和添加原子之间的尺寸差别。尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。

（2）合金元素的量。加入的合金元素越多，强化效果越大。如果加入过多太大或太小的原子，就会超过溶解度。这就涉及到另一种强化机制，分散相强化。

（3）间隙型溶质原子比置换型原子具有更大的固溶强化效果。

（4）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。固溶强化后的金属其屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属。绝大部分情况下，其延展性低于纯金属。导电性比纯金属低很多。抗蠕变，或者在高温下的强度损失，通过固溶强化可以得到改善。

固溶强化按溶质原子在基体中的分布情况可分为均匀强化和非均匀强化。均匀强化是指溶质原子混乱分布于基体中时的强化作用。非均匀强化指溶质原子优先分布于晶体缺陷附近、或作有序排列时的强化。1.1.1 均匀强化

如图所示，溶质原子混乱的分布于基体中，因为位错线具有一定的弹性，故对同一种分布状态，由于不同溶质原子与位错线的相互作用不一样，位错线的运动就有（a）（b）两种，（a）为相互作用强时，位错线便感到溶质原子密集，（b）为相互作用弱时，位错线便感到溶质原子较疏。

从表面上看，因为间隙式溶质原子固溶后引起的晶格畸变大，对称性差，故应属于（a），置换式的固溶后引起的晶格畸变小，对称性高，故应属于（b）。但事实上，间隙式溶质原子在晶格中，一般总是优先于缺陷先结合，所以已不属于均匀强化的范畴。下面我们还会看到，在均匀强化中，所谓位错与溶质原子相互作用强弱的说法是有局限性的。此外，上述均匀强化的机制显然也不适用于当溶质原子分布的十分密集，以至使位错线的弹性不能发挥的地步。这时，由于位错线附近溶质原子对它的作用有正有负，故平均后，其强化作用就为零了。

目前关于均匀强化有三种理论：Mott-Nabarro理论、Fleischer理论、Feltham理论。

由Mott-Nabarro理论可得

0Gb2c5/8(lnc)2

式中，0——外加切应力；

c——溶质原子浓度；

b——固溶原子与基体原子大小差引起的错配度。

上式在一般浓度范围内c2/3(㏑c)2可近似为1，故0Gbc。此即临界切应力与溶质原子浓度成正比的关系。此外，直接用基体同溶质的Goldschmidt原子直径差△D的对数与

2d τc/dc的对数作图，（以铜合金为例），所得结果如左图所示。看来除Ni以外各合金元素，基本上靠近一斜率为2的直线附近。

Fleischer理论有两个主要的特点，一为溶质原子与基体原子的相互作用中，除了考虑由于大小不同所引起的畸变外，还考虑了由于“软”“硬”不同，即弹性模量不同而产生的影响；另一为置换原子与位错的静水张压力的相互作用中，除了考虑纯刃型的以外，还考虑了纯螺型的。

显然，此图要比前面的图要好得多，两者之间成很好的直线关系，其斜率也正好等于3/

2、这说明既考虑溶质原子的大小，又考虑其“软”“硬”的Fleischer理论是比只考虑溶质原子大小的Mott-Nabarro理论更符合实验事实。除此之外，Fleischer理论还强调了合金强化中螺型位错的特殊作用。

Feltham理论既给出τ

0与浓度

c的关系，又给出与形变温度T的关系。不但如此，由于激活体积是θ的函数，而θ同时又依赖于合金元素浓度和温度。正好Basinski等人最近在20多种不同浓度二元固溶合金中，发现在同一温度下，它们的激活体积与屈服应力都落在同一曲线上。1.1.2 非均匀强化

首先由于合金元素与位错的强烈相互作用，使得在晶体生长过程中位错的密度大大提高，造成与纯金属截然不同的基本结构。这往往成为某些合金非强化的部分原因。譬如，铜中加入少量的镍，银中加入少量的金等。

此外，就目前所知非均匀强化的类型大致可分为浓度梯度强化，Cottrell气团强化，Snoek气团强化，静电相互作用强化，化学相互作用强化和有序强化等几种。

1.1.3 多重因素强化 多重因素强化是指合金中几种强化机制同时起作用的情况。以Au-Ag单晶为例，计算结果表明，当T=600K时，发现所得化学相互作用强化和短程有序强化对合金强化的贡献与实验结果符合的很好。表明Au-Ag合金单晶的强化机制为在均匀强化的基础上叠加了化学相互作用强化和短程有序强化。并且看到在低浓度时，前者起主要作用，在高浓度时，后者起主要作用。类似的多重因素强化作用在Cu-Au固溶体中也存在。1.1.4 固溶合金临界切应力与温度的关系

我们得到固溶合金的临界切应力与温度存在着如图所示的关系，可以看出，在A区低温部分有着明显的应力下降，并且此下降梯度对间隙式固溶体更为突出；B区中温部分出现一“平台”；C区高温部分应力又出现第二次下降。

