材料力学实验指导书20140903

1、目录实验一金属材料的拉伸试验（2）实验二金属材料的压缩试验（5）实验三纯弯梁的正应力试验（7）实验四 等强度梁试验 （11）实验五同心拉杆试验（16）实验六 弯扭组合变形试验 (18)实验一 金属材料的拉伸试验一、实验目的1测定低碳钢的拉伸时的屈服极限、强度极限、延伸率和断面收缩率。2测定铸铁的拉伸强度极限。3观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中所出现的各种变形现象，并根据断口情况分析材料的破坏原因。二、实验设备和仪表1. 电子万能试验机或液压万能试验机2. 游标卡尺三、试件标准拉伸试件一般由工作部分、过渡部分和夹持部分三部分组成，如图1-1所示。图中工作部分的长度称为标距，称为平行长度。为得到合理的

2、实验结果，试样各部分有一定的加工要求，一般地，工作部分必须有一定的光滑度，以使之受均匀分布的轴向应力作用；过渡部分必须有适当的倒角以降低由于截面的变化而导致的应力集中；两端较粗的夹持部分应有适当的粗造度以便夹紧试件。图 1-1 圆截面试件考虑到试件尺寸和形状对材料塑性性质的影响，国标GB6397-86对试件的尺寸和形状分别作了标准化规定：对于圆形截面的试件，加工成或 ；对于矩形截面试件，加工成或的标准试件或比例试件。此外，对于圆截面试件其平行长度加工尺寸还应不小于；矩形截面试件的不小于。四、实验原理及方法低碳钢属塑性材料，在拉伸实验过程中，其曲线如图1-2所示，大致可分为四个阶段：弹性阶段、屈

3、服阶段、强化阶段、颈缩阶段。实验刚开始，由于试件和卡头之间存在空隙，因而曲线的开始阶段为一曲线（图1-2段），这一阶段的曲线形状只与试件的装载情况有关，在数据处理时一般将其剔除。（1）弹性阶段 随载荷缓慢增加，测力指针匀速移动，曲线呈现一段斜直线，直线的斜率反映了材料单位长度的抗拉性能（）该阶段的变形与载荷呈线性关系。（2）屈服阶段 弹性阶段过后，进入屈服阶段，以初始瞬时效应之后测力指针无规则波动时所指向的最小载荷作为材料的屈服极限。此阶段曲线呈接近水平线的小锯齿形线段，表明载荷有小的波动但变形加快，材料进入塑性阶段。此时，如果试件表面光洁度较高，还可看见45°方向的滑移线。图1-2

4、低碳钢拉伸曲线（3）强化阶段 屈服阶段过后，进入强化阶段。此阶段材料因塑性变形使其内部的晶粒结构，恢复了对变形的抵抗能力，载荷又会有所上升，变形量也随之加大。（4）颈缩阶段 在载荷达到最大载荷以前，变形在试件标距范围内基本上是沿长度均匀变化的。当载荷达到材料的极限载荷时，试件的某一局部会发生显著变形，出现“颈缩”现象，主动针迅速倒退，试件被拉断。材料的极限载荷可由从动针位置读出。铸铁属脆性材料，拉伸时P-l曲线（图1-3）没有直线部分，变形小，无屈服和颈缩现象，试件很快达到最大载荷而突出断裂，其拉伸强度极限远小于低碳钢的强度极限。断口平直、粗糙、且垂直于轴线。图1-3铸铁拉伸曲线五、实验步骤1

5、打标距l0:（1）低碳钢：在试件中段取l0=5d0或10d0（d0为名义直径），用冲子打两个标记。（2）铸铁：不打标距。2用游标卡尺在试件中和两端三个地方互相垂直的两个方向各测量一次，以其各点平均走私的最小值计算初始横截面面积A0。3根据试件横截面面积和材料的大致强度极限，估算出实验所需的最大载荷，选择相应的液压式试验机测力度盘和摆铊。4安装试件。先将试件安装在上夹头上，调节下夹头使之移动到合适位置，再把试件下端夹在下夹头中夹紧。缓慢加载，观察测力指针转动的情况，以检查试件是否已夹牢，如打滑应重新安装。5开动试验机使试件缓慢匀速加载，随时观察测力指针的移动情况及拉伸过程中各种物理现象。对于低碳

