材料力学实骏指导 中国农业大学理学院 力学实验室 2006年10月
材料力学实验指导 中国农业大学理学院 力学实验室 2006 年 10 月
实验学习规则 准时参加实验 不要迟到早退 保持室内肃静 切勿吵闹喧哗 维护环境卫生 不要吃喝吸烟 设备学懂之前 不可擅自动用 遵守操作规程 注意人身安全 认真预习讲义 实验才能顺利 深刻理解原理 敏锐观察现象 操作准确有序 结果记录完整 工作完毕清理 物归原位方离 按时完成报告 敷衍退回重做
实验学习规则 准时参加实验 不要迟到早退 保持室内肃静 切勿吵闹喧哗 维护环境卫生 不要吃喝吸烟 设备学懂之前 不可擅自动用 遵守操作规程 注意人身安全 认真预习讲义 实验才能顺利 深刻理解原理 敏锐观察现象 操作准确有序 结果记录完整 工作完毕清理 物归原位方离 按时完成报告 敷衍退回重做
目 录 第 一章 绪论 第一节 实验在材料力学课程中的地位 2 第二节 材料力学实验的基本内容 第 实验须知 3 第四节 实验报告的一股要求 第二章 常用试验机原理及使用方法 第一节 万能试验机 5 电子万能试验机 液压式万能试验机 第二节 扭转试验机 912 (一) 50型扭转试验机 伯明翰6609-CHG型扭转试验机 4 第三章 电测法基本原理及方法 7 第一节 申阻应变片 1 。构造 二.工作原理 三.应变片的分类 9 四.应变片的工作特性参数 第二节电阻应变仪 一，测量电路 2 二.放大与指示电路 三。电桥的温度补偿 25 四。串联与并联桥臂的输出 27 五应变仪读数的修正 28 第三节 电测法的基本应用 30 测量电桥的应用 3 二.二向应力状态中主应力与主方向的测定 三.静态多点应变测量 38 第四节应变片式传感器 42 位移传感器 三。传感器的使用 第四章 基本实验 6 第一节 拉伸实验 4 第二节 压缩试 50
目 录 前 言 . 1 第一章 绪论 . 2 第一节 实验在材料力学课程中的地位 . 2 第二节 材料力学实验的基本内容 . 2 第三节 实验须知 . 3 第四节 实验报告的一般要求 . 4 第二章 常用试验机原理及使用方法 . 5 第一节 万能试验机 . 5 （一） 电子万能试验机 . 5 （二） 液压式万能试验机 . 9 第二节 扭转试验机 . 12 （一） 50 型扭转试验机 . 12 （二） 伯明翰 6609─CHG 型扭转试验机 . 14 第三章 电测法基本原理及方法 . 17 第一节 电阻应变片 . 17 一．构造 . 17 二．工作原理 . 18 三．应变片的分类 . 19 四．应变片的工作特性参数 . 20 第二节 电阻应变仪 . 22 一．测量电路 . 22 二．放大与指示电路 . 25 三．电桥的温度补偿 . 25 四．串联与并联桥臂的输出 . 27 五．应变仪读数的修正 . 28 第三节 电测法的基本应用 . 30 一．测量电桥的应用 . 30 二．二向应力状态中主应力与主方向的测定 . 36 三．静态多点应变测量 . 38 第四节 应变片式传感器 . 42 一．测力传感器 . 42 二．位移传感器 . 43 三．传感器的使用 . 44 第四章 基本实验 . 46 第一节 拉伸实验 . 46 第二节 压缩试验 . 50
第三节 圆轴扭转试验 53 第四节 材料弹性系数E和μ的测定 第五青 材料剪切弹性 系数G的定 第六节 梁中弯曲正应力的测定 66 第七节 湾扭组合件主应力的测定 第八节 偏心拉伸试验 75 Y18型静态电阻应变仪简介 附录 Y25 型静态电阻应变仪简 阳录3 Y-3引型静态电阻应变仪简介 86