关于此三区对应的机制，一般认为，低温区主要是Cottrell气团的贡献，在中温区主要是短程有序和Suzuki气团的强化作用，当温度接近高温区时，由于被破坏的溶质原子的平衡分布得以立即恢复，切应力有所降低，或者甚至变得比初始状态更为稳定，这时为进一步形变，切应力应有某些提高，从而上述平衡状态被重新破坏，如此反复就得到跳跃式流变。1.2 弥散强化

弥散强化在实际强化金属时是被广为应用的一种方法，它的特点在于不但效率高，而且热稳定性较好。获得这种强化的方法有很多，譬如相分解、时效、内氧化和粉末冶金等。

为了获得更普遍的意义，我们将弥散强化基本上分为两类，一为弥散相产生形变的，简称为第一类；另一类为弥散相不行变的，简称为第二类。一般共格的弥散相属于前者；部分共格和非共格的弥散相属于后者。但弥散相究竟形变与否显然和它的大小、形状以及试样的形变条件等都有关。1.2.1 弥散强化的机理

弥散强化机构的代表理论是位错理论。在弥散强化材料中，弥散相是位错线运动的障碍，位错线需要较大的应力才能克服障碍向前移动，所以弥散强化材料的强度高。位错理论有多种模型用以讨论屈服强度、硬化和蠕变。1.2.1.1屈服强度问题（1）奥罗万机构

按照这个机构，位错线不能直接超过第二相粒子，但在外力下位错线可以环绕第二相粒子发生弯曲，最后在第二相粒子周围留下一个位错环而让位错通过。位错线的弯曲将会增加位错影响区的晶格畸变能，这就增加了位错线运动的阻力，使滑移抗力增大。（2）安塞尔—勒尼尔机构

安塞尔等人对弥散强化合金的屈服提出了另一个位错模型。他们把由于位错塞积引起的弥散第二相粒子断裂作为屈服的判据。当粒子上的切应力等于弥散粒子的断裂应力时，弥散强化合金便屈服。

GbG 屈服应力2C式中 G—第二相粒子的切变模量；

C—比例常数，可以通过理论计算，通常约为30； —弥散粒子间距；

G—基体金属的切变模量；

b—柏矢矢量。从该方程式可以得出：

（1）屈服应力与基体和弥散相的切变模量的平方根的积成正比，也就是说与基体和弥散相的本性有关；

（2）屈服应力与粒子间距的平方根成反比。

（3）柏氏矢量是位错的重要因素，屈服强度的大小直接与位错有关。1.2.1.2 蠕变问题

金属在恒定应力下，除瞬时形变外还要发生缓慢而持续的形变，称为蠕变。对于蠕变，弥散粒子的强化有两种情况。

（1）弥散相是位错的障碍，位错必须通过攀移始能越过障碍

显然，位错扫过一定面积所需的时间比纯金属要长，因而蠕变速率降低。设粒子直径为d，粒子间距为，因每次攀移时间正比于d，攀移次数反比于，因而蠕变速率与d成正比。若第二相总量不变，粒子长大总伴随着粒子间距的增大，d和是按近比例增长的，因此，在过时效以前，蠕变速率不受粒子长大的影响。

（2）第二相粒子沉淀在位错上阻碍位错的滑移和攀移

这种具有弥散相的合金的抗蠕受能力与抗回复能力有对应关系。普悦斯顿(O．Preston)等人研究内氧化法弥散强化铜时，形变烧结铜合金的回复温度几乎接近熔点，而形变纯铜的软化在低于T熔点的温度即已完成。麦克林(D．McLean)认为滑移可以在几个面和几个方向上进行。实线代表滑到纸面上的位错，虚线代表运动出纸面的位错，在粒子之间两组可以相交而形成结点。点线表示在第三种平面上的位错又可与这两组位错形成结点，结果弥散粒子被这些位错乱网所联结。由于乱网中位错密度很高，造成强烈的应变硬化；同时，粒子又阻碍这些位错的滑移与攀移，因而得以保持这种硬化状态而不产生回复。这一过程是提高耐热强度的关键，因为一般加工硬化状态是容易获得的，但要保持到高温不回复则是不容易的。1.2.2 弥散强化材料的性能

弥散相除A12O 3外，发展了以下化合物：

氧化物：A12O3、ThO2、MgO、SiO2、BeO、CdO、Cr2O3、TiO2、ZrO2以及Y2O3和澜系稀土氧化物；

金属间化合物：Ni3A1、Fe 3AI等；

碳化物、硼化物、硅化物、氮化物：WC、Mo2C、TiC、TaC、Cr3C2、B4C、SiC、TiB2、Ni2B、MoSi2、Mg2Si、TiN、BN等。

在应用上取得一定效果的有TD-Ni及弥散强化无氧铜。

弥散强化材料固有的低延性，需要予以重视和研究改进，但弥散强化材料在性能上的优越性还是主要的。

其主要性能有：（1）再结晶温度高，组织稳定。（2）屈服强度和抗拉强度高。（3）随温度提高硬度下降得少。（4）高温蠕变性能好。（5）高的传导性。（6）疲劳强度高。

第二章 屈服现象

人们习惯用屈服应力来表征金属强度的一个参量，并认为它代表范性形变所需的起始应力。事实上，我们知道金属从弹性形变过渡到范性形变时，中间经过了比较复杂的过程。如图绘出了常见拉伸曲线中的典型屈服现象。其中（a）称为连续过渡，不出现突然屈服的现象；（b）和（c）是出现突然屈服的现象，而前者为非均匀屈服，后者则为均匀屈服。

