工程力学实验指导书

工程力学实验指导书班级：学号：姓名：南昌大学工程力学实验中心

目录实验一金属材料的拉伸及弹性模量测定试验 2实验二金属材料的压缩试验 6实验三复合材料拉伸实验 8实验四金属扭转破坏实验、剪切弹性模量测定 14实验五电阻应变片的粘贴技术及测试桥路变换实验 18实验六弯曲正应力电测实验 21实验七叠（组）合梁弯曲的应力分析实验 24实验八弯扭组合变形的主应力测定 27实验九偏心拉伸实验 31实验十偏心压缩实验 34实验十一组合结构应力测试实验 37实验十二金属轴件的高低周拉、扭疲劳演示实验 39实验十三冲击实验 42实验十四压杆稳定实验 46实验十五组合压杆的稳定性分析实验 49实验十六光弹性实验 52实验十七单转子动力学实验 58实验十八单自由度系统固有频率和阻尼比实验 63

实验一金属材料的拉伸及弹性模量测定试验一、实验目的与要求1．观察低碳钢和铸铁在拉伸试验中的各种现象。2．测绘低碳钢和铸铁试件的载荷―变形曲线(F―Δl曲线)。3．测定低碳钢的拉伸屈服点σs、抗拉强度σb、伸长率ψ、断面收缩率δ和铸铁的抗拉强度σb。4．测定低碳钢的弹性模量E。5．观察低碳钢在拉伸强化阶段的卸载规律及冷作硬化现象。6．比较低碳钢(塑性材料)和铸铁(脆性材料)的拉伸力学性能。二、实验设备和仪器1．微机控制电子万能试验机。2．电子式引伸计。3．游标卡尺。4．钢尺。三、实验原理与方法金属材料的屈服点σs、抗拉强度σb、伸长率ψ和断面收缩率δ是由拉伸试验测定的。试验采用的圆截面短比例试样按国家标准(GB/T228-2002)制成，如图1-1所示。这样可以避免因试样尺寸和形状的影响而产生的差异，便于各种材料的力学性能相互比较。图中：d0为试样直径，l0为试样的标距，并且短比例试样要求l0=5d0。国家标准中还规定了其他形状截面的试样，可适用于从不同的型材和构件上制备试样。图1-1金属拉伸试验应遵照国家标准(GB/T228-2002)在微机控制电子万能试验机上进行，在实验过程中，与微机控制电子万能试验机联机的微型电子计算机的显示屏上实时绘出试样的拉伸曲线(也称为F―Δl曲线)，如图1-2所示。图1-2低碳钢试样的拉伸曲线(图1-2a)分为四个阶段―弹性、屈服、强化、局部变形阶段。如果在强化阶段卸载，F―Δl曲线会从卸载点开始向下绘出平行于初始加载弹性阶段直线的一条斜直线，表明它服从弹性规律。如若重新加载，F―Δl曲线将沿此斜直线重新回到卸载点，并从卸载点接续原强化阶段曲线继续向前绘制。此种经过冷拉伸使弹性阶段加长、弹性极限提高，塑性下降的现象，工程中称为冷作硬化现象。铸铁试样的拉伸曲线(图1-2b)比较简单，既没有明显的直线段，也没有屈服阶段，变形很小时试样就突然断裂，断口与横截面重合，断口形貌粗糙。抗拉强度σb较低，无明显塑性变形。与电子万能试验机联机的微型电子计算机自动给出低碳钢试样的屈服载荷Fs。、最大载荷Fb和铸铁试样的最大载荷Fb。取下试样测量试样断后最小直径d1和断后标距l1，由下述公式，，，可计算低碳钢的拉伸屈服点σs、抗拉强度σb、伸长率δ，和断面收缩率ψ；铸铁的抗拉强度σb。如若实验前将试样的初始直径d0，初始标距长度l0等数据输入微型计算机，微型计算机可绘出应力-应变(σ-ε)曲线，并在实验结束后给出该材料的屈服点σs和抗拉强度σb。应当指出，上述所测定的力学性能均为名义值，工程应用较为方便，称为工程应力和工程应变。由于试样受力后其直径和长度都随载荷变化而改变，真实应力和真实应变须用试样瞬时截面积和瞬时标距长度进行计算。注意到试样在屈服前，其直径和标距变化很小，真应力和真应变与工程应力和工程应变差别不大。试样屈服以后，其直径和标距都有较大的改变，此时的真应力和真应变与工程应力和工程应变会有较大的差别。低碳钢的弹性模量E由以下公式计算：式中ΔF为相等的加载等级，Δl为与ΔF相对应的变形增量。四、实验步骤1．分别测量两种试样的初始直径d0和初始标距长度l0：在试样标距段的两端和中间三处测量试样直径，每处直径取两个相互垂直方向的平均值，做好记录。三处直径的最小值取作试样的初始直径d0。用扎规和钢板尺测量低碳钢试样的初始标距长度l0。2．熟悉微机控制电子万能试验机的操作方法，运行测试应用程序POWERTEST3.0，并开启控制器电源。3．在试验机上装夹低碳钢试样：先用上夹头卡紧试样一端，然后提升试验机活动横梁，使试样下端缓慢插入下夹头的V形卡板中，锁紧下夹头。4．在试样的试验段上安装引伸计，注意安装后须轻轻拔出引伸计定位销钉。5．在微型电子计算机测试应用程序界面中执行以下操作：1）设置实验条件，主要有试验形式(如拉伸)、载荷、变形量程、加载速度、试样编号、尺寸、材料等。设置完毕，可自定义文件名并确定工作目录后存盘；2）单击界面左侧“试验”按钮，开始实验；3）当载荷―变形(F―Δl)曲线进入强化阶段后，单击界面左侧“上升”按钮，进行卸载。当载荷卸至1kN左右时再单击界面左侧“下降”按钮，重新加载。并注意观察低碳钢的卸载规律和冷作硬化现象。6．继续实验，注意观察试样的变形情况和“颈缩”现象，试样断裂后立即单击应用程序界面左侧“结束实验”按钮。7．插好引伸计销钉后拆卸引伸计。然后取下试样，测量断后最小直径d1，断后标距长度l1。8．测量铸铁试样的初始直径，并将之装卡在试验机的卡板中(与低碳钢试样测量、装夹方法相同)。重复实验步骤4～5，进行铸铁试样拉伸实验。9．在实验教师指导下读取实验数据，打印曲线。10．经实验指导教师检查实验结果后，结束实验并整理实验现场。五、实验注意事项1．为避免损伤试验机的卡板与夹头，同时防止铸铁试样脆断飞出伤及操作者，应注意装卡试样时，横梁移动速度要慢，使试样下端缓慢插入下夹头的V形卡板中，不要顶撞卡板顶部；试样下端不要装卡过长，以免顶撞夹头内部装配卡板用的平台。2．为保证实验顺利进行，试验时要读取正确的试验条件，严禁随意改动计算机的软件配置。3、装夹、拆卸引伸计时，要注意插好定位销钉，实验时要注意拔出定位销钉，以免损坏引伸计。六、思考题1．根据低碳钢和铸铁的拉伸曲线比较两种材料的力学性质。2．为什么加载速度要缓慢?3．为什么拉伸试验必须采用标准试样或定标距试样?4．什么是卸载规律和冷作硬化现象?试举两例说明冷作硬化现象的工程应用。