6、钢试件，当测力指针不动或倒退时，说明材料开始屈服，记录初始瞬时效应之后指针各次摆动时的最低值，作为材料的屈服载荷。再继续加载，直至试件断裂后停机，由被动针读出最大载荷。对铸铁试件，拉断后记下最大载荷。6试件拉断后，取下试件，观察断口。将断裂试件的两端靠紧、对齐，用游标卡尺测出低碳钢试件断裂后的标距长度及断口处的最小直径（一般从相互垂直方向测取两次，取平均值）。7实验完毕，仪器设备恢复原状，清理现场，并检查实验记录是否齐全，请指导教师签字后离开。六、实验结果处理1低碳钢拉伸：（1）根据测得的屈服载荷和极限载荷计算材料相应的屈服极限和强度极限： 式中为试件的初始横载面面积。（2）根据拉伸前后试件的

7、标距长度、和横截面面积、，计算出低碳钢的延伸率和截面收缩率：2铸铁拉伸：根据测得的强度载荷Pb计算机铸铁的强度极限3按规定格式写出实验报告。实验报告应书写工整，报告中各类曲线和简图应用铅笔绘制，线条和图注清晰、简洁。七、注意事项1试件安装要仔细，防止偏斜或夹入部分过短。2试件安装完毕后，不得再启动控制下夹头的按钮，以免使下夹头对试件加载，损坏试件或电机。八、思考题1由实验现象和结果比较低碳钢和铸铁的力学性能有何不同？2材料相同而标距不同的两种试件其、是否相同？为什么？3低碳钢试件处于屈服阶段时，载荷为什么不能再增大？4试从不同的断口特征说明金属的两种基本破坏形式。实验二 金属材料的压缩试验一、

8、实验目的1测定压缩时铸铁的强度极限 并与拉伸实验作比较。2观察铸铁在压缩过程中所出现的各种变形和破坏现象，分析其破坏原因。二、实验设备和仪表1电子万能试验机或液压万能试验机2游标卡尺三、试件国标GB7314-87推荐了四种压缩试件；圆柱体、正方柱体、矩形板和带凸耳板。本实验采用图2-1所示的圆柱体试样。测定s和b时（即塑性材料），直径d0与高度h0应满足关系h0=2.53.5d0；只测定b时（即脆性材料）， 图2-1 圆柱体压缩试件可使用h0=12d0的试样。d0的大小为1020mm。述因素，国标GB7314-87规定，压缩试件采用的圆柱形试件（如图2-1）。四、实验原理及方法低碳钢是典型的塑

9、性材料，其压缩时的曲线如图22所示。在屈服阶段以后，试样横截面面积会不断增大，抗压能力不断提高，因而测不到压缩强度极限。铸铁是典型的脆性材料，在压缩时并无屈服阶段，其曲线如图23所示，当对试件加至极限载荷时，试件在压缩变形很小时就突然发生剪断破坏，断面与试件轴线的夹角大约为45º55º，这是由 图 2-2 低碳钢压缩曲线 于脆性材料的抗剪强度低于抗压强度。此时，测力主动针迅速回零，由从动针可读出值，于是即可确定铸铁的强度极限。 一般地，铸铁受压与拉伸有明显的差别，压缩时曲线上虽然没有屈服阶段，但曲线明显变弯，断裂时有明显的塑性变形，且压缩强度极限远远大于拉伸时的强度极限。由