以前人们所谓的屈服应力是对连续过渡而言，一般指的是上图（a）中的σy或其他认为的标准，对有突然屈服的现象而言（如上图中的（b）和（c）中标出），σU为上屈服应力，σL为下屈服应力。在非均匀屈服情况下，拉伸曲线中的平直部分，我们称之为Luders应变或屈服平台。

屈服问题的本身，除了由于它对金属由弹性形变过渡到范性形变这一质变的纯理论性质以外，在实际强度问题中，与其他现象的联系也是十分密切的。大量事实证明起始范性形变甚至与试样最后断裂间都存在着紧密的联系。2.1 非均匀屈服

这一现象最早是在ɑ-铁多晶中发现的，并且Low和Gensamer证明，经湿氢脱碳、氮的试样，室温拉伸时没有屈服现象，渗碳和渗氮之后才有此现象。

目前对于非均匀强化，比较全面的解释是Cottrell提出的理论。当外应力未达到σv之前，已有一些被钉扎的F-R源由于局部应力集中的关系而被激活，从而产生一定数量的位错，但由于晶界的阻碍作用而使这些位错不能跑出晶粒以外，故都沿它们自己的滑移面塞积在晶界前。这样，在相邻下一晶粒内距上述位错塞积群的头部逐产生一较大的应力。2.2 均匀屈服

均匀屈服在ɑ-Fe单晶中是常见的，即使经脱碳、氮，只要形变温度够低也能出现。在多晶中，经脱碳、氮后，试样的屈服也能由非均匀的变成均匀的。

均匀屈服的现象虽早已发现，但其物理实质还是Gilman和Johnston在Lif的研究中阐明的，他们认为均匀屈服与位错随形变的快速增值与位错滑移速度-应力的关系这两个因素有关。试样中起始的可动位错越小，m值越小，则屈服应力下降越明显。并且这种屈服机制不涉及需要某种外来原因造成的位错扎钉或塞积，而仅同材料本身的位错动力学特点有关，所以非均匀屈服又称静态屈服，而均匀屈服就称动态屈服。2.3 迟屈服现象

所谓迟屈服现象，就是指快速加载超过静态上屈服应力时，试样并不立即屈服而要延迟一段时间，此段时间便称为屈服时间，此现象便称为屈服现象。这种现象在很多体心立方金属中都发现。

尽管很多人提出了很多假设、公式和模型，但是迟屈服现象的微观机制到现在还不是很清楚。2.4 Hall-Petch公式

0kdn

式中，——晶格摩擦力；

d——晶粒直径；

k——常数。

根据大量实验事实指数n以选取1/2为最合适，对于亚晶粒n取1。此Hall-Petch公式不仅适用于上、下屈服应力，同时也适用于整个流变范围以至断裂。此时常数σi 和k有所不同。

Hall-Petch公式虽是一相当可靠的经验公式，但是要想利用它得出屈服、流变或断裂的微观结论时，则需要特别谨慎。2.4.1 i和k与各因素的关系

晶格摩擦力σ

固溶iL应包括与温度有关的一项σiL(T)和与结构(指位错状态、元素和沉淀相等)有关的一项σiL(st)，因为任一条直线外推到碳、氮含量为零时的值就是σiL(T)。σiL的其余部分即为σiL(st)。

iU和σiL基本上相σi与形变度的关系比较明确，除对应上、下屈服应力的σ同外, σi在所有实验中都随硬化而增加。但κ与形变度的关系的看法就比较分歧。一般说来，同样的碳、氮总含量，不同热处理或不同碳、氮总含量的试样，其所得的σi是不一样的，因为它们直接影响σi(st)。2.4.2 各种因素对屈服应力的影响

上屈服应力对应力集中非常敏感，因此，要想得到真正的上屈服应力必须最大限度的消除应力集中。下屈服应力对其也有影响，只不过没有上屈服应力那么严重。

一般形变温度对α-铁屈服应力的影响可分为三个区域即低温(室温以下)，中温(室温到200℃)和高温(200 ℃以上)Winlock在不同含碳量（0.06%-1.03％)的碳钢室温拉伸结果指出，随形变速度的增加σU和σL都增加，并与碳含量无关，不过σU增加稍快些。