实验二金属材料的压缩试验一、实验目的与要求1．测定低碳钢的压缩屈服点σs和铸铁的抗压强度σc。2．观察铸铁试样的破坏断口，分析破坏原因。3．分析比较两种材料拉伸和压缩性质的异同。二、实验设备和仪器1．微机控制电子万能试验机。2．游标卡尺。3．钢尺。三、实验原理与方法金属材料的压缩屈服点σs和抗压强度σb，由压缩试验测定。按试验规范(GB7314-87)要求，压缩试样应制成短圆柱形(参看图2-1)。图2-1 图2-2分析和实验均表明，压缩试验时，试样的上、下端面与试验机支承垫之间会产生很大的摩擦力(参看图2-2)，这些摩擦力将阻碍试样上部和下部产生横向变形，致使测量得到的抗压强度偏高。因而应采取措施(磨光或加润滑剂)减少上述摩擦力。注意到试样的高度也会影响实验结果，当试样高度h0增加时，摩擦力对试样中段的影响减少，对测试结果影响较小。此外，如若试样高度直径比(h0／d0)较大，极易发生压弯现象，抗压强度测量值也不会准确。所以压缩试样的高度与直径的比值(h0／d0)一般规定为1≤h0／d0≤3。此外，还须设法消除压缩载荷偏心的影响。进行低碳钢压缩试验时，为测取材料的压缩屈服点σs，应缓慢加载，同时仔细观察F—Δl曲线的发展情况，曲线由直线变为曲线的拐点处所对应的载荷即为屈服载荷Fs。材料屈服之后开始强化，由于压缩变形使试样的横截面积不断增大，尽管载荷不断增大，但是，直至将试样压成饼形也不会发生断裂破坏，如图2-3所示。因此无法测量低碳钢的抗压强度Fb，压缩试验载荷—变形曲线如图2-3所示。图2-3 图2-4铸铁压缩试验时，由压缩试验载荷—变形曲线(图2-4)可看出，随着载荷的增加，破坏前试样也会产生较大的变形，直至被压成“微鼓形”之后才发生断裂破坏，破坏的最大载荷即为断裂载荷。破坏断口与试样加载轴线约成45º角(如图2-4)。由于单向拉伸、压缩时的最大切应力作用面与最大正应力作用面约成45º角，因此，可知上述破坏是由最大切应力引起的。仔细观察试样断口的表面，可以清晰地看到材料受剪切错动的痕迹。四、实验步骤1．测量试样尺寸：用游标卡尺测量试样高度h0，测量试样两端及中部三处截面的直径，每处直径为相互垂直方向直径的平均值，取三处直径中的最小值为初始直径d0，并用其计算截面初始面积A0。2．熟悉微机控制电子万能试验机的操作方法，运行测试应用软件POWETEST3.0并开启控制器电源。3．把低碳钢试样放置在试验机球形支承座的中心位置上，试样上下一般都要放置坚硬平整的垫块，用以保护试验机压头及支承座，并可调整试验区间的高度，减少空行程。4．在微型电子计算机测试应用程序界面中执行以下操作：1）设置实验条件，主要有试验形式(如压缩)、载荷、变形量程、加载速度、试样编号、尺寸、材料等。设置完毕，可自定义文件名并确定工作目录后存盘；2）单击界面左侧“试验”按钮，开始实验；3）注意观察载荷—变形(F-Δl)曲线，找出压缩屈服点，进入强化阶段后，观察试样变形，由于试样为塑性材料，试样压成饼形也不会发生断裂破坏，因此无法测量低碳钢的抗压强度，试样发生较明显变形后，可以卸载。5．铸铁压缩试验的步骤与低碳钢压缩相同。但因铸铁破坏是脆断，试样发生一定变后，会发生断裂破坏，为防止试样压断时可能有碎屑崩出，试验前应在试样周围加设有机玻璃防护罩。铸铁压缩试验只能测得试样的断裂载荷Fb。注意观察试样断裂后的变形和断口的表面形貌。6．根据实验中测得数据，由式σs=Fs/A0计算低碳钢的压缩屈服点，由式σb=Fb/A0计算铸铁的抗压强度，其中A0为试样截面原始面积。7．经实验指导教师检查实验结果后，结束实验并整理实验现场。五、实验注意事项1．为保证实验顺利进行，试验时要读取正确的试验条件，严禁随意改动计算机的软件配置。2．铸铁压缩实验加载前要设置好试验机的有机玻璃防护罩，以免金属碎屑飞出发生危险。六、思考题1．比较铸铁的抗拉强度和抗压强度并分析脆性材料的力学性能特点。2．为什么无法测取低碳钢的抗压强度?3．由低碳钢和铸铁的拉伸、压缩试验结果，比较塑性材料与脆性材料的力学性质。4．为什么铸铁试样压缩时沿着与加载轴线约成450的斜截面破坏?

实验三复合材料拉伸实验一、实验目的1．测定拉伸强度σb。2．测定弹性模量E。3．测定割线弹性模量Es。4．测定破坏(或最大载荷)伸长率εt。二、实验设备和仪器1．微机控制电子万能实验机。2．电阻应变仪。三、实验试样1．试样形状试样形状如图3-1(a)、(b)、(c)所示。图3-1(a)复合材料=1\*ROMANI型试样；(b)复合材料=2\*ROMANII型试样，(c)复合材料=3\*ROMANIII型试样I型试样——适用于测定玻璃纤维织物增强热塑性和热固性塑料板材的拉伸强度；II型试样——适用于测定玻璃纤维织物增强热固性塑料板材的拉伸强度；III型试样——仅适用于测定模压短切玻璃纤维增强塑料的拉伸强度；而测定该材料的其它拉伸性能时仍用I型或Ⅱ型试样。表3-1所示的为=1\*ROMANI型、=2\*ROMANII型试样尺寸。表3-2所示的为模压拉伸试样尺寸。2．试样制备1）I型、I型试样采用机械加工法制备，重型试样采用模塑法制备2）I型试样加强片的材料、尺寸及其粘结。①加强片材料采用与试样相同的材料或铝板材料。②加强片尺寸：其厚度为2-3mm。表3-1I型、II型试样尺寸单位：mm表3-2模压拉伸试样尺寸单位；mm其宽度为，采用单根试样粘结时，加强片的宽度就取为试样的宽度，若采用整体粘结后再加工成单根试样，则宽度应满足所要加工试样的要求。③加强片的粘结。用细砂纸打磨(或喷砂)粘结表面，注意不应损伤材料强度。然后用溶剂(如丙酮)清洗粘结表面，再用韧性较好的室温固化胶(如环氧胶粘剂)粘结。注意：要对试样粘结部位加压一定的时间。3．试样数量必须保证有5个有效试样。四、实验原理复合材料拉伸试验适用于测定玻璃纤维织物增强塑料板材和短切玻璃纤维增强塑料的拉伸力学性能。在假设材料均匀、各向同性、应力应变关系符合胡克定律的前提下，其力学性能一般仍按材料力学公式计算。但对纤维增强塑料实际上不太符合这些假设，试验过程中不完全符合胡克定律，在超过比例极限以后，往往在纤维和树脂的粘结面处会逐步出现微裂缝，形成一个缓慢的破坏过程，这时，要记下其发出的声响和试样表面出现白斑时的载荷，并绘制其破坏图案。拉伸实验是指在规定的温度((232)oC)，湿度(相对湿度45%～55%)和试验速度下，沿试样纵轴方向施加拉伸载荷使其破坏的实验。其相应的材料力学性能指标如下。1．拉伸强度σb当试样拉伸至最大载荷时，记录该瞬时载荷，由下式计算拉伸强度：式中：Fmax为试验最大载荷；b为试样宽度；h为试样厚度。2．弹性模量E试样是预先按规定方向(如板的纵向和横向)切割而成的，使各向异性材料转变为单向取样测量，故可假定在这种形式的试样上其应力、应变关系服从胡克定律，其拉伸弹性模量E可表示为：式中：ΔF为载荷—位移曲线上初始直线段的载荷增量；Δl为与载荷增量ΔF对应的标距l0内的位移增量。3．割线弹性模量Es若材料的拉伸应力—应变曲线没有初始直线段，则可测定其规定应变下的割线弹性模量，它是曲线上原点和规定应变相对应点的连线的斜率，称之为拉伸割线弹性模量，由下式计算：式中：Es为在0.1%、0.2%或0.4%应变下的拉伸割线弹性模量；F为载荷—位移曲线上产生规定应变时的载荷；Δls为与载荷F对应的标距l0内的变形值。4．破坏(或最大载荷)伸长率εt试样拉伸破坏时或最大载荷处的伸长率，称为破坏(或最大载荷)伸长率，记为εt(%)，按下式计算：式中：Δlb为试样拉伸破坏时或最大载荷处标距l0内的伸长量。五、实验步骤1．试样准备试验前，试样在试验标准环境中至少放置24h。不具备环境条件者，试样可在于燥器内至少放置24h。用游标卡尺在试样工作段内的任意三处，测量其宽度和厚度，取算术平均值。2．试验机和仪器准备1）设定试验机的加载速度。测定拉伸强度时，I型试样的加载速度为l0mm/min；I型、=3\*ROMANIII型试样的加载速度为5mm/min；测定拉伸弹性模量等时，加载速度一般为2mm/min。2）预估最大载荷，设定加载力值。3）夹持试样，使试样的中心线与上、下夹具的对准中心线一致，并在试样工作段安装电子引伸计，施加初载(约为破坏载荷的5%)。4）将电子引伸计、电阻应变仪、控制电脑相连接。3．试验加载，自动记录载荷—变形曲线。连续加载至试样破坏，记录破坏载荷(或最大载荷)及试样破坏形式。必须指出：在试样拉伸过程中，一要注意听有否开裂声，二要注意观察试样表面上有否白斑出现。当发出开裂声和有白斑出现时，应记录此时的载荷，此时，拉伸应力—应变曲线形成折线，形成所谓第一弹性模量和第二弹性模量问题。形成第二弹性模量是复合材料的特点，其原因是，在受力状况下树脂和纤维延伸率不同，在界面处出现开裂，此时，复合材料中有缺陷的纤维先行断裂，使纤维总数少于起始状态时的数量，相应每根纤维上受力增加，形变也就增加，致使弹性模量降低。若试样出现以下情况，则试验无效：1）试样破坏在内部缺陷明显处。2）I型试样破坏在夹具内或圆弧处；重型试样破坏在夹具内，或试样断裂处离夹紧处的距离小于l0mm。4．试验结果处理与分析1）通过记录曲线，采集载荷与相应的变形值，计算得到拉伸强度、弹性模量(或拉伸割线弹性模量)和伸长率。2）II型试样破坏在非工作段时，仍用工作段横截面积来计算，记录试样断裂位置。

