材料力学实验指导书 新疆大学机械工程学院力学系 2010.06
1 材料力学实验指导书 新疆大学机械工程学院力学系 2010．06
第1章绪论 1.1材料力学实验的目的 材料力学实验是材料力学课程教学中的重要环节，是培养学生理论联系实 际、独立思考以及创新能力的主要手段。通过材料力学实验环节，使学生掌握测定 材料力学性能的基本方法、测量应变的电测法和实验应力分析的基本原理，并掌握 相应仪器设备的使用方法。 1.2材料力学实验的内容 一、材料的力学性能测定：材料的各项强度指标，如屈服极限、强度极限、持久 极限以及材料的弹性性能，如比例极限、弹性模量等，都是设计中的基本参数和依 据，而这些参数一般要通过实验来测定。随着材料科学的进展，各种新型合金材 料、复合材料不新断出现，研究合成每一种新型材料首要的任务也是力学性能的测 定。 二、验证已建立的理论：材料力学的一些理论是以假设为基础导出的，例如梁 的弯曲理论就是以平面假设为基础的。用实验验证这些理论的正确性和适用范围， 可加深对理论的认识和理解。对力学中新建立的理论和公式，必须要用实验来验 订正。 三、应力分析的电测法（全方位开放实验）电阻应变测量是工程中广泛使用 的方法之一，可以测量材料常数，可以验证理论，特别对形状不规则、受力复杂没 有理论解的物件，可用此方法来测定其应变，应力值。用电测法可开发许多设计性 实验、综合性实验，为学生创造性学习提供广阔空间。 四、近代力学实验方法简介、演示：主要有光弹性法、全息干涉法、云纹法、 散班干涉法。 以上内容可根据学时及专业的不同有所选择。 1.3实验方法和要求 测定材料在拉伸、压缩、剪切和扭转时力学性能的原理，电测法原理，实验 应力分析原理，位移测量原理，的互等定理等。 按照实验指导书和任课物师介绍的方法完成课内各项实验内容，客观认真地将实验 数据填入实验报告，对不合理的实验结果需重测域补测。每次实验结束离开实验室 前，实验报告须交实验指导教师审核、签名。实验数据应及时整理，并交任课教师 批改，以便进行考核和评分
2 第 1 章 绪 论 1.1 材料力学实验的目的 材料力学实验是材料力学课程教学中的重要环节，是培养学生理论联系实 际、独立思考以及创新能力的主要手段。通过材料力学实验环节，使学生掌握测定 材料力学性能的基本方法、测量应变的电测法和实验应力分析的基本原理，并掌握 相应仪器设备的使用方法。 1.2材料力学实验的内容 一、材料的力学性能测定 ： 材料的各项强度指标，如屈服极限、强度极限、持久 极限以及材料的弹性性能，如比例极限、弹性模量等，都是设计中的基本参数和依 据，而这些参数一般要通过实验来测定。随着材料科学的进展，各种新型合金材 料、复合材料不断出现，研究合成每一种新型材料首要的任务也是力学性能的测 定。 二、验证已建立的理论： 材料力学的一些理论是以假设为基础导出的，例如梁 的弯曲理论就是以平面假设为基础的。用实验验证这些理论的正确性和适用范围， 可加深对理论的认识和理解。对力学中新建立的理论和公式，必须要用实验来验 证。 三、应力分析的电测法：（全方位开放实验） 电阻应变测量是工程中广泛使用 的方法之一，可以测量材料常数，可以验证理论，特别对形状不规则、受力复杂没 有理论解的物件，可用此方法来测定其应变，应力值。用电测法可开发许多设计性 实验、综合性实验，为学生创造性学习提供广阔空间。 四、近代力学实验方法简介、演示： 主要有光弹性法、全息干涉法、云纹法、 散班干涉法。 以上内容可根据学时及专业的不同有所选择。 1.3实验方法和要求 测定材料在拉伸、压缩、剪切和扭转时力学性能的原理，电测法原理，实验 应力分析原理，位移测量原理，功的互等定理等。 按照实验指导书和任课教师介绍的方法完成课内各项实验内容，客观认真地将实验 数据填入实验报告，对不合理的实验结果需重测或补测。每次实验结束离开实验室 前，实验报告须交实验指导教师审核、签名。实验数据应及时整理，并交任课教师 批改，以便进行考核和评分