有很多工作一再证明，晶粒直径越小，Δσ就越大。2.5 屈服机制

Cottrell对非均匀屈服机制作如下解释：首先他强调位错被钉扎有强弱两种之分，并且试样中局部的应力集中还是比较大的，譬如存在微观第二相以及滑移带的尖端等。当位错被钉扎得很牢时，也就是所谓的强钉扎时，可能在起锚前离应力集中更近的完整晶体处先产生了位错，于是所谓的Petch斜率κ就与形变温度无关；当位错被钉扎得不是很牢，也就是所谓的弱钉扎时，那么在同样的应力集中之下，可能被钉扎的位错先于在完整部分产生位错而起锚，这样κ值就与形变温度有关了。

Petch从晶格摩擦力σi进行阐述，得到上屈服应力的公式：

UiUilog101kd1/2 3Nd式中，N——上屈服时单位体积中形变晶粒数；

d——晶粒直径；

iU——晶格摩擦力；

i——形变速度增加10倍时i的增量。

对于非均匀屈服而言，原则上只要能使位错开始运动难于保持其运动就行，也就是承认非均匀屈服现象同金属中存在某种对起始滑移的障碍相联系。就均匀屈服而言，也只要可动位错密度和位错速度—应力指数足够小即可。但事实上，上述条件能否满足却因结构的不同而会有所不同。

屈服过程中的晶格摩擦力有派-纳力即晶格摩擦力中与温度有关的部分，螺旋位错上的割阶即晶格摩擦力来自螺型位错上的割阶，固溶原子气团，微观第二相，交滑移。

第三章 疲劳现象

在生产实践中，人们很早就发现，虽然加在机械部件上的应力远小于其断裂强度(甚至比屈服强度还低)时，但经多次循环后，此机械部件常常也会骤然断裂。这种金属在循环应力作用下发生断裂的现象就称为疲劳。

疲劳按应力状态可分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳。按环境和接触情况可分为大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳。按断裂寿命和应力高低可分为高周疲劳（低应力疲劳，105次以上循环）、低周疲劳（高应力疲劳，102~105次循环之间）。3.1 金属疲劳断裂过程

尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂，但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破坏断裂需要经过很长的时间。因此，疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。

金属疲劳裂纹大多产生于零件或构件表面的薄弱区。由于材料质量、加工缺陷或结构设计不当等原因，在零件或试件的局部区域造成应力集中，这些区域偏是疲劳裂纹核心产生的策源地。

疲劳裂纹产生后在交变应力作用下，继续扩展长大，每一次的应力循环都会使裂纹扩大，在疲劳裂纹扩展区留下一条条的向心弧线，叫做前沿线或疲劳线，这些弧线形成像“贝壳”一样的花纹，所以又叫做贝壳线或海滩线。

在最后断裂区，由于疲劳裂纹不断扩展，零件或试样的有效断面积逐渐减小，因此应力不断增加，当应力超过材料的断裂强度时，则发生断裂，形成最后断裂区。3.2 疲劳极限

当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力值即为材料的疲劳极限。

对金属疲劳寿命的估算可以有三种方法：应力-寿命法，即S-N法；应变-寿命法，即N法；断裂力学方法。

S-N法主要要求零件有无限寿命或寿命很长，因而应用在零件受较低应力幅的情况下，零件的破断周次很高，一般大于105周次，亦即所谓高周疲劳。一般的机械零件如传动轴、汽车弹簧和齿轮都是属于此种类型。对于这类零件是以S-N曲线获得的疲劳极限为基准，在考虑零件的尺寸影响，表面质量的影响等，加一安全系数，便可确定许用应力。

实验证明，金属材料所受循环应力的最大值max越大，则疲劳断裂前所经历的应力循环周次越低，反之越高。根据循环应力max和应力循环周次N建立S-N曲线。

3.3 疲劳硬化三阶段

Haigh最早根据疲劳过程中的发热现象，将整个疲劳过程分成三个阶段。一般来说当外加应力小于试样的疲劳极限时，开始发热速度很大，随后很快降到一定值。若外加应力大于试样的疲劳极限时，则发热速度随着开始的升高而很快下降到某一定值，然后又逐渐升高，到断裂前，其升高速度便陡增，出现明显的三个阶段。

第一阶段实际上是指开始循环头数千周时的起始硬化阶段，也有称为“热脉冲”的。这种起始硬化，对于确定退火金属在试验的其余期间的状态极为重要；第二阶段中，硬化和发热速度都先降到一较稳定值，随着应力的增加，硬化和发热速度又逐渐增加；第三阶段硬化和发热速度都增加很快，相当于疲劳断裂过程。

总的来讲，疲劳过程所引起的变化，其效果与淬火或辐照的作用很相似，能产生较多的点缺陷、割阶甚至蜷线位错。唯一不同之处在于它们只限于局部地区，尤其在相同负载下，表面对疲劳形变的影响比单向形变的敏感。疲劳硬化一般比单向的也大，与温度的依赖关系密切，热稳定性也较高。3.4 疲劳过程中组织结构的变化