实验四金属扭转破坏实验、剪切弹性模量测定一、实验目的和要求1．测定低碳钢的剪切屈服点、抗剪强度和铸铁的抗剪强度，观察扭矩—扭转角曲线（T-φ曲线）。2．观察两类材料试样扭转破坏断口形貌，并进行比较和分析。3．测定低碳钢的切变模量G。4．验证圆截面杆扭转变形的胡克定律（）。二、实验设备和仪器1．微机控制扭转试验机。2．游标卡尺等。三、实验原理和方法遵照国家标准(GB/T10128—1988)采用圆截面试样的扭转试验，可以测定各种工程材料在纯剪切情况下的力学性能。如材料的剪切屈服点和抗剪强度等。圆截面试样须按上述国家标准制成(如图4-1所示)。试样两端的夹持段铣削为平面，这样可以有效地防止试验时试样在试验机卡头中打滑。图4-1试验机软件的绘图系统可绘制扭矩一扭转角曲线，简称扭转曲线（图4-2a、b中的T—φ曲线）。从图4-2a可以看到，低碳钢试样的扭转试验曲线由弹性阶段(oa段)、屈服阶段(ab段)和强化阶段(cd段)构成，但屈服阶段和强化阶段均不像拉伸试验曲线中那么明显。由于强化阶段的过程很长，图中只绘出其开始阶段和最后阶段，破坏时试验段的扭转角可达以上。a）低碳钢b)铸铁图4-2图4-2b所示的铸铁试样扭转曲线可近似地视为直线(与拉伸曲线相似，没有明显的直线段)，试样破坏时的扭转变形比拉伸破坏时的变形要明显得多。从扭转试验机上可以读取试样的屈服扭矩Ts和破坏扭矩Tb。由和计算材料的剪切屈服点和抗剪强度，式中：为试样截面的抗扭截面系数。需要指出的是，对于塑性材料，采用实心圆截面试样测量得到的剪切屈服点和抗剪强度，高于薄壁圆环截面试样的测量值，这是因为实心圆截面试样扭转时横截面切应力分布不均匀所致。当圆截面试样横截面的最外层切应力达到剪切屈服点时，占横截面绝大部分的内层切应力仍低于弹性极限，因而此时试样仍表现为弹性行为，没有明显的屈服现象。当扭矩继续增加使横截面大部分区域的切应力均达到剪切屈服点时，试样会表现出明显的屈服现象，此时的扭矩比真实的屈服扭矩Ts要大一些，对于破坏扭矩Tb也会有同样的情况。低碳钢试样和铸铁试样的扭转破坏断口形貌有很大的差别。图4-3a所示低碳钢试样的断面与横截面重合，断面是最大切应力作用面，断口较为平齐，可知为剪切破坏；图4-3b所示铸铁试样的断面是与试样轴线成450角的螺旋面，断面是最大拉应力作用面，断口较为粗糙，因而是最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。图4-3材料的切变模量G遵照国家标准(GB/T10128—1988)可由圆截面试样的扭转试验测定。在弹性范围内进行圆截面试样扭转试验时，扭矩厂与扭转角中之间的关系符合扭转变形的胡克定律，式中：为截面的极惯性矩。当试样长度l和极惯性矩Ip均为已知时，只要测取扭矩增量ΔT和相应的扭转角增量ΔΦ，可由式计算得到材料的切变模量。实验通常采用多级等增量加载法，这样不仅可以避免人为读取数据产生的误差，而且可以通过每次载荷增量和扭转角增量验证扭转变形胡克定律。注意到三个弹性常数E，μ，G之间的关系，由材料手册查得材料的弹性模量E和泊松比μ，计算得到材料的切变模量，如将计算值取作真值，可将测试得到的G值与值进行比较，检验测试误差。四、实验步骤1．测量试样直径d0，长度L；2．装夹试样（操作方法参见试验机使用手册）；3．进入PowerTest软件，选择剪切弹性模量测定试验方案；4．按软件“运行”键，开始试验。5．记录多级等增量加载实验数据。6．选择金属扭转破坏试验方案。7．按软件“运行”键，开始试验。8．试样被扭断后停机，取下试样，注意观察试样破坏断口形貌。9．记录实验数据。10．请指导教师检查原始记录并签字后，结束实验。将试验机复位并整理现场。五、实验注意事项1．推动试验机移动支座时，切忌用力过大，以免损坏试样或传感器。2．进入软件前请确定试验机电源已打开。3．退出软件前请确定试验机电源已关闭。六、思考题1．为什么低碳钢试样扭转破坏断面与横截面重合，而铸铁试样是与试样轴线成450螺旋断裂面？2．根据低碳钢和铸铁拉伸、压缩、扭转试验的强度指标和断口形貌，分析总结两类材料的抗拉、抗压、抗剪能力。3．圆截面试样拉伸试验屈服点和扭转试验剪切屈服点有什么区别和联系？4．切变模量G的物理意义。5．用拉伸（压缩）试验能否间接测量材料的切变模量G？

实验五电阻应变片的粘贴技术及测试的桥路变换实验一、实验目的1．初步掌握应变片的粘贴、接线和检查等技术。2．认识粘贴质量对测试结果的影响。3．认识1/4桥路、1/2桥路、全桥路的接线法及相互关系。二、实验要求1．每人一根试验钢梁、一块温度补偿钢块和若干枚电阻应变片（预计6片）。在试验钢梁上(沿其轴线方向)上表面、下表面和温度补偿钢块上各贴两枚应变片(图5-1)。图5-12．用自己所贴的应变片进行规定内容的测试。三、实验设备和仪器1．数字万用表、电阻应变仪、微机控制电子万能试验机。2．游标卡尺、钢直尺、烙铁。四、应变片粘贴工艺1．筛选应变片应变片的外观应无局部破损，丝栅或箔栅无锈蚀斑痕。用数字万用表逐片检查阻值（120Ω），同一批应变片的阻值相差不应超过出厂规定的范围（小于0.2Ω）。2．处理试件表面在贴片处处理出不小于应变片基底面积3倍的区域。处理的方法是：用细砂纸打磨出与应变片粘贴方向成450的交叉纹(有必要时先刮漆层，去除油污，用细砂纸打磨锈斑)。用钢针或铅笔画出贴片定位线。再用蘸有少量丙酮（或无水酒精、四氯化碳等）的脱脂棉球将贴片表面擦洗干净，清洁面积应大于处理面积，且清洁时应从中心逐渐向外擦，棉球脏后要更换新的，直至棉球洁白为止。3．粘贴应变片一手用镊子镊住（或左手拇指和食指夹住）应变片引出线，一手拿502胶瓶，在应变片底面上涂一层粘结剂，并立即将应变片放置于试件上(切勿放反)，且使应变片基准线对准定位线。用一小片聚四氟乙烯薄膜盖在应变片上，用手指均匀按压应变片，从有引线的一端向另一端沿轴线方向滚压，以挤出多余的粘结剂和气泡。注意此过程要避免应变片滑移或转动。保持1-2min后，由应变片的无引线一端向有引线一端，沿着与试件表面平行方向轻轻揭去聚四氟乙烯薄膜。用镊子将引出线与试件轻轻脱开，检查应变片是否为通路。（有条件的可使用红外线灯烘烤，提高粘接强度，但要避免聚热。）4．焊接与固定导线应变片与应变仪之间，需要用导线(视测量环境选用不同的导线——双芯多股铜芯塑料电缆、屏蔽电缆)连接。用胶纸带或其他方法把导线固定在试件上。应变片的引出线（注意其下部垫一小块绝缘胶布或透明胶带；焊接时不宜拉的过紧，最好有一定的弧形）与导线之间，通过粘贴在电阻应变片附近的接线端子片连接(图5-2)。连接的方法是用电烙铁焊接，焊接要准确迅速，防止虚焊。图5-25．检查与防护用数字万用表检查各应变片的电阻值（是否断路），检查应变片与试件间的绝缘电阻（是否短路）。如果检查无问题，应变片要作较长时间的保留，作好防潮与保护措施。防护方法的选择取决于应变片的工作条件、工作期限及所要求的测量精度。常温下可用具有良好防潮、防水功能的703硅橡胶均匀涂在电阻应变片上，涂敷面积要大于应变片基底，经8小时即可固化。也可用医用凡士林、炮油或二硫化钼等材料代替。五、实验步骤（电阻应变仪操作参见设备介绍）1．按应变片粘贴工艺完成贴片工作。2．按图5-3的形式接成1/4桥，观察是否有零漂现象。图5-3图5-43．试验钢梁加上一定载荷，记录应变仪读数，观察是否有漂移现象。4．在试验钢梁的弹性范围内，等量逐级加载，观察应变仪的读数增量。5．按图5-3的形式接成半桥，不加载荷，用白炽灯近距离照射试件上的工作片，观察应变仪读数。6．把工作片R和温度补偿片Rt，在电桥中的位置互换，在相同载荷作用下，观察应变仪的读数区别。7．按图5-4的形式分别接成半桥、全桥，重复（2）、（3）、（4）六、思考题1．在温度补偿法电测中，对补偿块和补偿片的要求是什么?2．你贴的应变片按图5-3接入应变仪后，是否出现：①电桥无法平衡的现象？②应变仪读数产生漂移的现象？产生以上两种现象的原因可能是什么？