第2章材料力学试验设备介绍 2.1常用试验机 材料试验机是力学性能测试最基本最重要的实验设备。试验机最基本的功能 是对试件施加载荷并测定材料在试验载荷下的力学性能。根据施加载荷的类型，试 验机可分为拉力、压力、扭转、冲击和疲劳等试验机，根据所加载荷的性质，又可分 为静态试验机和动态试验机。 一、微机控制电子万能试验机 1.电子万能试验机工作原理 电子万能试验机是采用电子装置对载荷和试件的变形及横梁的位移进行精确的 控制、测量、自动显示和自动记录，如配备了计算机，则可以进行程序控制并对试验 结果进行处理：它采用同服电机和机械传动系统对试件加载有准确的加载速度和宽 的速度范围005-500 mm/min),如将负荷测量、变形测量、速度控制、函数发生器及 机械传动系统构城闭环系统，则能实现恒载荷、恒应变等各种控制方式。其工作原 理图如图2-1所示： 上城 动横 上块 A/D 工台 位移发大夏递度拉制 图21电子万能试验机工作原理图 3
3 第 2章 材料力学试验设备介绍 2.1 常 用 试 验 机 材料试验机是力学性能测试最基本最重要的实验设备。试验机最基本的功能 是对试件施加载荷并测定材料在试验载荷下的力学性能。根据施加载荷的类型, 试 验机可分为拉力、压力、扭转、冲击和疲劳等试验机, 根据所加载荷的性质, 又可分 为静态试验机和动态试验机。 一、微机控制电子万能试验机 1．电子万能试验机工作原理 电子万能试验机是采用电子装置对载荷和试件的变形及横梁的位移进行精确的 控制、测量、自动显示和自动记录, 如配备了计算机, 则可以进行程序控制并对试验 结果进行处理; 它采用伺服电机和机械传动系统对试件加载, 有准确的加载速度和宽 的速度范围(0.05~500mm/min), 如将负荷测量、变形测量、速度控制、函数发生器及 机械传动系统构成闭环系统, 则能实现恒载荷、恒应变等各种控制方式。其工作原 理图如图 2-1所示： 图 2-1 电子万能试验机工作原理图
微机控制电子万能试验机 松费子万 图2,2微机控制电子万能试验机 图23金属时拉试验 图4微机控制液压万能试哈机 1.CMS000微机控制电子万能试验机，最大负荷100N,由深圳新三思材料检测有限公司生 产。2.QH40O0微机控制电液伺服万能试验机，最大负荷100KN,由深圳新三思材料检测有限 公司生产。 试验机主机外观图 CMT5000电子万能试验机的拉伸、 压缩和弯曲是在同一个加截载空间。 试件夹持旋紧手柄 拉伸夹头钳口，分圆试样 钳口和板试样钳口两种 电机电源横梁上升下降控制 图2-5试验机主机外观图 CMT5000控制软件流程图 →G0 主功能界面 存储文件试验参数设置 打开文件 试哈楼作 数据分析 曲线观察打印 图26 4
4 微机控制电子万能试验机 图2-2 微机控制电子万能试验机 图2-3 金属拉伸试验 图2-4 微机控制液压万能试验机 1．CMT5000微机控制电子万能试验机，最大负荷100KN，由深圳新三思材料检测有限公司生 产。2．CHT4000微机控制电液伺服万能试验机，最大负荷100KN，由深圳新三思材料检测有限 公司生产。 图2-5 试验机主机外观图 图2-6 主功能界面 存储文件 试验参数设置 试验操作 曲线观察打印 数据分析 GO 打开文件 试验机主机外观图 CMT5000 电子万能试验机的拉伸、 压缩和弯曲是在同一个加载空间。 试件夹持旋紧手柄 拉伸夹头钳口，分圆试样 钳口和板试样钳口两种 电机电源横梁上升下降控制 CMT5000控制软件流程图