疲劳与单向拉伸形变静态硬化曲线的特点大致相同，但其组织结构的变化却相差很远。（1）滑移带的特点

Ewing和Hamphrey最早用退火纯铁作转动弯曲疲劳试验，发现应力在屈服点以下时，经过几千次循环后，试样中少数晶粒内就出现细滑移线。随着循环次数的增多就有更多的滑移线产生，原有滑移线的滑移量也加大。特别是那些新产生的滑移线，多数处在原有滑移线的附近，形成滑核带。带与带间看不到滑移线，故其分布较静拉伸时显得更不均匀。交变应力越大，沿移带就越多，滑移带的长度和深度也越大。（2）挤出和侵入

挤出和侵入现象已是疲劳形变中的一个普遍现象，不过在纯金属和稳定合金中，其高度较低，约为1-2微米。挤出和侵入的现象与金属层错能的关系也是很特殊的，不像硬化与层错能成正比，而是层错能越低越容易出现挤出和侵入，譬如很多铝合金和铜合金的挤出和侵入都较纯铝和纯铜的明显，这样挤出和侵入的形成机制好像与交滑移无关。实验证明挤出扣侵入的出现可能与第二滑移系统的参与有关。

（3）疲劳后的位错状态

疲劳形变后的位错状态与疲劳应力的关系很大。以铝为例，Segall等人和Snowden的工作指出，一般高应力下的疲劳结果和单向形变的差不多，都为不同形式的位错胞。但低应力下疲劳时，却出现平行﹤112﹥方向的长位错环，位错上割阶密度也较大，以至出现蜷线位错，类似淬火处理。加入合金元素后(譬如A1-3％Mg合金)，更有利于位错偶束的出现。实验指出应变振幅的大小直接关系到疲劳试样中的位错状态，当应变振幅够大时，在1/4循环后就可得到位错胞结构。

3.5 疲劳与蠕变的交互作用 至今我们讨论疲劳或蠕变都是分开来研究的，但在实际情况中，它们往往总是共存的。因此有必要研究疲劳与蠕变的交互作用，可惜有关这方面的系统工作还不多，目前这方面的研究多数采用单向循环应力产生的疲劳蠕变和用颠值应力产生的一般蠕变的方法来进行，并称前者为动态蠕变，后者为静态蠕变。

借用Miner-Robinson指出的累积损伤法则，如累积是线性的，该法则建立在蠕变损伤分数υα和疲劳损伤分数υf之和等于1的假定上，如果累积是非线性的，则应加入交互作用项 ：

aB(af)1/2f1

式中，蠕变损伤分数：ai1Nti

tr疲劳损伤分数：fi1NNi NfΔti——在最大拉伸负载下停留的时间； tr——纯蠕变断裂时间；

Ni——为疲劳蠕变试验断裂的总循环次数； Nf——为纯疲劳断裂的循环次数； B——交互作用系数。

当B＝0时表明无疲劳蠕变交互作用；

当B＞0时为正交互作用，即断裂寿命比线性法则预期的要低； 当B＜0时为负交互作用，即断裂寿命比线性法则预期的要高。

根据试验结果，可以求出交互作用系数B，然后再把试验数据代入上式，便可估算零件的使用寿命。3.6 影响疲劳的因素

由于至今对金属疲劳的形变机制还不是很清楚，所以我们更应该注意各种因素对疲劳的影响，以弄清它的实质。此外，从应用的角度出发，研究一些因素对疲劳的影响也是完全有必要的。

影响疲劳的因素主要有：疲劳振幅，负荷系统，应力集中，温度，频率，试样大小及形状，试样表面，介质，组织结构。3.7 热疲劳

热疲劳就其字面上来说，应解释成是由于温度起伏而引起的热应力所产生的疲劳现象。不过就纯金属而言，热疲劳实质上是来自晶体各向异性所导致的热应力的作用，这一点在Boas和Honeycombe早期工作中已得到证实。如果试样本身存在着温度梯度(譬如表面与内部温度差别很大)，当然也能产生很大的热应力以至出现局部范性形变。如果温度变化又足够快，幅度又足够大，很明显表层膨胀产生的热应力超过其断裂强度后也会出现裂纹。

金属对热疲劳的阻力，不但与热传导、比热等热学性质有关，而且还与弹性常数、屈服强度等力学性质以及密度、几何因素等有关。所以一般脆性材料导热性差，热应力又不能得到足够的范性松弛，故热疲劳致裂的危险最大。