实验六弯曲正应力电测实验一、实验目的和要求1．学习使用应变片和电阻应变仪测定静态应力的基本原理和方法。2．测定弯曲钢梁横截面不同位置的正应力。3．观察梁纯弯曲段横截面正应力分布规律，验证弯曲正应力公式的适用范围。二、实验设备和仪器1．微机控制电子万能试验机。2．静态电阻应变仪。三、实验原理和方法1．实验装置和测试方法本实验的测试对象为低碳钢制矩形截面简支梁，加载方式如图6-1所示。h

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12345aaaabABCDZZ图6-1由材料力学可知，钢梁CD段将承受纯弯曲，其弯矩大小为（1）横截面上弯曲正应力公式为（2）式中y为被测点到中性轴z的距离，Iz为梁截面对z轴的惯性矩。（3）通过电子万能实验机对简支梁加载，在CD段对称于中性层每隔一个与轴线平行的电阻应变片，应变片3粘贴在梁的中性层处。在梁的端部上表面零应力处粘贴有温度补偿片，可对以上各应变片进行温度补偿。当梁受载时，应变片随梁变形而变形，由电阻应变仪测得各点处的应变值，在弹性范围内，有应力应变关系：（4）式中E为钢梁的弹性模量。实验采用增量法。每增加等量载荷ΔP，测得各点相应得应变增量一次。因每次ΔP相同，故应是基本上按比例增加。四、实验步骤1．试件准备测量钢梁横截面尺寸，准确地把钢梁搁在电子万能试验机的弯曲台上，按四点加载法将力分配梁准确地搁在钢梁上，测量AC和BD段距离，两者应严格相同。2．仪器准备和接线1）实验选用1/4桥共补偿片联接法(1，2，3，4，5列接线柱A、B分别接测量工作片1，2，3，4，5，温度补偿片接补偿位置A、B接线柱)。2）指导教师检查无误后，接通电阻应变仪电源，检查电阻应变仪灵敏系数K仪，K仪应与应变片灵敏系数K片值一致，若不一致则须调整。3．正式实验根据材料的许可应力和实验装置的有关尺寸，计算最大允许载荷值Fmax，并选定初始载荷F0。按等量加载法拟定电子万能实验机加载方案，并同时根据需要记录电阻应变仪读数。4．教师检查原始记录、签字，结束实验。五．注意事项认真观察、调整实验装置，确保AC段与BD段距离相等。六、数据处理和实验报告1．对每一测点求出应变增量的平均值（5）由（4）式可知（6）2．由（2）式可知，与载荷增量ΔP相应的应力增量理论值为（7）（8）3．对每一测点，列表比较与，并计算相对误差（9）七、思考题1．尺寸、加载方式完全相同的钢梁和木梁，如果与中性层等距离处纤维的应变相等，问两梁相应位置的应力是否相等，载荷是否相等?2．采用等增量加载法的目的是什么?

实验七叠（组）合梁弯曲的应力分析实验一、实验目的和要求1．进一步掌握电测法的基本原理，及应变仪的操作与使用。2．测定叠梁在纯弯曲时，梁高度各点正应力的大小及分布规律，并与理论值作比较。3．通过实验测定和理论分析，了解两种不同组合梁的内力及应力分布的差别。4．学习多点测量技术。二、实验设备和仪器微机控制电子万能试验机，静态应变测试仪。游标卡尺和钢尺等。三、实验原理和方法在实际结构中，由于工作需要，把单一的梁、板、柱等构件组合起来，形成另一种新的构件形式经常被采用。如支承车架的板簧，是由多片微弯的钢板重叠组合而成；厂房的吊车的承重梁则是由钢轨、钢筋混凝土梁共同承担吊车和重物的重量。实际中的组合梁的工作状态是复杂多样的，为了便于在实验室进行实验，实验仅选择两根截面积相同的矩形梁，按以下方式进行组合：（1）用相同材料组成的叠梁；（2）楔块梁。用电测法测定其应力分布规律，观察两种形式组合梁与单一材料梁应力分布的异同点。叠梁在横向力作用下，若上、下梁的弯矩分别为M1和M2，由平衡条件可知，M1+M2=M；若变形后，每根梁中性层的曲率半径分别为，且有，则由梁的平面弯曲的曲率方程可知：，式中E1I1和E2I2分别是上、下梁的抗弯刚度。在小变形情况下（忽略上、下梁之间的摩擦，两者的变形可认为一致），它们的曲率半径远远大于梁的高度，因此可以认为，故有（1）当叠合梁材质和几何尺寸相同，即E1＝E2，I1＝I2，有，（2）当叠合梁分别为钢和铝时，且钢材与铝材的弹性模量分别为El＝2.07×105MPa，E2＝0.69×105MPa，即El＝3E2，同时I1＝I2=I时，则有，由此可知，当叠合梁的材质和惯性矩相同时，弯矩是由参与叠合梁的根数进行等分配的；当材料不同时，其弯矩是依据抗弯刚度来进行分配的。因此，材质不同的两根梁组成的叠合梁（惯性矩相等），在离各自中性层等距离点的应力是不等的。弹性模量大的材质应力较大，反之，弹性模量小的材质，应力较小。本实验采用钢—钢叠合梁和钢—钢材料组成的楔梁（在试样的两端，在两根梁的接合面上各加一个楔块）以及整梁。材料的E相等，所有单根梁的截面几何尺寸相等。图7-1l—纯弯曲压头；2—上梁；3—T梁；4—弯曲台实验时，在梁的纯弯曲段间某一截面沿高度布置8枚电阻片(见图7-1)，测定各测点的正应力，其中任一点的正应力值为式中：——叠合梁i点的实测应变；E——叠合梁材料的弹性模量。实验过程中，在弹性极限内仍采用分段等间距加载的方法，即在每施加载荷增量，测定对应的应变增量，从而得到各测点的实测应力值为各测点的理论值式中：——第i测点应变增量的平均值；——第i测点到每根叠梁各自中性层zi的距离。四、实验步骤1．测量叠梁、楔块梁和整梁的尺寸：高度h和宽度b，支座与压头支点间距离，测量各电阻片位置到中性层的距离。2．将叠合梁安装在试验机的弯曲台上。3．进入POWERTEST3.0软件，确定加载方案，逐级加载测读。4．采用单片测量的接线方法，即AB桥臂接工作片，BC桥臂接温度补偿片（另两臂为仪器内的标准电阻），接好线后打开电阻应变仪电源开关，调平仪器，待仪器稳定后，开始正式测读。5．完成一种组合梁(例如钢—钢组合梁)测试后，更换另一种组合梁（楔块梁、整梁）重复步骤1～4进行测试。6．完成全部实验，经教师检查合格后，清理实验现场，关闭电源。五、思考题1．分析整梁(矩形截面H＝2h，B＝b)，同种材料叠梁、不同材料叠梁在相同支撑和加载条件下承载能力的大小。2．上述三种梁的应力沿截面高度是怎样分布的，画出应力沿梁高度的分布规律。3．楔块梁的应力分布有什么特点，它与叠梁有何不同，内力性质有何变化？4．根据测试结果如何判断各种梁是否有轴向力作用及轴向力产生的原因。