2.微机控制电子试验机使用说明 试验机由主机、控制台和微机三个部分组成。控制台是试验机的控制中心和 试验信号处理中心。不使用计算机，试验机仍然可以控制和操作。 使用方法： ①.选择负荷衰减档，1档为100N:按清零健使载荷显示清零和电标定 ②.从0.5-500mmmn的横梁移动速度可以按键选择。÷l0键灯亮表示设定速度值 衰减10倍。使用计算机控制软件时，自动设定使：10键灯亮，速度衰减10倍。 ③.[上升]下降[停止为控制功能键，控制横梁按设定速度移动活动横梁上升、下 降或停止。 ④.横梁位移显示可随时清零。 ⑤.如有必要，可安装X一Y记录仪记录试验曲线。 3.控制软件介绍 ①.点击本软件，打开测量显示窗口如图1所示 图27测量显示窗口 图28试验方案 图29用户参数向导 图2-10报告输出 ②.选择试验方案图2，用户对各个试玛验进行个性化设置： ③.选择用户参数向导图3，用户通过此向导添加自己需要的参数： ④.程序还具有Exc©l数据处理、试验结果调整、联机设置、线性修正、曲线放大 等功能： ⑤.最后进行报告输出图4。 二、微机控制扭转试验机 微机控制扭转试验机性能： 1、满足GB101281988《金属室温扭转试验方法》的要求 2、采用进口交流伺服电机提供动力，通过进口全数字交流伺服器控制，使速度控 制精度更高，并且传动效率高、噪音低，运动平稳。 3、通过对原“SANS”电气控制系统的改进，使电气控制系统不但保持了原有设计 的优点，同时更加适应扭转机的要求，使用和操作更加方便。 4、在国内首家采用扭矩测量120000码，全程不分档技术，使测量全程的分辨率不 变。 5
5 2．微机控制电子试验机使用说明 试验机由主机、控制台和微机三个部分组成。控制台是试验机的控制中心和 试验信号处理中心。不使用计算机，试验机仍然可以控制和操作。 使用方法： ①.选择负荷衰减档，1档为100KN；按[清零]键使载荷显示清零和电标定。 ②.从 0.5~500mm/min的横梁移动速度可以按键选择。[10]键灯亮表示设定速度值 衰减 10倍。使用计算机控制软件时，自动设定使[10]键灯亮，速度衰减10倍。 ③.[上升][下降][停止]为控制功能键，控制横梁按设定速度移动活动横梁上升、下 降或停止。 ④.横梁位移显示可随时清零。 ⑤.如有必要，可安装 X－Y记录仪记录试验曲线。 3．控制软件介绍 ①.点击本软件，打开测量显示窗口如图 1所示； 图2-7 测量显示窗口 图2-8 试验方案 图2-9 用户参数向导 图2-10 报告输出 ②.选择试验方案图2，用户对各个试验进行个性化设置； ③.选择用户参数向导图3，用户通过此向导添加自己需要的参数； ④.程序还具有Excel 数据处理、试验结果调整、联机设置、线性修正、曲线放大 等功能； ⑤.最后进行报告输出图4。 二、微机控制扭转试验机 微机控制扭转试验机性能： 1、满足 GB10128-1988《金属室温扭转试验方法》的要求。 2、采用进口交流伺服电机提供动力，通过进口全数字交流伺服器控制，使速度控 制精度更高，并且传动效率高、噪音低，运动平稳。 3、通过对原“SANS”电气控制系统的改进，使电气控制系统不但保持了原有设计 的优点，同时更加适应扭转机的要求，使用和操作更加方便。 4、在国内首家采用扭矩测量120000码，全程不分档技术，使测量全程的分辨率不 变
5、扭转角测量通过光电编码器实现。不但消除了温漂、零漂的影响，同时，通过 四倍频技术，使测量精度更高。扭转角测量的最小精度为0.006°。 6、速度无级可调，并可根据试验要求设置多段试验速度。 7、可以正反施加扭矩。 8、主动夹头具有自动对中装置，避免了试超验前，两夹头对中的麻烦。 9、具有试样保护功能，彻底消除了试样在夹持时的初夹力，使试验更加准确。 10、被动夹头轴向移动灵活阻力小。同时通过特有的间隙调整机构，使被动夹头在 受力时其倾翻间隙为0。 11、特有的扭转试验软件，各种单位可以设置并转换，使用更加方便。 12、善的小键盘操作能。在计算机上设定好试验方案后，除试验数据处理外，其 余工作都可以通过小键盘操作，避免了操作人员在计算机和机器之间的来回奔波， 减轻了工作强度 图2-11微机控制扭转试验机 三、电阻应变测量仪器 1.Y31型静态电阻应变仪图2-12： 2.Y-25型数字静态应变仪图2-13 3.YD15型动态应变仪图214 图2-12Y3引型静态电阻应变仪 图213Y25型数字静态应变仪