第三节 圆轴扭转试验 . 53 第四节 材料弹性系数 Ε 和 μ 的测定 . 57 第五节 材料剪切弹性系数Ｇ的测定 . 62 第六节 梁中弯曲正应力的测定 . 66 第七节 弯扭组合件主应力的测定 . 70 第八节 偏心拉伸试验 . 75 附录 1 YJ-18 型静态电阻应变仪简介 . 78 附录 2 YJ-25 型静态电阻应变仪简介 . 81 附录 3 YJ-31 型静态电阻应变仪简介 . 86
前 言 材料力学实验是我校机械、土木类核心专业技术基础课程《材料力学》的重要组成部分。 本指导书作为我校机械、水利、土木、农业机械化、农业工程等本科各专业所开设的80学时 《材料力学》课程的辅助教材，并与《材料力学实验报告》配套使用。材料力学实验分为两 部份。第一部份是基本实验，是本课程大纲所要求的必做试验，共8项试验，使用8个学时。 第二部份是选择实验，可根据不同专业的需求由各系和任课教师经协商进经选择。 基本实验包括内容有拉伸、压缩、扭转、Eμ测量、G的测量、弯曲、主应力和偏心拉伸 等实验。选择性实验包括内容有冲击韧度、冲击动态、光弹性等方面实验三个。各学院、专 业可根据专业需要及学生实际情况选择安排。在学时安排上可根据每个实验2学时的原则。 本书首编于1983年，由当时任实验室主任的王复合教授执笔，于1987年首次改编，由 当时任实验室主任的徐咏教授执笔，于1995年第二次改编，由当时任实验室主任的付志一教 授执笔。于2001年进行了重编，由当时任实验室主任的付志一教授执笔，于2003年进行了 修订，由余莲英老师进行了认真的脚酌、修改。在95、01版的编写过程中，得到了本教研室 徐泳教授、秦太验教授、周哲副教授和徐春晖老师的指导与帮助，在此表示感谢。 由于编者水平有限，虽经努力，仍难免有欠缺和谬误之处，恳请读者指正。 2006年10月3日
前 言 材料力学实验是我校机械、土木类核心专业技术基础课程《材料力学》的重要组成部分。 本指导书作为我校机械、水利、土木、农业机械化、农业工程等本科各专业所开设的 80 学时 《材料力学》课程的辅助教材，并与《材料力学实验报告》配套使用。材料力学实验分为两 部份。第一部份是基本实验, 是本课程大纲所要求的必做试验，共 8 项试验，使用 8 个学时。 第二部份是选择实验, 可根据不同专业的需求由各系和任课教师经协商进经选择。 基本实验包括内容有拉伸、压缩、扭转、Eμ 测量、G 的测量、弯曲、主应力和偏心拉伸 等实验。选择性实验包括内容有冲击韧度、冲击动态、光弹性等方面实验三个。各学院、专 业可根据专业需要及学生实际情况选择安排。在学时安排上可根据每个实验 2 学时的原则。 本书首编于 1983 年，由当时任实验室主任的王复合教授执笔，于 1987 年首次改编，由 当时任实验室主任的徐咏教授执笔，于 1995 年第二次改编，由当时任实验室主任的付志一教 授执笔。于 2001 年进行了重编，由当时任实验室主任的付志一教授执笔，于 2003 年进行了 修订，由余莲英老师进行了认真的斟酌、修改。在 95、01 版的编写过程中，得到了本教研室 徐泳教授、秦太验教授、周哲副教授和徐春晖老师的指导与帮助，在此表示感谢。 由于编者水平有限，虽经努力，仍难免有欠缺和谬误之处，恳请读者指正。 2006 年 10 月 3 日
第一章 绪 论 第一节实验在材料力学课程中的地位 在学习材料力学课程时，实验内容占有很重要地位。 实验是建立材料力学理论的基础。正如材料力学的奠基石一虎克定律的发现那样，是 虎克(ROBERT HO0K,1635-1703,英国人)进行了一系列弹簧实验之后才建立起来的 理论。材料力学是一门研究构件承载能力的科学，如果没有原始的实验数据，强度、刚度、 稳定性三大基本问题便无从谈起。比如强度条件≤[可)=f/,如果不用实验方法研究材料 的破坏（失效）极限G,不从反复实践中摸索出安全系数的取值方法，便不能准确合理地 确定许用应力。而且工作应力的计算公式是否正确，也还得通过实验来验证。 