实验八弯扭组合变形的主应力测定一、实验目的1．测定薄壁圆管表面上一点的主应力。2．验证弯扭组合变形理论公式。3．掌握电阻应变花的使用。二、实验设备和仪表1．微机控制电子万能试验机。2．静态数字电阻应变仪一台。三、实验原理和方法DdDd薄壁圆管截面图图8-12．由实验确定主应力大小和方向由应力状态理论分析可知，薄壁圆管表面上各点均处于平面应力状态。若在被测位置x、y平面内，沿x、y方向的线应变为，剪应变为，根据应变分析可知，该点任一方向的线应变的计算公式为由此得到的主应变和主方向分别为对于各向同性材料，主应变和主应力方向一致。应用广义虎克定律，即可确定主应力为式中，E，μ分别为构件材料的弹性模量和泊松比。在主应力方向无法估计时，应力测量常采用电阻应变花。应变花是把几个敏感栅制成特殊夹角形式，组合在同—基片上。常用的应变花有450、600、900和1200等。本实验装置采用的是450直角应变花，在A，B，C，D四点上各贴一片，分别沿-450，00，450方向，如图所示。根据所测得的三个方向应变值、、，可求得被测点的主应变和主应力大小及方向。

图8-23．理论计算主应力大小及方向由材力公式可计算出各截面上各点主应力大小及方向的理论值，然后再与实验值相比较。四、实验步骤1．试件准备测量试件尺寸、加力臂的长度和测点距力臂的距离，按加载要求装到微机控制万能试验机上。2．按测试要求，将薄壁圆管上所测各点的应变片按半桥接线接人电阻应变仪组成半桥单臂测量电桥，并调整好所用仪器设备。3．实验加载。根据薄壁圆管尺寸及许用应力，确定最大载荷Pmax和载荷增量ΔP，拟定电子万能实验机加载方案，本实验以力控制，初载荷P0=0kN，加载速度为10N/S，每增加ΔP=1kN，保载40s，依次记录各点相应的应变值，最大载荷Pmax=4kN。4．完成全部实验内容后，卸除载荷，关闭电源，拆线整理所用仪器设备，清理现场，将所用仪器设备复原。数据经教师检查签字。五、数据处理和实验报告1．根据所测应变值计算主应力及主方向，并与理论值进行比较，计算相对误差。2．分析产生误差的主要原因。3．按规定格式写出实验报告。

实验九偏心拉伸实验一．实验目的1．测定偏心拉伸时的最大正应力，验证叠加原理的正确性。2．分别测定偏心拉伸时由拉力和弯矩所产生的应力。3．测定弹性模量E。4．测定偏心距e。二．实验设备和仪表1．微机控制万能试验机。2．静态电阻应变仪。三．实验原理和方法FNFNMFmFmFFhbeR1R2R1,R2图9-1在外载荷作用下，试件任一截面内力相等，有轴力N和弯矩M，其大小为：N＝F，M＝Fe。试件是拉伸和弯曲的组合变形，其试件的正应力，为在试件左侧面：（1）在试件右侧面（2）试件应变片的布置方法，如图所示。R1和R2分别为试件两侧面上的两个对称点，则可测得（3）式中：为轴力引起的拉伸应变；为弯矩引起的应变。由上式：（4）利用以上关系式，根据桥路原理，采用不同的组桥方式（见电测法的基本原理），即可分别测出与轴向力及弯矩有关的应变值。从而进一步求得弹性模量E、偏心距e、最大正应力和分别由轴力、弯矩产生的应力。四、实验步骤1．设计好本实验所需的各类数据表格。2．测量试件尺寸。3．在微机控制电子万能实验机上选择偏心拉伸实验方案（分4-6级加载，每级加载间预留一段时间读数）。4．根据实验要求，采用合适的组桥方式接线，调整好所用的仪器和设备，并启动应变仪测试软件。5．正式实验，记录各级载荷时应变仪读数应变ε，并随时检查应变仪的读数变化量∆ε是否符合线性变化。实验至少重复两次。6．完成全部实验内容后，卸掉载荷，关闭电源，拆线整理所用仪器、设备，清理现场，将所用仪器设备复原。数据经指导教师检查签字。五．注意事项1．本实验为非破坏实验，注意不要损坏试件。2．施加载荷时，应保证载荷作用位置的准确。六．数据处理及实验报告1．测定弹性模量E：根据所测轴力产生的应变εN，确定弹性模量E为（5）2．测定偏心距e：将所测弯矩产生的应变εM及所求弹性模量E代入弯曲正应力公式后得（6）3．应力计算：将所测得的εN，εM及由轴力弯矩共同产生的最大正应变εmax，分别代入即可分别求得由轴力、弯矩所产生的应力和最大正应力的实验值。再根据叠加原理，计算出理论值，两者进行比较，计算出它们的相对误差。4．按规定格式写出实验报告。七．思考题可采用哪些不同桥路来测得εN，εM，各种桥路哪种测出的误差小，为什么？

实验十偏心压缩实验一．实验目的1．测定偏心拉伸时的最大正应力，验证叠加原理的正确性。2．分别测定偏心拉伸时由拉力和弯矩所产生的应力。3．测定弹性模量E。4．测定偏心距e。二．实验设备和仪表1．微机控制电子万能试验机。2．静态电阻应变仪。三．实验原理和方法偏心压缩试件为低碳钢薄壁构件，其受力及截面见图10-1。FFmeFmFFBBbHhFNMHBm-m剖面横向纵向内力分析图10-1在外载荷作用下，试件任一截面内力相等，有轴力N和弯矩M，其大小为：N＝F，M＝Fe。试件是压缩和弯曲的组合变形，其试件的正应力为：在试件偏心外侧面：（1）在试件偏心侧面（2）试件应变片的布置方法，如图10-1所示。R1和R2分别为试件两侧面上的两个对称点，则可测得（3）式中：为轴力引起的拉伸应变；为弯矩引起的应变。利用以上关系式，根据桥路原理，采用不同的组桥方式（见电测法的基本原理），即可分别测出与轴向力及弯矩有关的应变值。从而进一步求得弹性模量E、偏心距e、最大正应力和分别由轴力、弯矩产生的应力。四、实验步骤1．设计好本实验所需的各类数据表格。2．测量试件尺寸。3．在微机控制电子万能实验机上选择偏心压缩实验方案。4．根据实验要求，采用合适的组桥方式接线，调整好所用的仪器和设备。5．正式实验，记录各级载荷时应变仪读数应变ε，并随时检查应变仪的读数变化量∆ε是否符合线性变化。实验至少重复两次。6．完成全部实验内容后，卸掉载荷，关闭电源，拆线整理所用仪器、设备，清理现场，将所用仪器设备复原。数据经指导教师检查签字。五．注意事项1．本实验为非破坏实验，注意不要损坏试件。2．施加载荷时，应保证载荷作用位置的准确。六．数据处理及实验报告1．测定弹性模量E：根据所测轴力产生的应变εN，确定弹性模量E为（4）2．测定偏心距e：将所测弯矩产生的应变εM及所求弹性模量E代入弯曲正应力公式后得（5）3．应力计算：将所测得的εN，εM及由轴力弯矩共同产生的最大正应变εmax，分别代入（6）即可分别求得由轴力、弯矩所产生的应力和最大正应力的实验值。再根据叠加原理，计算出理论值，两者进行比较，计算出它们的相对误差。4．按规定格式写出实验报告。七．思考题可采用哪些不同桥路来测得εN，εM，各种桥路哪种测出的误差小，为什么？