6 5、扭转角测量通过光电编码器实现。不但消除了温漂、零漂的影响，同时，通过 四倍频技术，使测量精度更高。扭转角测量的最小精度为0.006°。 6、速度无级可调，并可根据试验要求设置多段试验速度。 7、可以正反施加扭矩。 8、主动夹头具有自动对中装置，避免了试验前，两夹头对中的麻烦。 9、具有试样保护功能，彻底消除了试样在夹持时的初夹力，使试验更加准确。 10、被动夹头轴向移动灵活阻力小。同时通过特有的间隙调整机构，使被动夹头在 受力时其倾翻间隙为0。 11、特有的扭转试验软件，各种单位可以设置并转换，使用更加方便。 12、善的小键盘操作功能。在计算机上设定好试验方案后，除试验数据处理外，其 余工作都可以通过小键盘操作，避免了操作人员在计算机和机器之间的来回奔波， 减轻了工作强度。 图2-11 微机控制扭转试验机 三、电阻应变测量仪器 1．YJ-31型静态电阻应变仪图2-12； 2．YJ-25型数字静态应变仪图2-13 3．YD-15型动态应变仪图2-14 图2-12 YJ-31型静态电阻应变仪 图2-13 YJ-25型数字静态应变仪
图214YD15型动态应变仪 图215矩形载面梁实验装置 四、其他仪器 1.常用引伸计：引伸计是感受试件变形的传感器。应变计式的引伸计由于原理简 单、安装方便，目前是广泛使用的一种类型。引伸计按测量对象，可分为轴向引伸 计、横向引伸计、夹式引伸计。 图2-16轴向引伸 图2-17夹式引伸计 2.引伸计的主要组成和原理应变片、变形传递杆、弹性元件、限位标距杆、刀 刃和夹紧弹簧等。测量变形时，将引伸计装卡于试件上，刀刃与试件接触而感受两刀 刀间距内的伸长通过变形杆使弹性元件产生应变，应变片将其转换为电阻变化量再 用适当的测量放大电路转换为吨压信号. 外壳 一变形传递杆 -刀可 应变片 图2-18引伸仪工作框图 图2-19游标卡尺 1
7 图2-14 YD-15型动态应变仪 图2-15 矩形截面梁实验装置 四、其他仪器 1．常用引伸计：引伸计是感受试件变形的传感器。应变计式的引伸计由于原理简 单、安装方便，目前是广泛使用的一种类型。引伸计按测量对象，可分为轴向引伸 计、横向引伸计、夹式引伸计。 图2-16 轴向引伸计 图2-17 夹式引伸计 2．引伸计的主要组成和原理 应变片、变形传递杆、弹性元件、限位标距杆、刀 刃和夹紧弹簧等。测量变形时, 将引伸计装卡于试件上, 刀刃与试件接触而感受两刀 刃间距内的伸长,通过变形杆使弹性元件产生应变, 应变片将其转换为电阻变化量, 再 用适当的测量放大电路转换为电压信号. 图2-18 引伸仪工作框图 图2-19 游标卡尺
4.传感器标定装置 图2-20引伸计标定装置一位移标定器图221载荷传感器标定装置一测力计 5.常用电阻片如图222所示 6.试件如图223所示，长试件L=101短试件L5d。 图2-23拉伸及扭啭试验试件 图2-22电阻 8
8 4．传感器标定装置 图2-20 引伸计标定装置－位移标定器 图2-21 载荷传感器标定装置－测力计 5．常用电阻片如图2-22 所示 6．试件如图 2-23所示，长试件L=10d 短试件L-5d。 图2-23 拉伸及扭转试验试件 图2-22 电阻片