材料力学的发展也同样离不开实验。现有理论的并不能解决全部实际问题，而借助实验 方法来进行应力分析，常常是解决问题的有效手段，通过实验应力分析的方法解决了工程中 的难题同时，又促进了材料力学理论的发展。 第二节材料力学实验的基本内容 材料力学实验可分为如下三个方面： 一.测定材料的力学性质 本方面内容为对一些材料常用的、基本的力学性能指标进行实验测定。例如，通过拉伸， 压缩、扭转、冲击、疲劳等试验米测定材料的弹性模量、强度极限、冲击韧度、持久极限等 力学参数。由于这类实验在工程中实用性极强，且实验结果对实验环境、条件、过程存在很 强的依赖性，故国家计量监督部门对每种实验都制定了各自的国家标准。学生在进行这类实 验时，要严格按标准操作，以养成良好的工作习惯。同时，在完成这类实验后，应能够通过 对变形、破坏现象的观察及断口的分析达到对材料的力学性质有一个透彻的了解。 二.验证理论公式 材料力学公式都是建立在一些基本假定上的。假定是对实际问题的抽象与简化。对于真 实受力结构，理论能否正确地反映实际规律，是一个必须要加以验证的问题。通过对实验方 法的学习，学生应对所学的书本知识有一个真实、完整的认识。尤其可以经过对理论解与实 测结果的比较对理论的适用范围及近似解的精度建立一个正确的概念。同时，要使学生认识 到，在应用、研究中的创新过程中，对于通过解析或数值方法得到的新规律，应当使用实验 方法去进行检验
第一章 绪 论 第一节 实验在材料力学课程中的地位 在学习材料力学课程时，实验内容占有很重要地位。 实验是建立材料力学理论的基础。正如材料力学的奠基石——虎克定律的发现那样，是 虎克（ROBERT HOOK，1635—1703，英国人）进行了一系列弹簧实验之后才建立起来的 理论。材料力学是一门研究构件承载能力的科学，如果没有原始的实验数据，强度、刚度、 稳定性三大基本问题便无从谈起。比如强度条件 σ≤[σ]＝σf／n，如果不用实验方法研究材料 的破坏（失效）极限 σf，不从反复实践中摸索出安全系数 n 的取值方法，便不能准确合理地 确定许用应力。而且工作应力的计算公式是否正确，也还得通过实验来验证。 材料力学的发展也同样离不开实验。现有理论的并不能解决全部实际问题，而借助实验 方法来进行应力分析，常常是解决问题的有效手段，通过实验应力分析的方法解决了工程中 的难题同时，又促进了材料力学理论的发展。 第二节 材料力学实验的基本内容 材料力学实验可分为如下三个方面： 一．测定材料的力学性质 本方面内容为对一些材料常用的、基本的力学性能指标进行实验测定。例如，通过拉伸、 压缩、扭转、冲击、疲劳等试验来测定材料的弹性模量、强度极限、冲击韧度、持久极限等 力学参数。由于这类实验在工程中实用性极强，且实验结果对实验环境、条件、过程存在很 强的依赖性，故国家计量监督部门对每种实验都制定了各自的国家标准。学生在进行这类实 验时，要严格按标准操作，以养成良好的工作习惯。同时，在完成这类实验后，应能够通过 对变形、破坏现象的观察及断口的分析达到对材料的力学性质有一个透彻的了解。 二．验证理论公式 材料力学公式都是建立在一些基本假定上的。假定是对实际问题的抽象与简化。对于真 实受力结构，理论能否正确地反映实际规律，是一个必须要加以验证的问题。通过对实验方 法的学习，学生应对所学的书本知识有一个真实、完整的认识。尤其可以经过对理论解与实 测结果的比较对理论的适用范围及近似解的精度建立一个正确的概念。同时，要使学生认识 到，在应用、研究中的创新过程中，对于通过解析或数值方法得到的新规律，应当使用实验 方法去进行检验