实验十一组合结构应力测试实验一．实验目的：1．学习多点测试的基本原理和方法。2．掌握结构的应变测试原理。二．设备与仪器1．微机控制电子万能实验机。2．静态电阻应变仪。3．桁架模型。三．实验原理和方法结构是由构件按照一定方式组成的承受荷载的体系，从几何角度看，结构可分为三类：杆件结构，板壳结构，实体结构。在本实验中，采用平面框架模型作为测试对象，它是由许多杆件按一定规律，通过节点连接而成的平面桁架结构，属于平面杆件结构的一种。实验装置和测试方法：试件加载方式设计两种，其受力简图见图11-1，（a）(b)图11-1选择部分杆件贴片，弦杆上下对称选三个截面贴片，腹杆左右对称选三个截面贴片,其布片方式见图11-2图11-2五．实验步骤及注意事项1．设计加载方案，输入微机控制电子万能实验机。2．测量结构尺寸。3．将各点导线按测试要求设计桥路，接入电阻应变仪，调试各点，准备测试。4．选取不同点加载，测得各点εN，εM，然后由计算公式求得各截面轴力和弯矩。六．数据整理和实验报告1．计算各截面轴力的实验值：（1）2．计算各截面弯矩的实验值：（2）3．按规定格式写出实验报告。七．思考题1．在桁架模型测试中，为什么有些杆件产生拉应变？有些杆件产生压应变？2．当桁架在不同结点加载时，对各杆件应变产生那些影响？3．当支座形式发生变化时，对桁架应力分布有哪些影响？4．如何考虑桁架结构的稳定问题？

实验十二金属轴件的高低周拉、扭疲劳演示实验一．实验目的和要求1．了解金属材料S—N曲线的测试方法。2．了解金属材料疲劳性能测试的有关试验设备。3．观察金属疲劳破坏断口形貌的特征。二．实验设备和仪器1．高频疲劳实验机。2．微机控制扭转疲劳试验机。3．拉扭组合疲劳试验机。三．实验原理和方法金属材料在交变应力长期作用下发生局部累计损伤，经一定循环次数突然发生断裂的现象称做疲劳破坏。疲劳破坏是一个裂纹形成、扩展、直至最终断裂的过程。在工作应力超过疲劳极限σr时，由于循环应力的反复交变，构件上应力最大或材料最薄弱的地方首先形成微裂纹，随着循环次数的增加，裂纹按一定速率逐渐扩展，而构件的承载面积逐渐减少，当裂纹面上的应力达到材料的断裂强度时，就突然发生断裂。裂纹扩展时，高应变塑性区只限于裂纹尖端附近。断裂时，宏观上没有明显的塑性变形，因此表现为脆断。疲劳断口明显地分成光滑区（裂纹扩展区）和粗糙区（最后断裂区）。图12-1疲劳断裂破坏常在没有任何先兆的情况下突然发生，具有很大的危险性。灾难性的疲劳破坏事故引起广泛关注并推动疲劳研究工作不断深入。经过长期的研究，材料与构件的疲劳形成一门新兴的学科。金属疲劳试验在对疲劳破坏的机理研究中占有非常重要的地位。金属材料标准试样在交变应力作用下发生疲劳断裂前所经历的应力循环次数称为材料的疲劳寿命N0构件的疲劳寿命不仅与交变应力类型、应力幅值有关，同时也与构件形状、尺寸和表面粗糙度等多种因素有关。应力疲劳试验应采用标准的光滑小试样，在一定的循环特性r（r=σmin/σmax）下，控制循环应力的幅值，测取试样的疲劳寿命N0应力幅值愈小，疲劳寿命愈长。对于黑色金属，如碳素钢，若在某种交变应力(如R=-1的对称循环交变应力)的某一应力水平下经受107次循环，试样仍未破坏，则可认为该试样在这一应力水平下可以承受无限次循环而不发生破坏。因此，通常在试验中以对应于寿命N0=107的最大应力σmax，(作为材料的疲劳极限σr。但是，对于有色金属和某些合金钢却不存在这一性质，降低交变应力的应力水平，疲劳寿命会增加，在经受107次循环后，仍会发生疲劳断裂破坏。因而，对这些金属，常以破坏循环次数为N0=107或108所对应的最大应力值作为该材料的条件疲劳极限，此处107或108称为循环基数。图12-2当交变应力的最大值σmax大于材料的疲劳极限σr时，试件会对应低于循环基数的某一寿命N0把相同循环特性及条件下疲劳试验得到的一系列循环最大应力σmax和寿命N以及材料的疲劳极限σr，以σmax为纵坐标，N为横坐标，绘成交变最大应力σmax与疲劳寿命N的关系曲线，即σmax—N曲线(通常又称为S—N曲线)，如图所示。用S—N曲线可以表征材料的应力疲劳性能。要测绘某种金属材料的S—N曲线，需要13根以上标准光滑小试样，设定五级应力水平，测出一系列交变最大应力σmax和相应寿命N的数据，用最佳拟合法绘制S—N曲线。试验过程中对各级应力水平要精心选择，以便用尽量少的试样获得较理想的测试结果。本实验因时间、物力消耗太多、学时有限，在有条件的情况下只能作参观性实验，了解实验设备、实验原理和测试方法。四．实验演示内容1．观察疲劳破坏实物，了解疲劳断口形貌特征。2．观看高频疲劳试验机，了解其工作原理；观看轴向拉压疲劳试样，了解其安装方式；开启电源，观察试样承受拉、压交变载荷时的情况。3．观看微机控制扭转疲劳试验机，了解其工作原理；开动试验机，演示试样承受扭转交变载荷时的情况。4．观看拉扭组合疲劳试验机，了解其工作原理；开动试验机，演示试样承受拉扭组合交变载荷时的情况。五．思考题1．什么是“金属疲劳”，疲劳破坏的机理是什么？2．疲劳断口有什么特点？3．在应变疲劳试验中，材料的循环应力一应变曲线是如何测绘的？