10、于试件承受压缩时，上下两端面与压头之间有很大的摩擦力，使试件两端的横向变形受到阻碍，故压缩后试件呈鼓形，且导致测得的抗压强度比实际的偏高，试件越短，这种影响越明显。但如果试件过长，又容易产生失稳现象，因此抗压能力与试件尺寸有关。由此可见，压缩试验是有条件性的，在相同条件下，才能对不同材 图 2-3 铸铁压缩曲线 料的性能进行比较。 实验时，在试件两端面涂以润滑剂，以减少摩擦力的影响。当试件两端面稍有不平行时，利用试验机上球形垫板自动调节，保证压力通过试件的轴线。 五、实验步骤1用游标卡尺在试件中点和两端三个地方互相垂直的两个方向各测量一次，以其各点平均直径的最小值计算初始横截面面积，再测量试件

11、高度。2根据估计的最大载荷选择试验机量程。3把压缩试件放置于试验机的两个承压垫板之间，并对准轴线进行安装。4开动试验机，当试件与上支撑垫接近时，应减慢活动台上升的速度，以免突然加载。试件受力后，要控制加载速度，使载荷缓慢匀速增加。加载至试件断裂后卸载，记录极限载荷。5实验完毕，仪器设备恢复原状，清理现场，检查实验记录是否齐全，并请指导教师签字后离开。六、实验结果处理1根据实验记录，铸铁的压缩实验的强度极限可由下式得到：式中为试件的初始横载面面积。2画出试件的破坏形状图，并分析其破坏原因。3按规定格式写出实验报告。实验报告应书写工整，报告中各类曲线和简图应用铅笔绘制，线条和图注清晰、简洁。4实验

12、后，试件上若有冶金缺陷（如分层、汽泡、夹渣及缩孔等），应在实验记录及报告中注明。七、注意事项1.压缩实验时必须加用垫块。2压缩过程中，不要靠近试件观看，以防试件破坏时碎屑飞出伤人。试件破坏后，应及时卸载，以免压碎。八、思考题1.为什么铸铁试件沿着与轴线越成45º55º的倾斜面破坏？2.铸铁压缩时应力应变曲线和拉伸时有何不同？实验三 纯弯梁的正应力试验一、实验目的：1、测定梁在纯弯曲时某一截面上的应力及其分布情况。2、观察梁在纯弯曲情况下所表现的虎克定律，从而判断平面假设的正确性。3、实验结果与理论值比较,验证弯曲正应力公式=My/Iz的正确性4、。测定泊松比。二、实验梁的安

13、装示意图图3-1 纯弯梁实验安装图1.纯弯梁的正应力的分布规律实验装置其装置如图3-1所示。 2.纯弯梁的安装与调整：在如图3-1所示位置处，将9.拉压力传感器安装在8.蜗杆升降机构上拧紧，将2.支座(两个)放于如图所示的位置,并对于加力中心成对称放置,将纯弯梁置于支座上,也称对称放置,将4.加力杆接头(两对)与6.加力杆(两个)连接,分别用3.销子悬挂在纯弯梁上,再用销子把11.加载下梁固定于图上所示位置,调整加力杆的位置两杆都成铅垂状态并关于加力中心对称。摇动7.手轮使传感器升到适当位置，将10.压头放如图中所示位置,压头的尖端顶住加载下梁中部的凹槽,适当摇动手轮使传感器端部与压头稍稍接触

14、。检查加载机构是否关于加载中心对称,如不对称应反复调整。3.纯弯梁的贴片：图3-2 纯弯梁贴片图5、4分别位于梁水平上、下平面的纵向轴对称中心线上，1片位于梁的中性层上,2、3片分别位于距中性层和梁的上下边缘相等的纵向轴线上,6片与5片垂直，如图3-2所示 三、实验原理图3-3 纯弯梁受力图图3-3为试样受力图为了测量应变随试样截面高度的分布规律，应变片的粘贴位置如图3.2所示。这样可以测量试件上下边缘、中性层及其他中间点的应变，便于了解应变沿截面高度变化的规律。表3-1原始参数表材 料弹模(GPa)几何参数应变片参数应变仪灵敏系数 K仪b（cm）h（cm）a（cm）灵敏系数 K片电阻值()碳