三.应力分析实验 工程中许多实际受力问题是复杂多变的，是无法用材料力学甚至更高等的固体力学理论 来直接解决的。使用计算力学方法对其进行数值求解，这一方法的应用日益普遍。但由于计 算模型要对实际问题进行简化，故计算结果的正确性仍须经实验应力分析的方法来验证。此 外，零件设计中的应力集中系数的确定，工程结构在使用时实际应力的测定，也都靠实验应 分析方法来完成，本书中的电测法是实验应力分析方法中最为常用的方法。 本书主要介绍与材料力学理论教学相关的实验，故在基本实验中将全部理论验证性实验 同时又设计成应力分析实验。学生在这类实验的学习中，在验证理论的同时，也学到了非常 实用的方法。 第三节实验须知 为了使实验学习过程高效率地进行，请学生务必清注意下列事项 一.作好实验前准备 1,按照实验要求，认真预习本书，复习有关理论知识，明确实验目的。掌握实验原理，并参 照《材料力学实验报告》，学习实验步骤和方法。 2.对实验机器、仪器、试样及其它装置应了解其工作原理。对操作注意事项要认真予以注意。 3.清楚本次实验中需要记录的数据项目及数据处理方法，尤其是搞清楚报告中用来填写原始 记录的表格。 4.学生可以自行设计实验方案，但应申报给教师，指导教师认可后再加以实施， 5.在实验过程中，认真填写原始记录，完毕后请指导教师签字。 二.遵守实验室制度 1,按课表规定时间准时进入实验室，保持实验室清洁、安静。 2。未经指导教师同意，不得动用实验室机器、仪器等一切设备。 3.做实验时应严格依照指导按规程操作，如发生故障应立即报告，不可擅自处理。 4.实验结束后，将所用设备关电拆线，归置整齐，恢复到用前状态。 三.认真完成实验 1,注意听好教师对实验内容的讲解，认真回答教师对预习情况的抽查和提问。 2.实验时应按照分组秩序，互相配合，轮流操作，以确保每人都学会全部操作。 3.培养敏锐的观察能力，时刻密切注意实验现象及其发展，及时观测并记录每一数据。 4,实验完成后，指导教师对原始记录审阅签字后方可离开
三．应力分析实验 工程中许多实际受力问题是复杂多变的，是无法用材料力学甚至更高等的固体力学理论 来直接解决的。使用计算力学方法对其进行数值求解，这一方法的应用日益普遍。但由于计 算模型要对实际问题进行简化，故计算结果的正确性仍须经实验应力分析的方法来验证。此 外, 零件设计中的应力集中系数的确定，工程结构在使用时实际应力的测定，也都靠实验应 分析方法来完成，本书中的电测法是实验应力分析方法中最为常用的方法。 本书主要介绍与材料力学理论教学相关的实验，故在基本实验中将全部理论验证性实验 同时又设计成应力分析实验。学生在这类实验的学习中，在验证理论的同时，也学到了非常 实用的方法。 第三节 实验须知 为了使实验学习过程高效率地进行，请学生务必清注意下列事项： 一．作好实验前准备 1．按照实验要求，认真预习本书，复习有关理论知识, 明确实验目的。掌握实验原理，并参 照《材料力学实验报告》，学习实验步骤和方法。 2．对实验机器、仪器、试样及其它装置应了解其工作原理。对操作注意事项要认真予以注意。 3．清楚本次实验中需要记录的数据项目及数据处理方法，尤其是搞清楚报告中用来填写原始 记录的表格。 4．学生可以自行设计实验方案，但应申报给教师，指导教师认可后再加以实施。 5．在实验过程中，认真填写原始记录，完毕后请指导教师签字。 二．遵守实验室制度 1．按课表规定时间准时进入实验室，保持实验室清洁、安静。 2．未经指导教师同意，不得动用实验室机器、仪器等一切设备。 3．做实验时应严格依照指导按规程操作，如发生故障应立即报告，不可擅自处理。 4．实验结束后，将所用设备关电拆线，归置整齐，恢复到用前状态。 三．认真完成实验 1．注意听好教师对实验内容的讲解，认真回答教师对预习情况的抽查和提问。 2．实验时应按照分组秩序，互相配合，轮流操作，以确保每人都学会全部操作。 3．培养敏锐的观察能力，时刻密切注意实验现象及其发展，及时观测并记录每一数据。 4．实验完成后，指导教师对原始记录审阅签字后方可离开