实验十三冲击实验一、实验目的与要求1．观察分析低碳钢和铸铁两种材料在常温冲击下的破坏情况和断口形貌，并且进行比较。2．测定低碳钢和铸铁两种材料的冲击韧性αk值。3．了解冲击试验方法。二、实验设备和仪器1．冲击试验机。2．游标卡尺。3．冲击试样三、实验原理与方法两物体瞬间发生运动速度急剧改变（加速度很大）而产生很大作用的现象称为冲击或撞击。如锻造机械、冲床、机车的启动或刹车等有关零部件所承受的载荷即为冲击载荷。一般从材料的弹性、塑性和断裂这三个阶段来描述材料在冲击载荷作用下的破坏过程。在线弹性阶段、材料力学性能与静载下基本相同，如材料的弹性模量E和泊松比μ无变化。因为弹性变形是以声速在弹性介质中传播的。它总能跟得上外加载荷的变化步伐，所以加速度对材料的弹性行为及其相应的力学性能没有影响。塑性变形的传播比较缓慢，加载速度太大塑性变形就来不及充分进行。另外塑性变形相对加载速度滞后，从而导致变形抗力的提高，宏观表现为屈服点有较大的提高，而塑性下降。另外，塑性材料随着温度的降低而其塑性向脆性转变，所以常用冲击试验来确定中低强度钢材的冷脆性转变温度。材料的抗冲击能力用冲击韧性来表示。冲击实验的分类方法较多，从温度上分有高温、常温、低温三种；从受力形式上分有冲击拉伸、冲击扭转、冲击弯曲和冲击剪切；从能量上分有大能量一次冲击和小能量多次冲击等。材料力学实验中的冲击实验是指常温简支梁大能量一次冲击实验。实验之前，需要将金属材料按照冲击实验标准加工成长方形矩形试样。由于在有缺口的情况下，随变形速度的增大，材料的韧性总是下降，所以为更好地反映材料的脆性倾向和对缺口的敏感性，通常用中心部位切成V形缺口或U形缺口的试样进行冲击试验。冲击试验机的原理如图13-1所示。冲击试验机必须具有一个刚性较好的底座和机身，机身上安装有摆锤（冲锤）、表盘和指针等。表盘和摆锤重量根据试样承载能力的大小选择，一般备有两个规格的摆锤供实验使用。液晶控制面板安全防护网液晶控制面板安全防护网标盘机身摆锤摆杆挂/脱摆机构控制按钮组合电控柜图13-1实验时，用特殊工具把试样正确定位在一冲击试验机上，且缺口处在冲弯受拉边，冲击载荷作用点在缺口背面，如图13-1所示。将冲击试验机摆锤提升到一定高度，然后使冲锤自由下摆以冲断试样。从刻度盘上读出试样受冲直到断裂所吸收的能量。为避免材料不均匀和缺口的误差对冲击韧性的影响、每次试验必须连续冲断一组试样。试样受到冲击时，切口根部材料处于三向拉伸应力状态。由理论分析和试验得知，即使是很好的塑性材料，在三向拉应力作用下，也会发生脆性破坏。低碳钢这种塑性材料的冲击试验恰恰证明了这一点。在距切口根部一定距离后，逐渐呈现韧性断裂，亦称剪切断裂，韧性和脆性断口面积的比值的百分数，也是衡量材料抵抗冲击能力的重要指标之一。试样冲断后，冲击实验机记录最大能量Ak值。Ak为试样被冲断所吸收的功。A0为试样缺口处的最小横截面积。材料的冲击韧性为（1）（2）式中：αk值为材料的冲击韧性，单位为N·m/m2；Ak为试样的冲击吸收功，单位为N·m；G为摆锤重量。H、h为摆锤冲击前后高度。A0为试样缺口处的初始面积。四、试样的制备常用的标准冲击试样有两种，一种为V形切口试样，一种是U形切口试样。具体制作可参照标准。试样开切口的目的是为了在切口附近造成应力集中，使塑性变形局限在切口附近不大的体积范围内，并保证试样一次就被冲断，使断裂就发生在切口处。αk对切口的形状和尺寸十分铭敏感，切口越深、越尖锐，αk值越低，材料的脆化倾向越严重。因此，同样材料用不同切口试样测定的αk值不能相互取代或直接比较。铸铁、工具钢等一类的材料，由于材料很脆，很容易冲断，试样一般不开切口。图13-2图13-3五、实验步骤1．测定试样缺口处的截面尺寸，测量三次，取平均值。2．选择实验机度盘和摆锤大小。3．打开电源开关，按动提升按钮，使摆杆扬起一定高度。4．安装冲击试样，注意缺口居中并处于受拉边。5．按动下落按钮，使摆杆自由下落，冲断试样。6．冲击后，按动快停按钮，使摆杆快速停止摆动。7．在度盘上记下试样Ak值。8．观察断口形貌。六、实验注意事项1．摆杆摆动平面的两侧设置安全网，以防止试样断裂飞出伤人。2．冲击时在场人员须站在摆杆摆动平面的两侧，严防迎着摆锤站立。3．摆杆扬起，安放试样时，任何人不准按动摆杆下落按钮，以防摆杆下摆冲击伤人。七、思考题1．计算缺口处的横截面积。2．画出两种材料的破坏断口草图。3．计算材料的冲击韧性αk值。实验十四压杆稳定实验一、实验目的1．观察压杆的失稳现象。2．测定二端铰支压杆的临界压力Fcr。二、实验设备和仪器1．微机控制电子万能试验机。2．静态电阻应变仪，千分表。3．游标卡尺，钢尺。4．实验试样：高强度钢矩形横截面细长试样，二端制成刀刃状。三、实验原理和方法对于轴向受压的理想细长直杆，按小变形理论，其临界载荷可由欧拉公式求得：（1）式中：E为材料的弹性模量；I为压杆截面的最小惯性矩；l为压杆的长度；μ为长度系数，对于二端铰支情况，μ=1。当F<Fcr时，压杆保持原有的直线平衡形态而处于稳定平衡状态，当F=Fcr时，压杆处于临界状态，可以在微弯的情况下保持平衡。图14-1考虑图14-2所示的二端铰支细长压杆，受轴向载荷F作用。如以压力F为纵坐标，压杆中点挠度ω为横坐标。按小变形理论绘出的F—ω图形可由二端折线OA和AB来描述，如图14-1所示。实际上由于载荷偏心或压杆不可避免地存在初始曲率等原因，压杆在受力开始即产生弯曲变形，致使F—ω曲线的OA段发生倾斜，这种弯曲变形随压力的增加而不断增加。开始时其挠度ω增加较慢，而当F接近Fcr，时，ω则急剧增大，如图14-1中曲线OA'B，所示。作曲线OA'B，的水平渐近线AB，与之对应的载荷纵坐标即代表压杆的临界载荷Fcr。测定压杆中点的变形时，可采用不同的测量方法，如图14-2所示。用千分表测定压杆中点的挠度，得F—ω曲线；或采用电测法测定中点的应变，得到F—ε曲线。当采用千分表测量杆中点挠度时，由于压杆的弯曲方向不能预知，应预压一定量程，以给测杆的左、右测量留有余地。若用电测法测量杆中点应变，则被测量应变ε应包含两个部分，即轴力引起的应变和附加弯矩引起的应变，所以（2）图14-2图14-3如以ε1和ε2分别表示左、右二侧的应变，显然随着F的增加，二者差异也愈大。如以压力F为纵坐标，压应变ε为横坐标，可绘出F—ε1和F—ε2曲线(见图14-3)。但其F—ε曲线的水平渐近线却是一致的，它代表压杆的临界载荷Fcr。五、实验步骤1．试样测量和安装。测量试样长度为l，宽度为b和厚度为t。因试样厚度对临界载荷影响很大，应在压杆长度方向测取5～6处厚度数据，取其平均值，计算最小惯性矩Imin。在试样中段两侧分别粘贴电阻应变片，连接静态电阻应变仪。将试样置于材料试验机的V形支座中，两端相当于铰支情况。注意使压力通过试样的轴线。2．仪器安装，连线，预加载，调试。3．为保证试样失稳后不发生屈服，试验前应根据欧拉公式估算试验的最大许可载荷Fmax。并根据下式估算在弹性范围内试样允许的最大挠度ωmax，即（3）式中：A0，W分别为试样横截面面积和抗弯截面模量。实验时，如采用静态电阻应变仪测量杆件中点变形，则要在F<80％Fmax，的范围内采用分级加载，进行载荷控制；载荷每增加一级ΔF，即测定一个相应的变形量ω(或应变ε1和ε2)。当接近失稳时，变形量快速增加，此时，应改为位移控制；变形每增加一定数值，即读取一个相应的载荷Fi，在ω<ωmax的范围内，直到ΔF的变化很小，渐近线的趋势已经明显为止。4．运行微机控制电子万能试验机实验软件，选择正确的实验方案，逐步加载，记录实验载荷及应变值。5．完成全部实验内容后，卸掉载荷，关闭电源，拆线整理所用仪器、设备，清理现场，将所用仪器设备复原。数据经指导教师检查签字。六、实验数据处理与分析1．根据实验测得的试样载荷和挠度(或应变)系列数据，绘出F—ω或F—ε曲线，据此确定临界载荷Fcr。2．根据欧拉公式，计算临界载荷的理论值。3．将实测值和理论值进行比较，计算出相对误差并分析讨论。

实验十五组合压杆的稳定性分析实验一、实验目的1．观察组合压杆的失稳现象。2．测定二端铰支组合压杆的临界压力Fcr。3．分析不同结构条件下组合压杆的稳定性。二、实验设备和仪器1．微机控制电子万能试验机。2．静态电阻应变仪。3．游标卡尺，钢尺。三、实验试样高强度钢矩形横截面组合压杆试样，二端制成刀刃状。四、实验原理和方法组合压杆的组件间一般有缀板或缀条等连结结构。显然，组合压杆的稳定性是依组件间相互联系的强弱程度不同而变化的。在理论上，可以考虑两种极端情况（只讨论双组件组合压杆）：1．如果完全忽略组件间的相互联系，认为组合压杆的每一组件在压曲过程中是独立起作用的，也就是说，各个组件在挠曲变形过程中，其横截面均绕自身形心轴转动，则组合压杆的极限载荷（临界力）应该是单组件极限载荷的2倍，这是组合压杆的最低承载能力，可以称为组合压杆极限载荷的理论下限。2．如果认为可以把组合压杆视为一个整体结构，即认为组合压杆在压曲过程中只能发生整体挠曲，每一单肢截面不再绕自身形心轴转动，而是绕组合截面的对称轴转动，则组合压杆的极限载荷一般要远大于单组件极限载荷的2倍（因为组合截面的形心主惯性矩通常总是大大超过单组件截面）。由此得到的极限载荷是组合压杆的最大承载能力，可以称为组合压杆极限载荷的理论上限。图15-1组合压杆的实际极限载荷，应该在理论下限和理论上限之间。但是，当面对一个组合压杆的稳定性研究问题或设计任务时，如何才能正确合理地进行分析，以足够的可靠性和准确性给出所要求的解答呢？本项实验就是让学生发挥其聪明才能的一个良好机会，通过实验，为理论计算提供一定的依据。本项实验采用两根矩形截面杆件，两端用钢板联结，中间用隔离块联接在一起，从而构成一根组合压杆，隔离块在矩形截面杆件之间可以移动，在压杆中部装有应变片，用微机控制电子万能实验机加压，并测量出隔离块在矩形截面杆件之间不同位置时组合压杆的临界压力，测量方法与压杆稳定实验相同。五、实验步骤1．试样测量和安装。将组合压杆试样置于微机电子万能试验机的专用支座中，两端相当于铰支情况。注意使压力通过试样的轴线。2．安装静态电阻应变仪，连线，预加载，调试。3．调整组合压杆中的隔离块位置,分别测试不同隔离块位置时组合压杆的临界压力。为保证试样失稳后不发生屈服，试验前应根据欧拉公式估算试验的最大许可载荷Fmax，并根据下式估算在弹性范围内试样允许的最大挠度ωmax，即(1)式中：A0，W分别为试样横截面面积和抗弯截面模量。实验时，采用电阻应变仪测量杆件中点变形，要在F<80％Fmax，的范围内采用分级加载，进行载荷控制；载荷每增加一级ΔF，即测定一个相应的变形量ω(或应变ε1和ε2)。当接近失稳时，变形量快速增加，此时，应改为位移控制；变形每增加一定数值，即读取一个相应的载荷Fi，在ω<ωmax的范围内，直到ΔF的变化很小，渐近线的趋势已经明显为止六、实验数据处理与分析1．根据实验测得的试样载荷和挠度(或应变)系列数据，绘出F—ω或F—ε曲线，据此确定不同结构状态下的临界载荷Fcr。2．分析比较不同结构状态下的临界载荷Fcr。3．将实测值和理论值进行比较，计算出相对误差并分析讨论。