第四篇：金属检测实验报告

《感测技术》课程设计题目：金属探测器的制作

学号姓名：刘长军刘倩倩刘嘉威刘校 罗林李鑫林祥祥林晗 老师：袁新娣

时间：

2013年11月

引言认识金属探测器金属探测器作为一种最重要的安全检查设备，己被广泛地应用于社会生活和工业生产的诸多领域。比如在机场、大型运动会(如奥运会)、展览会等都用金属探测器来对过往人员进行安全检测，以排查行李、包裹及人体夹带的刀具、枪支、弹药等伤害性违禁金属物品;工业部门(包括手表、眼镜、金银首饰、电子等生产含有金属产品的工厂)也使用金属探测器对出入人员进行检测，以防止贵重金属材料的丢失;目前，就连考试也开始启用金属探测器来防止考生利用手机等工具进行作弊。由此可见，金属探测器对工业生产及人身安全起着重要的作用。而为了能够准确判定金属物品藏匿的位置，就需要金属探测器具有较高的灵敏度。目前。国外虽然已有较为完善的系列产品，但价格及其昂贵；国内传统的金+.属探测器则是利用模拟电路进行检测和控制的，其电路复杂，探测灵敏度低，且整个系统易受外界干扰。

一、设计目的1、进一步了解和运用涡流效应的原理。

2、了解电容三点式振荡电路原理。二：任务和要求

1、任务：设计一种可准确探测小范围内是否存在金属物体的电子。

2、探测器性能要求：（1）工作温度范围：-40℃——+50℃。（2）连续工作时间：一组5号干电池可连续工作40h（小时）。（3）要求当有金属靠近传感器时相应的电路会发出警报。（4）探测距离在20mm以内。

三、总方案设计

1、元器件的准备电路中的NPN型三极管型号为9014,三极管VT1的放大倍数不要太大，这样可以提高电路的灵敏度。VD1-VD2为1N4148。电阻均为1/8W。金属探测器的探头是一个关键元件，它是一个带磁心的电感线圈。磁心可选Φ10的收音机天线磁棒，截取15mm，再用绝缘板或厚纸板做两个直径为20mm的挡板，中间各挖一个Φ10mm的孔，然后套在磁心两端，如图1所示。最后Φ0.31的漆包线在磁心上绕。如果不能自制，也可以买一只6.8mH的成品电感器，但必须是那种绕在“工”字形磁心上的立式电感器，而且电感器的电阻值越小越好。

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2、电路的制作与调试图2是金属探测器电原理图图，组装前将所用元器件的管脚引线处理干净并镀上锡。对照三个图，依次将电阻器、二极管、电容器、三极管、发光二极管、微调电阻器焊到电路板上，再将电感探头连接到电路板上。电路装好，检查无误就可以通电调试。接通电源，将微调电阻器R8的阻值由大到小慢慢调整，直到发光二极管亮为止。然后用一金属物体接近电感探头的磁心端面，这时发光二极管会熄灭。调整微调电阻器R8可以改变金属探测器的灵敏度，微调电阻器R8的阻值过大或过小电路均不能工作。如果调整得好，电路的探测距离可达20mm。但要注意金属探测器的电感探头不要离元器件太近，在装盒时不要使用金属外壳 S L1 6.8mH 1 3 C20.01uf0.01ufCAP NP R1 3.3kR23.3k R36.8k R4100 R6680k R72M R8 5.1k C4 0.1ufC5 0.1ufC72.2uf Q1A TR_2_IS_N_A 3 1 2 Q1BTR_2_IS_N_A 6 4 5 Q2A TR_2_IS_N_A 31 2 0.01uf CAP NP D1 DIODED2DIODE D3 LED5V

图2 金属探测器总原理图

3、电路工作原理涡流效应图3涡流传感器结构图根据电磁理论，我们知道，当金属物体被置于变化的磁场中时，金属导体内就会产生自行闭合的感应电流，这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。据此，将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流过线圈的电流会在周围产生交变磁场，当将金属靠近线圈时，金属产生的涡流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率越大，交变电流的频率越大，则涡电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化，还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。对于非铁磁性的金属[包括抗磁体(如:金、银、铜、铅、锌等)和顺磁体(如锰、铬、钦等)μr1， 较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应可忽略不计；对于铁磁性金属（如：铁、钴、镍）μr很大，也较大，可认为是既可导电又导磁的物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。金属探测器电路中的主要部分是一个处于临界状态的振荡器，当有金属物品接近电感L（即探测器的探头）时，线圈中产生的电磁场将在金属物品中感应出涡流，这个能量损失来源于振荡电路本身，相当于电路中增加了损耗电阻。如果金属物品与线圈L较近，电路中的损耗加大，线圈值降低，使本来就处于振荡临界状态的振荡器停止工作。从而控制后边发光二极管的亮灭。在这个电路中三极管VT1与外围的电感器和电容器构成了一个电容三点式振荡器用如图4所示。VT1的静态工作点：取R6=6.8K（电位器）,R2=3.3K,VBQ=0.5VCC。当图2中三极管基极有一正信号时，由于三极管的反向作用使它 的集电极信号为负。两个电容器两端的信号极性通过电容器的反馈，三极管基极上的信号与原来同相，由于这是正反馈，所以电路可以产生振荡，R8和R1的存在，消弱了电路中的正反馈信号，使电路处于刚刚起振的状态下。S L1 6.8mH 1 3 C2 0.01uf0.01ufCAP NP R1 3.3k0.01uf CAP NP