5.出现意外或问题时，要记录现象，以备教师查阅。 第四节实验报告的一般要求 实验报告是实验者最后交出的成果，是实验资料的总结。报告应包括下列内容 1.实验名称，日期，分组号及姓名。野外实验还应写清气象及环境状况 2.实验目的及装置，应画出装置简图。 3.所用机器、仪器、量具及其它主要设备的名称、型号、精度。 4.单位与有效数字 自行设计的测量数据记录表格要标清单位。记录数据的有效数字位数应按设备的分辨率 或精度来选取。例如使用百分表测位移时，由于百分表最小刻度为0.01mm,则其分辨率为 百分之一毫米。若经计量监督部门检定其精度为二级，即百分之二毫米，在记录数据时应读 到精度的十分位，即0.002mm位。即数据记录时应取以毫米为单位的小数点后三位效数字 且尾数应为偶数。故对于真值为0.287mm的测量值，取0.29mm、0.28mm和0.2874mm,都 是不合适的。应取0.286mm或0.288mm。实验的原始数据记录取三位有效数字。 5.实验结果 实验结果的表达应图文并茂，要有清晰美观的数据表格，更要有准确直观的曲线和图形。 实验结果曲线不应为实验点的折线连点图，而应为光滑的、能反映真实实验结果的曲线，在 根据经验进行绘制有困难时，应采用最小二乘法加以拟合 6.结果分析 学生应对自已的实验结果下一个小小的结论，如主要结果是否正确，误差大小及其来源 等等
5．出现意外或问题时，要记录现象，以备教师查阅。 第四节 实验报告的一般要求 实验报告是实验者最后交出的成果，是实验资料的总结。报告应包括下列内容。 1．实验名称，日期，分组号及姓名。野外实验还应写清气象及环境状况。 2．实验目的及装置，应画出装置简图。 3．所用机器、仪器、量具及其它主要设备的名称、型号、精度。 4．单位与有效数字 自行设计的测量数据记录表格要标清单位。记录数据的有效数字位数应按设备的分辨率 或精度来选取。例如使用百分表测位移时，由于百分表最小刻度为 0.01mm，则其分辨率为 百分之一毫米。若经计量监督部门检定其精度为二级, 即百分之二毫米，在记录数据时应读 到精度的十分位，即 0.002 mm 位。即数据记录时应取以毫米为单位的小数点后三位效数字, 且尾数应为偶数。故对于真值为 0.287mm 的测量值，取 0.29mm、0.28mm 和 0.2874mm，都 是不合适的。应取 0.286mm 或 0.288mm。实验的原始数据记录取三位有效数字。 5．实验结果 实验结果的表达应图文并茂，要有清晰美观的数据表格，更要有准确直观的曲线和图形。 实验结果曲线不应为实验点的折线连点图，而应为光滑的、能反映真实实验结果的曲线，在 根据经验进行绘制有困难时，应采用最小二乘法加以拟合。 6．结果分析 学生应对自已的实验结果下一个小小的结论，如主要结果是否正确，误差大小及其来源 等等
第二章 常用试验机原理及使用方法 第一节万能试验机 (一)电子万能试验机 电子式万能试验机是使用计算机控制精密伺服电机驱动加载机构的原理对试样或模型施 加载荷的设备。主要由伺服器、控制器、加载机构及位移测量电路、力测量电路几部分组成。 机器以横梁带动夹具，对被测物施加位移，该位移作用于被测物产生加载力。以力传感器测 量加载力并以电信号输出给测量、放大、数字化电路，由计算机的显示来指示加载力的大小。 以数字式位移传感器测量横梁的位移，并以数码信号输出给放大电路，由计算机的显示来指 示位移量的大小：同时，计算机计算出位移的速度并与选定的加载速度相比较，根据比较结 果生成调整指令，由计算机向同服器发布，由伺服器将指令转换为驱动信号，驱动同服电机 按要求速度运行。机器能完成拉伸、压缩和弯曲实验，故习惯上称万能试验机。这种机器类 型很多，但工作原理基本相同。