15、钢2102.04.010.02.001202.0由材料力学可知，矩形截面梁受纯弯时的正应力公式为 式中：M为弯矩；y为中性轴至欲求应力点的距离；为横截面对z轴的惯性矩。本实验采用逐级等量加载的方法，每次增加等量的载荷P，测定各点相应的应变增量一次，即：初载荷为零，最大载荷为4kN，等量增加的载荷P为500N。分别取应变增量的平均值(修正后的值)，求出各点应力增量的平均值。 把测量得到的应力增量与理论公式计算出的应力增量加以比较，从而可验证公式的正确性，上述理论公式中的按下式求出：材料力学中还假设梁的纯弯曲段是单向应力状态，为此在梁上（或下）表面横向粘贴6应变片，可测出，可由（横/纵）计算得到，

16、从而验证梁弯曲时近似于单向应力状态。四、实验步骤1. 确认纯弯梁截面宽度 b=20mm,高度 h=40mm,载荷作用点到梁两侧支点距离c=100mm 。2. 将传感器连接到BZ 2208-A测力部分的信号输入端，将梁上应变片的公共线接至应变仪任意通道的A端子上，其它接至相应序号通道的B端子上，公共补偿片接在公共补偿端子上。检查并纪录各测点的顺序。3. 打开仪器，设置仪器的参数，测力仪的量程和灵敏度设为传感器量程、灵敏度。4. 本实验取初始载荷P0=0.5KN（500N），Pmax=2.5KN(2500N)，P=0.5KN(500N)，以后每增加载荷500N，记录应变读数i，共加载五级，然后卸载

17、。再重复测量，共测三次。取数值较好的一组，记录到数据列表中。5. 实验完毕，卸载。实验台和仪器恢复原状。五、实验结果（1）求出各测量点在等量载荷作用下，应变增量的平均值。（2）以各测点位置为纵坐标，以修正后的应变增量平均值为横坐标，画出应变随试件截面高度变化曲线。（3）根据各测点应变增量的平均值，计算测量的应力值。（4）根据实验装置的受力图和截面尺寸，先计算横截面对z轴的惯性矩，再应用弯曲应力的理论公式，计算在等增量载荷作用下，各测点的理论应力增量值。（7）比较各测点应力的理论值和实验值，并按下式计算相对误差 在梁的中性层内，因，故只需计算绝对误差。（8）比较梁中性层的应力。由于电阻应变片是测

18、量一个区域内的平均应变，粘贴时又不可能正好贴在中性层上，所以只要实测的应变值是一很小的数值，就可认为测试是可靠的。 六、实验记录表格表3-2 测点位置测点编号12345测点至中性层的距离 y(mm)表3-3 实验记录载荷P(N)应变仪读数单位：(10-6) 泊松比112233445566=6/5-500-1000-1500-2000-2500表3-4 实验结果测 点 编 号12345应变修正值应力实验值()应力理论值()误差e()实验四 等强度梁试验一、实验目的：1、学习应用应变片组桥，检测应力的方法2、验证变截面等强度实验3、掌握用等强度梁标定灵敏度的方法4、学习静态电阻应变仪的使用方法图4

19、1 等强度梁安装图二、实验梁的安装示意图1.等强度梁的正应力的分布规律实验装置其装置如图4-1所示。 2.等强度梁的安装与调整：在如图4-1所示位置处，将6.拉压力传感器安装在5.蜗杆升降机构上拧紧，顶部装上7.压头。摇动4.手轮使之降到适当位置，以便不妨碍等强度梁的安装。将等强度梁如图放置，调整梁的位置使其端部与2.紧固盖板对齐，转动手轮使6.压头与梁的接触点落在实验梁的对称中心线上。调整完毕，将1.紧固螺钉（共四个）用扳手全部拧紧。图22 等强度梁实物3.等强度梁的贴片：等强度梁实物如图4-2图42 等强度梁贴片图1、2、3片分别位于梁水平上平面的纵向轴对称中心线上，1、3片关于2片成左右