第3章材料的力学性能试验 工程材料具有各种不同的使用性能，如化学性能、物理性能、力学性能。对 于用于各种工程结构和机器零件的结构材料来说最重要的是力学性能。力学性能是 指材料在外加载荷与环境因素联合作用下所表现的行为，也就是材料抵抗外加载荷 引起变形和断裂的能力。材料的力学性能试验是工程中广泛应用的一种试验，它为 机械制造、土木工程、冶金及其它各种工业部门提供可靠的材料的力学性能参数， 便于合理地使用材料，保证机器（结构）及其零件（构件）的安全工作。 研究材料力学性能的基本方法是按照国家标准、在规定的条件下进行试验。 3.1拉伸试验 拉伸实验是最基本的实验。通过拉伸试验可以观察材料在外加轴向载荷作用 下的变形过程、断裂过程及断裂形式，研究载荷与变形的关系，测定材料常用力学 性能指标。 一、实验目的 1.验证胡克定律，测定低碳钢的弹性常数：弹性模量E。 2.测定低碳钢拉伸时的强度性能指标：屈服应力σ，和坑拉强度σ。 3.测定低碳钢拉伸时的塑性性能指标伸长率6和断面收缩率v。 4.测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标：抗拉强度σ。 5.绘制低碳钢和灰铸铁的拉伸图，比较低碳钢与灰铸铁在拉伸时的力学性能利 破坏形式。 二、实验设备和仪器 1.微机控制电子万能试验机。 2.引伸仪。 3.游标卡尺。 三、实验试样 按照国家标准G6397一86《金属拉伸试验试样》，金属拉伸试样的形状随着 产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样、矩形截面试样、异形 截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。其中最常用的是圆形截面试样和矩 形截面试样。 如图3一1所示，圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹持三部分组 成。平行部分的试验段长度！称为试样的标距，按试样的标距！与横截面面积4之
9 第 3 章 材料的力学性能试验 工程 材料具有各种不同的使用性能，如化学性能、 物理性能、 力学性能。对 于用于各种工程结构和机器零件的结构材料来说最重要的是力学性能。力学性能是 指材料在外加载荷与环境因素联合作用下所表现的行为，也就是材料抵抗外加载荷 引起变形和断裂的能力。材料的力学性能试验是工程中广泛应用的一种试验，它为 机械制造、土木工程、冶金及其它各种工业部门提供可靠的材料的力学性能参数， 便于合理地使用材料，保证机器（结构）及其零件（构件）的安全工作。 研究材料力学性能的基本方法是按照国家标准、在规定的条件下进行试验。 3.1 拉 伸 试 验 拉伸实验是最基本的实验。通过拉伸试验可以观察材料在外加轴向载荷作用 下的变形过程、断裂过程及断裂形式，研究载荷与变形的关系，测定材料常用力学 性能指标。 一、实验目的 1.验证胡克定律，测定低碳钢的弹性常数：弹性模量 E 。 2.测定低碳钢拉伸时的强度性能指标：屈服应力 s 和抗拉强度 b 。 3.测定低碳钢拉伸时的塑性性能指标：伸长率 和断面收缩率 。 4.测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标：抗拉强度 b 。 5.绘制低碳钢和灰铸铁的拉伸图，比较低碳钢与灰铸铁在拉伸时的力学性能和 破坏形式。 二、实验设备和仪器 1.微机控制电子万能试验机。 2.引伸仪。 3.游标卡尺。 三、实验试样 按照国家标准 GB6397—86《金属拉伸试验试样》，金属拉伸试样的形状随着 产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样、矩形截面试样、异形 截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。其中最常用的是圆形截面试样和矩 形截面试样。 如图 3-1所示，圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹持三部分组 成。平行部分的试验段长度 l 称为试样的标距，按试样的标距 l 与横截面面积 A 之