我校现有长春制造的C5S-100、CSS-200电子试验机。本书只 介绍其基本的构 造、工作原理与 子化电国堡电路 使用方法。 该机从外观 计器 上看包括加载和 盘化电经怪电路 控制两大部分， 控制部分的台面 位移传器 上为控制计算 控分 机，伺服器在控 请量。控制均 制台内部。该机 的工作原理如图 2-1-1. 图2-1-1CSS-100、CSS-200电子万能试验机工作原理框图 一加载机构 该机的结构示意图如图2-1-2。图中左边部分为加载机构。该机构由机座，伺服电机
第二章 常用试验机原理及使用方法 第一节 万能试验机 （一） 电子万能试验机 电子式万能试验机是使用计算机控制精密伺服电机驱动加载机构的原理对试样或模型施 加载荷的设备。主要由伺服器、控制器、加载机构及位移测量电路、力测量电路几部分组成。 机器以横梁带动夹具，对被测物施加位移，该位移作用于被测物产生加载力。以力传感器测 量加载力并以电信号输出给测量、放大、数字化电路，由计算机的显示来指示加载力的大小。 以数字式位移传感器测量横梁的位移，并以数码信号输出给放大电路，由计算机的显示来指 示位移量的大小；同时，计算机计算出位移的速度并与选定的加载速度相比较，根据比较结 果生成调整指令，由计算机向伺服器发布，由伺服器将指令转换为驱动信号，驱动伺服电机 按要求速度运行。机器能完成拉伸、压缩和弯曲实验，故习惯上称万能试验机。这种机器类 型很多，但工作原理基本相同。我校现有长春制造的 CSS-100、CSS-200 电子试验机。本书只 介绍其基本的构 造、工作原理与 使用方法。 该机从外观 上看包括加载和 控制两大部分， 控制部分的台面 上 为 控 制 计 算 机，伺服器在控 制台内部。该机 的工作原理如图 2-1-1。 一．加载机构 该机的结构示意图如图 2-1-2。图中左边部分为加载机构。该机构由机座，伺服电机， 图 2-1-1 CSS-100、CSS-200 电子万能试验机工作原理框图 图 2-2 CSS-100、CSS-200 电子万能实验机工作结构简图
上、下夹头及辅助夹具，变速器，同步器及工作台、两根丝杠、移动横梁、固定横梁、丝杠 驱动系统和四根固定立柱等重要部件组成。 南码格：带示横架位好 ■ 移纳横冥 四 图2-1-2CSS-100、CSS-200电子万能试验机结构简图 按手动控制盒，见图2-1-3，上的“通电”按纽后，控制系统己处于工作状态。按“横 梁上升”按钮则伺服电机带动丝杠并推动横梁上 通电按纽 升，按“横梁下降”按钮则伺服电机带动丝杠并 推动横梁下降。如果想调节上升、下降速度，可 横梁上升按 梁下按纽 以旋转“上升调速按纽”或“下降调速按纽”，顺 上升调速红 下降调速郊 时针为增速，逆时针为减速。按“断电”按纽后， 电按妞 控制系统已处于等待状态。 对于不同尺寸的试样进行加载时，可以改变 夹头的位置或更换夹头。 丝杠旋转推动移动横梁上、下运动。具体动 图2-1-3电子万能试验机手控盒
上、下夹头及辅助夹具，变速器，同步器及工作台、两根丝杠、移动横梁、固定横梁、丝杠 驱动系统和四根固定立柱等重要部件组成。 按手动控制盒，见图 2-1-3，上的“通电”按纽后，控制系统已处于工作状态。按“横 梁上升”按钮则伺服电机带动丝杠并推动横梁上 升，按“横梁下降”按钮则伺服电机带动丝杠并 推动横梁下降。如果想调节上升、下降速度，可 以旋转“上升调速按纽”或“下降调速按纽”，顺 时针为增速，逆时针为减速。按 “断电”按纽后， 控制系统已处于等待状态。 对于不同尺寸的试样进行加载时，可以改变 夹头的位置或更换夹头。 丝杠旋转推动移动横梁上、下运动。具体动 图 2-1-3 电子万能试验机手控盒 图 2-1-2 CSS-100、CSS-200 电子万能试验机结构简图