20、对称分布，如图4-2所示三、实验原理1 电阻应变测量原理电阻应变测试方法是用电阻应变片测定构件的表面应变，再根据应变应力关系（即电阻-应变效应）确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是以粘贴在被测构件表面上的电阻应变片作为传感元件，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，利用电阻应变仪将此电阻值的变化测定出来，并换算成应变值或输出与此应变值成正比的电压（或电流）信号，由记录仪记录下来，就可得到所测定的应变或应力。图43 电阻应变片基本构造示意图2 电阻应变片电阻应变片一般由敏感栅、引线、基底、覆盖层和粘结剂组成，图4-3所示为其构造简图。3 测量电路原理通过在试件上粘贴

21、电阻应变片，可以将试件的应变转换为应变片的电阻变化，但是通常这种电阻变化是很小的。为了便于测量，需将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）信号，再通过电子放大器将信号放大，然后由指示仪或记录仪指示出应变值。这一任务是由电阻应变仪来完成的。而电阻应变仪中电桥的作用是将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）信号。电桥根据其供电电源的类型可分为直流电桥和交流电桥，下面以直流电桥为例来说明其电路原理。31 电桥的平衡图44 测量电桥直流电桥如图4-4所示，电桥各臂R1、R2、R3、R4可以全部是应变片（全桥式接法），也可以部分是应变片，其余为固定电阻，如当R1、R2为应变片，R3、R4接精密无感固定电阻时

22、，称为半桥式接法。桥路AC端的供桥电压为E，则在桥路BD端的输出电压为： 由上式可知，当桥臂电阻满足: R1R3=R2R4时，电桥输出电压U=0 ，称为电桥平衡。32 电桥输出电压设起始处于平衡状态的电桥各桥臂（应变片）的电阻值都发生了变化，即此时电桥输出电压的变化量为：可进一步整理为对以下常用的测量电路，该输出电压的变化可作进一步简化：a) 全等臂电桥在上述电桥中，各桥臂上的应变片的起始电阻值全相等，灵敏系数K也相同，于是 ，以代入上式，得b) 半等臂电桥当R1、R2为起始电阻值和灵敏系数K都相同的应变片，R3、R4接精密无感固定电阻，此时 c) 1/4电桥当R1、R2起始电阻值相同，R1为

23、灵敏系数K的应变片，R2、R3、R4接精密无感固定电阻，此时 33 电桥电路的基本特性a）在一定的应变范围内，电桥的输出电压与各桥臂电阻的变化率或相应的应变片所感受的（轴向）应变成线性关系；b）各桥臂电阻的变化率或相应的应变片所感受的应变对电桥输出电压的变化的影响是线形叠加的,其叠加方式为: 相邻桥臂异号, 相对桥臂同号。充分利用电桥的这一特性不仅可以提高应变测量的灵敏度及精度，而且可以解决温度补偿等问题。四、实验步骤1. 把等强度梁安装于实验台上，注意加载点要位于等强度梁的轴对称中心。2. 将传感器连接到BZ 2208-A测力部分的信号输入端，将梁上应变片的导线分别接至应变仪任1-3通道的A

24、、B端子上，公共补偿片接在公共补偿端子上。检查并纪录各测点的顺序。3. 打开仪器，设置仪器的参数，测力仪的量程和灵敏度。4. 本实验取初始载荷P0=20N，Pmax=100N，P=20N，以后每增加载荷20N，记录应变读数i，共加载五级，然后卸载。再重复测量，共测三次。取数值较好的一组，记录到数据列表中。5. 未知灵敏度的应变片的简单标定：沿等强度梁的中心轴线方向粘贴未知灵敏度的应变片,焊接引出导线并将引出导线接4通道的A、B端子，重复以上3.4 步。6. 实验完毕，卸载。实验台和仪器恢复原状。五、实验记录表4-1载荷P(N)应变仪读数单位：(10-6) 1 1223344-20-40-60-