图4 电容三点式振荡电路理论计算振荡器的频率为：（C是C1，C2的串联）金属探测器的振荡频率约为40KHz，主要由电感L、电容器C1、C2决定。调节电位器R8减小反馈信号，使电路处在刚刚起振的状态。电阻器R6是三极管VT1的基极偏置电阻。微弱的振荡信号通过电容器C4、电阻器送到由三极管VT2、电阻器R3、R9及电容器C5等组成的电压放大器进行放大。然后由二极管VD1和VD2进行半波整流，电容器C7进行滤波。整流滤波后的直流

电压使三极管VT3导通，它的集电极为低电平，发光二极管VD3亮。在金属探测器的电感探头L接近金属物体时，振荡电路停振，没有信号通过电容器C4，三极管VT3的基极得不到正电压，所以三极管VT3截止，发光二极管熄灭。

R4 100 C72.2uf Q2A TR_2_IS_N_A 31 2 D1 DIODE D3 LED5V

图5 发光二极管检测电路

四、原件清单

NPN9014

3个

0.01uF无极性电容

3个

0.1uF电容

2个

202uF电容

1个自制电感线圈

1个二极管1N4004

2个

发光二极管

1个 6.8K电阻

1个 6.8K变阻器

1个 3.3K电阻

2个 100欧姆电阻

1个 2M电阻

1个 5.1K变阻器

1个 9K电阻

1个

五、本次课程设计的心得体会课程设计是一个重要的教学环节，也是对学生综合素质的一次考核，所要完成的任务对每个同学来说都是一次挑战。通过这次课程设计不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。这次课程设计金属探测器的电路图虽然比较简单，但真正要实现预期的功能还是有一定的困难，因此最后的结果不是很理想。此次课成设计的完成是我们团队合作的成果，一起设计电路，选择元器件，购买元器件，直到电子文档的完成，团队精神是我们最大的收获！当然在此期间也向我们的授课老师袁老师请教了许多的问题，在此表示感谢！

第五篇：如何扭转班风

如何创建良好班风

------班主任培训材料

班风反映了学校班级的面貌。班风不好就会直接影响学生的学习、身心健康和学校的声誉。目前社会上出现的一些不良现象浸染到学校，往往影响班风。班主任应坚持用科学的管理方法，创建良好班风。

科学管理是创建良好班风的最好途径。

一、从调查研究入手，找出主要问题

解决班风的问题要有好的办法，班主任必须搞好调查研究。首先，要摸清学生的底子。一般学生可分为四类情况：一类积极要求进步，成绩较好；二类为想进步，但缺乏自觉性，易受环境影响，学习不稳定；三类为表现较好，学习上也能刻苦，但由于接受能力差，成绩跟不上；四类为生活散漫，学习不认真，经常破坏班规校纪。其次，要开展一系列的活动。如在班里开展与同学个别交心谈话活动，召开座谈会，上门走访家长和征求任教师意见等，来弄清楚影响本班班风的原因和存在的主要问题。

二、制定严密的班规 影响班风的问题查明了，就要分析问题和解决问题，把影响班风的现象看作入门的向导，抓住问题的实质，采取两手抓的办法；一手抓严密的班规条例的制订，另一手重点抓后进生的转变工作。因为影响班风的主要对象是后进生，只有转变了后进生，班风才能好转。我们应该相信这样一点，即学生的缺点和错误，是能够经过适当的德育工作使他们加以克服和改正的。要从学生的不同个性和特点出发，做过细的思想政治工作，多做正面工作，少指责，少训斥，推心置腹地与同学交心谈心，做学生的知己朋友。方法要灵活多样。如举行后进生学习班，反复学习道德规范和学校有关规定，学习班规和公布制订的班组评估条例等。同时大胆地让后进生自己管理自己，让其担任班上的纪律、卫生、治安等小组组长，以加强他们的责任感，促使他们进步。

三、注重发挥班干部与团员的积极作用 班干部是班主任值得信赖与依靠的对象，团员也是全班学生中的先进分子。班主任应定期召开班干部会，对班干部的工作进行讲评，提出勉励与改进的措施。同时，应发挥团员的先进模范作用，可让班干部与团员和班上的后进生结成“一帮一”的互助对子，定期进行总结讲评，帮教成绩突出的进行表扬、奖励，以期带动全班学生的共同进步。