间的关系，分为比例试样和定标距试样。圆形截面比例试样通常取1=10或 1=5d,矩形截面比例试样通常取1=11.3√A或1=5.65√A,其中，前者称为长比例 试样（简称长试样），后者称为短比例试样（简称短试样）。定标距试样的1与4 之间无上述比例关系。过渡部分以圆弧与平行部分光滑地连接，以保证试样断裂时 的断口在平行部分。夹持部分稍大，其形状和尺寸根据试样大小、材料特性、试验 目的以及万能试验机的夹具结构进行设计。 对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准G6397一86。 d (a) +-b (b) 图子1拉伸试样 (a)圆形截试样：(b)矩形截试样 四、实验原理与方法 1.测定低碳钢的弹性常数 实验时，先把试样安装在万能试验机上，再在试样的中部装上引伸仪，并将指 针调整到0，用于测量试样中部长度（引伸仪两刀刃间的距离）内的微小变形。 开动万能试验机，预咖一定的初载荷（可取4kN),同时读取引伸仪的初读数。 为了验证载荷与变形之间成正比的关系，在弹性范围内（根据。，×A求出的最 大弹性载荷不超过14kN)采用等量逐级加载方法，每次递加同样大小的载荷增 量△F(可选△F=2kN),在引伸仪上读取相应的变形量。若每次的变形增量大 致相等，则说明载荷与变形成正比关系，即验证了胡克定律。弹性模量E可按下 式算出 E=4E6 A.N 式中：△F为载荷增量：A为试样的横截面面积：。为引伸仪的标距（即引伸仪两 刀刃间的距离)；，为在载荷坛量△F下由引伸仪测出的试样变形增量平均值。 2.测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标 弹性模量测定完后，将载荷卸去，取下引伸仪，调整好万能试验机的自动绘图 装置，再次缓慢加载直至试样拉断，以测出低碳钢在拉伸时的力学性能。 10
10 间的关系，分为比例试样和定标距试样。圆形截面比例试样通常取 l =10d 或 l = 5d ，矩形截面比例试样通常取 l =11.3 A 或 l = 5.65 A ，其中，前者称为长比例 试样（简称长试样），后者称为短比例试样（简称短试样）。定标距试样的 l 与 A 之间无上述比例关系。过渡部分以圆弧与平行部分光滑地连接，以保证试样断裂时 的断口在平行部分。夹持部分稍大，其形状和尺寸根据试样大小、材料特性、试验 目的以及万能试验机的夹具结构进行设计。 对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准GB6397—86。 l r d （a） l r b a （b） 图3-1 拉伸试样 （a）圆形截面试样；（b）矩形截面试样 四、实验原理与方法 1.测定低碳钢的弹性常数 实验时，先把试样安装在万能试验机上，再在试样的中部装上引伸仪，并将指 针调整到 0，用于测量试样中部 0 l 长度（引伸仪两刀刃间的距离）内的微小变形。 开动万能试验机，预加一定的初载荷（可取 4kN ），同时读取引伸仪的初读数。 为了验证载荷与变形之间成正比的关系，在弹性范围内（根据 P A 求出的最 大弹性载荷不超过 14kN ）采用等量逐级加载方法，每次递加同样大小的载荷增 量 F （可选 F = 2kN ），在引伸仪上读取相应的变形量。若每次的变形增量大 致相等，则说明载荷与变形成正比关系，即验证了胡克定律。弹性模量 E 可按下 式算出 0 0 A l F l E = 式中： F 为载荷增量； A 为试样的横截面面积； 0 l 为引伸仪的标距（即引伸仪两 刀刃间的距离）； 0 l 为在载荷坛量 F 下由引伸仪测出的试样变形增量平均值。 2.测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标 弹性模量测定完后，将载荷卸去，取下引伸仪，调整好万能试验机的自动绘图 装置，再次缓慢加载直至试样拉断，以测出低碳钢在拉伸时的力学性能