实验十六光弹性实验一、实验目的与要求1．了解光弹性实验的基本原理和方法，认识偏光弹性仪。2．观察模型受力时的条纹图案，识别等差线和等倾线，了解主应力差和条纹值的测量。二、实验设备和仪器1．由环氧树脂或聚碳酸脂制作的试件模型。2．偏光弹性仪。三、实验原理与方法光弹性测试方法是光学与力学紧密结合的一种测试技术。它采用具有暂时双折射性能的透明材料，制成与构件形状几何相似的模型，使其承受与原构件相似的载荷。将此模型置于偏振光场中，模型上即显出与应力有关的干涉条纹图。通过分析计算即可得知模型内部及表面各点的应力大小和方向。再依照模型相似原理就可以换算成真实构件上的应力。光弹性测试方法的特点是，直观性强，可靠性高，能直接观察到构件的全场应力分布情况。特别是对于解决复杂构件、复杂载荷下的应力测量问题，以及确定构件的应力集中部位，测量应力集中系数等问题，光弹性法测试方法更显得有效。1．明场和暗场由光源S、起偏镜P和检偏镜A就可组成一个简单的平面偏振光场。起偏镜P和检偏镜A均为偏振片，各有一个偏振轴(简称为P轴和A轴)。如果P轴与A轴平行，由起偏镜P产生的偏振光可以全部通过检偏镜A，将形成一个全亮的光场，简称为亮场(图16-1a)。如果P轴与A轴垂直，由起偏镜P产生的偏振光全部不能通过检偏镜A，将形成一个全暗的光场，简称为暗场(图16-1b)。亮场和暗场是光弹性测试中的基本光场。图16-12．应力—光学定律当由光弹性材料制成的模型放在偏振光场中时，如模型不受力，光线通过模型后将不发生改变；如模型受力，将产生暂时双折射现象，即入射光线通过模型后将沿两个主应力方向分解为两束相互垂直的偏振光(见图16-2)，这两束光射出模型后将产生一光程差δ。实验证明，光程差δ与主应力差值和模型厚度t成正比，即(1)式中的C为模型材料的光学常数，与材料和光波波长有关。式(1)称为应力—光学定律，是光弹性实验的基础。两束光通过检偏镜后将合成在一个平面振动，形成干涉条纹。如果光源用白色光，看到的是彩色干涉条纹；如果光源用单色光，看到的是明暗相间的干涉条纹。图16-23．等倾线和等差线从光源发出的单色光经起偏镜P后成为平面偏振光，其波动方程为(2)式中，a为振幅；t为时间；ω为光波角速度。EP传播到受力模型上后被分解为沿两个主应力方向振动的两束平面偏振光El和E2，见图16-2。设θ为主应力σ1与A轴的夹角，这两束平面偏振光的振幅分别为(3)一般情况下，主应力，故E1和E2会有一个角程差(4)假如沿σ2的偏振光比沿σ1的慢，则两束偏振光的振动方程是()()当上述两束偏振光再经过检偏镜A时，都只有平行于A轴的分量才可以通过，这两个分量在同一平面内，合成后的振动方程是(7)式中，E仍为一个平面偏振光，其振幅为：(8)根据光学原理，偏振光的强度与振幅A0的平方成正比，即(9)式中的K是光学常数。把式(1)和式(4)代入上式可得(10)由式(10)可以看出，光强I与主应力的方向和主应力差有关。为使两束光波发生干涉，相互抵消，必须I=0。所以：（1）a=0，即没有光源，不符合实际。（2），则或，即模型中某一点的主应力σ1方向与A轴平行(或垂直)时，在屏幕上形成暗点。众多这样的点将形成暗条纹，这样的条纹称为等倾线。在保持P轴和A轴垂直的情况下，同步旋转起偏镜P与检偏镜A任一个角度，就可得到角度下的等倾线。（3）(11)即：（n=0，1，2，…）(12)式中的称为模型材料的条纹值。满足上式的众多点也将形成暗条纹，该条纹上的各点的主应力之差相同，故称这样的暗条纹为等差线。随着n的取值不同，可以分为0级等差线、1级等差线、2级等差。综上所述，等倾线给出模型上各点主应力的方向，而等差线可以确定模型上各点主应力的差。但对于单色光源而言，等倾线和等差线均为暗条纹，难免相互混淆。为此，在起偏镜户后面和检偏镜前面分别加入波片Q1和Q2(图16-3)，得到一个圆偏振光场，最后在屏幕上便只出现等差线而无等倾线。有关圆偏振光场，这里不作详述，读者可参阅有关专著。图16-3四、演示实验1．用对径受压圆盘测材料的条纹值对于图16-4a所示的对经受压圆盘，由弹性力学可知，圆心处的主应力为，(13)代入光弹性基本方程式(12)可得：(14)对应于一定的外载荷F，只要测出圆心处的等差线条纹级数n，即可求出模型材料的条纹值。实验时，为了较准确地测出条纹值，可适当调整载荷大小，使圆心处的条纹正好是整数级。图16-42．含有中心圆孔薄板的应力集中观察图16-5为带有中心圆孔薄板受拉时的情形。图16-5孔的存在，使得孔边产生应力集中。孔边A点的理论应力集中因数为(15)式中的为A点所在横截面的平均应力，即(16)为A点的最大应力。因为A点为单向应力状态，，，由式(14)可得(17)因此，(18)实验时，调整载荷大小F，使得通过A点的等差线恰好为整数级n，再将预先测好的材料条纹值代入上式，即可获得理论应力集中因数。五、实验步骤1．仪器准备：首先保证设备工作台的各部件完整，牢靠，稳定开启光源箱的点光束，保证光源，偏振片，1/4波片和场镜，成像的中心在一条轴线上。2．起偏镜，检偏镜的调整3．同步操纵箱用来调整两偏振器的角度4．传感器的调整，在加力架上有个固定数字式载荷显示仪，接通电源，把开关置于“测力”位置，转动“预调”旋钮，置载荷初读数为0，在将开关置于“标定”位置，用小改锥调节，是读数选定在规定的标定值即可。重复2.3便后，把开关置于“测力”位置，就可以进行加载。5．加力架的调整：模型选定好后，调整架子的空间位置，由于加力架为机械传递，配合误差较大，因此注意调整和对中。6．相机的准备：松开滑道上紧轮，调整相机位置及最佳投影效果7．完成拍摄过程：在选定时曝光时间后，开启“开”、“闭”、“定时”等过程。

实验十七单转子动力学实验一、实验目的和要求1．了解动平衡的基本概念。2．了解刚性转子动平衡测试装置。3．了解刚性转子动平衡常用的方法—两平面影响系数法。二、实验设备和仪器1．转子系统（转速0～4000r/m、临界转速≥5000r/m）。2．自耦调压器。3．动平衡仪及光电换器（转速：200～600000r/m、位移：0.1～2000μm）。4．电涡流位移计（频率：DC～1000Hz、位移：2mm峰值）。5．电子示波器。6．精密天平。7．万用电表。8．台式计算机。图17-1三、实验原理和方法在机械的旋转部件中，具有固定旋转轴的部件称为转子。如果一个转子的质量分布均匀，在旋转时对轴承只产生静