四、改革值日制度，激发学生对班级事务的参与积极性。

任命班干部进行值日，虽然比较放心可靠，可时间长了，也容易使他们产生懈怠心情，缺乏积极主动精神。可是像魏书生提倡的全员轮流值日在薄弱班由于学生素质不一事实上又不太可能。怎么办呢？我的看法是，可以采用学生自愿报名的方式，每周选五人轮流值日，在下周班会时进行讲评，选一位值日最好的同学继续留任，不过只能留任一届，以便让更多的同学参与进来，另外再补选四位同学值日，以此类推。同时为了增强值日工作的严肃性和值日生的责任感，可以进行任前集体宣誓，誓词如下：“我志愿参加值日工作，模范带头遵守学校和班级的各项规章制度，协助班主任、班长开展日常工作，克尽职守，公正无私，热心班级事务，维护班级荣誉，为建设具有良好班风的班级而努力奋斗。”这样做既可以发挥同学们的主观能动性，让更多的同学有自我表现的机会，又可以培养学生的能力，同时还可从中发现人才，条件适当时将之增选为班干部，使班干部队伍永葆活力和生机，这确实是一举多得的好法子。

五、善于与后进生沟通，多予关爱和鼓励。

每个班一般都有

一、两个学生难以教育，薄弱班这样的学生可能更多，情况也更复 杂。对付这些学生一般的常规教育方法则难以见效，必须用些特殊的方式方法来教育。班里如果后进生比较多，则必须抓一到两个典型，只有转化好“典型”学生才是“釜底抽薪”的治本之策，才能使班风好转，否则，其他工作做得再多再好，可能也只是“扬汤止沸”而已。对这类“典型”

学生的教育，必须注意如下几点：

（一）谈话前必须进行深入的调查

人都有优缺点，“典型”学生同样也有优点，否定这类学生的优点是错误的，实乃“一叶障目”之举。哪怕他有九个缺点，只有一个优点，也还是说明他是有优点的，这点我们教师首先必须明确。即使一时找不到，可深入学生中去发现，去寻找他的优势所在，这样谈话前做到心有成竹。

（二）要选择适当的时机

做好准备后不要马上进行谈话（紧急情况除外），还要选择适当的时机，时机不好宁可再等也不要急于谈话。什么是适当的时机呢，比如他过生日或家庭有重大喜事或刚受了老师的表扬时，俗话说“人逢喜事精神爽”，高兴时“忠言逆耳”的话，平时听不进的言语都可能听得进，这无疑是个好时机；另外，假如他有重大的把柄或不为人知的秘密落在你手里时，也可因势利导地进行教育。总之，一定要选择适当时机，定能收到较好效果。

(三)注重良好的环境氛围

办公室是一般同学犯错误后去得最多的地方，一讲去办公室，学生心理上就会产生抵触情绪。因此，教育这类“典型”学生最好选择在室外宜人的场地（如草地，树荫下，田径场等）进行，这样会使学生的戒备心理慢慢消除，向你敞开心扉。一旦学生的心灵之窗打开，教育工作自然就好做了。

（四）注重话题的选择与导入

对这类学生的教育一般不宜开门见山，直奔主题。这样会使他们觉得你只关心他们的学习纪律，而不关注他的内心世界。谈话可从他们最感兴趣的话题入手，或从某些不为人注意的细节引发，如：“你手上的小伤口是怎么回事”，“穿这点衣服冷不冷”，或从他的生日年月，家庭生活的琐事等很私人化的话题谈起。这些能使学生感到惊讶，新奇，进而产生兴趣，变得愿意跟你交流起来。

（五）个别特殊言行方式的运用

这类学生，往往有着与众不同的情感交流方式，为了教育行之有效，有时你不得不去迎合他们。如运用他们的特定语言，勾勾肩，拍拍背以示亲昵，甚至还得和他们称兄道弟。这样使他们有种亲切随和感，对你的教育便容易认同。当然，凡事要有个度，把握分寸，不能丢掉教师的人格，损害教师形象。

如果能辨证地综合运用上述五点，我想，思想教育工作是应该有成效的。另外，这类学生很容易反复，平时在公共场合一定要多表扬、鼓励，尽量不要在班里公开批评，可安排一些容易取得成效的小事给他做，如当卫生监督员，每天负责擦拭讲台，保管好教室粉笔，课堂上回答些简单的问题等，使他明白，其实得到老师的表扬并不难。要知道，每个学生都是希望受到尊重，乐于接受表扬，愿积极上进的，“典型”学生同样如此，表扬勉励多了，便能使之鼓舞信心，奋勇前行。

六、多举行一些有益身心的班级活动

初中学生正是身心发育的关键期，精力旺盛，班级要多开展活动来宣泄他们过剩的精力，如开展各种体育比赛，游艺活动，文艺表演等，使他们觉得班级生活的丰富多彩，从而增强他们的集体协作精神，增进班级荣誉感和凝聚力。这方面的作用是不容忽视的，在此不再赘言。

综上所述，如能综合运用各种方法、手段，纠正学生的错误观念，充分发挥各类学生的主观能动性，做好“典型”学生的转化工作，开展丰富多彩的活动，注重多表扬与鼓励等等，创建良好班风是完全可能实现的。