25、80-100平均值已知未知灵敏度=2.00×未知/已知实验五 同心拉杆试验一、实验目的：1测定低碳钢的弹性模量E。2验证虎克定律（最大载荷4KN）二、实验梁的安装示意图1.同心拉杆实验装置2. 同心拉杆的安装与调整：如图5-1所示，将3.拉压力传感器安装在2.蜗杆升降机构上拧紧，将4拉伸杆接头(两个)安装在如图所示的位置拧紧,摇动1.手轮使传感器升到适当位置，将5.同心拉杆用销子安装在拉伸杆接头的凹槽内,应调整支座的位置，使同心拉杆处于自由悬垂状态。3. 同心拉杆的贴片：图5-2 为同心拉杆实物图只贴一枚应变片，贴于梁水平上图 5-1 为同心拉杆实验安装图平面的纵向轴对称中心线上。

26、三、实验原理图5-2 同心拉杆实物图低碳钢弹性模量E的测定由材料力学可知，弹性模量是材料在弹性变形范围内应力与应变的比值，即因为，所以弹性模量E又可表示为 式中： E 材料的弹性模量 应力， 应变，P 实验时所施加的载荷，A以试件截面尺寸的平均值计算的横截面面积对于两端铰接的同心拉杆，加力点都位于拉杆纵向轴线上，所贴应变片也位于拉杆纵向轴线上，此时该测点的应力状态可认为是单向应力状态，即只有一个主应力，满足虎克定律，由于材料在弹性变形范围内，与成正比，所以当试件受到载荷增量P与应变增量 的比值即为E：所以，用游标卡尺测量试件的截面尺寸可计算出横截面面积A，由拉压力传感器接测力仪即可得到所加载荷

27、增量P的大小，再把应变片引线与应变仪相连，就可得到该截面处以加载荷增量P变化时应变增量。这样就可计算出弹性模量E。四、实验步骤1. 将拉压力传感器与测力仪连接, 接通电源, 打开仪器开关，设置测力仪参数，测力仪量程、灵敏度（设为传感器量程、灵敏度）。2. 将试件上应变片接至应变仪一通道的A端子上，公共补偿片接在公共补偿端子上。3. 设置应变仪，然后转入测量状态。4. 本实验取初始载荷P0=200N，Pmax=1000N，P=200N，以后每增加载荷200N，记录应变读数，共加载五级，然后卸载。实验台和仪器恢复原状。五、实验记录表格表5-1 实验记录载荷P(N)2004006008001000应

28、变仪读数 单位：(10-6) A（m2）(Pa)实验六 弯扭组合变形试验一、实验目的1测量薄壁圆管在弯曲和扭转组合变形下，其表面一点的主应力大小及方位。2掌握用电阻应变花测量某一点主应力大小及方位的方法。3将测点主应力值与该点主应力的理论值进行分析比较。二、实验装置及仪器1弯扭组合变形实验装置如图所示，装置上的薄壁圆管一端固定，另一端自由。在自由端装有与圆管轴线垂直的加力杆，该杆呈水平状态。载荷F作用于加力杆的自由端。此时，薄壁圆管发生弯曲和扭转的组合变形。在距圆管自由端为L1的横截面的A上顶面和B下底面处各贴有一个45°应变花如图。设圆管的外径为D，内径为d，载荷作用点至圆管轴线的距离为L2。 簿壁圆管主应力测量装置2静态电阻应变仪。3游标卡尺、钢尺等。三、试验步骤1打开应变仪电源，预热。2. 贴应变片3接线将应变片1-6按上方A点、下方B点、的多点1/4桥公共补偿法对各测量片接线，即将试样上的应变片分别接在应变仪所选1-6通道的A、B端。所选通道B、B间的连接片均应连上。将补偿片接在补偿1的接线端子上。4设置参数（1）测力通道（0通道）应设置二个参数。按、键，0通道和全桥形式指示灯亮。（注：i键的作用是保存数据，并回到待用状态；ii若0通道指示灯未亮，而10通道指示灯亮，则再按一下0/10键，就能切换至0通道，因为0、10两通道共