材料力学实验指导Experiments in Mechanics of Materials河北理工大学土木工程实验中心2007年1月
材料力学实验指导 Experiments in Mechanics of Materials 河北理工大学土木工程实验中心 2007 年 1 月
目录前言(I)(III)学生实验须知(1)实验一拉伸实验附录实验机的一般介绍(6)(9)实验二压缩实验实验三剪切实验(11)(13)实验四圆轴扭转实验(17)附录扭转实验机(19)实验五金属材料弹性常数E、u的测定(23)附录电测法及电阻应变仪(27)实验六梁的弯曲正应力实验(30)实验七弯扭组合变形时主应力的测定(35)实验八冲击实验，(38)附录数据处理知识
I 目 录 前言 .（II） 学生实验须知 .（III） 实验一 拉伸实验 .（1） 附录 实验机的一般介绍 .（6） 实验二 压缩实验 .（9） 实验三 剪切实验 . （ 1 1 ） 实验四 圆轴扭转实验.（1 3） 附录 扭转实验机 . （ 1 7 ） 实验五 金属材料弹性常数 E、μ 的测定.（1 9） 附录 电测法及电阻应变仪 .（23） 实验六 梁的弯曲正应力实验 .（27） 实验七 弯扭组合变形时主应力的测定 .（30） 实验八 冲击实验.（3 5） 附录 数据处理知识.（3 8）
前言材料力学实验是材料力学课程的重要组成部分。它不仅以实验手段为构件的强度刚度和稳定性等性能指标提供必要的计算数据，同时也是科学研究和工业生产中的一个重要环节，材料力学实验的基本任务是：一、测定材料本身的力学性能。当进行工程构件的计算时，首先需要掌握所用工程材料的机械性能，如材料的弹性模量、屈服极限、强度极限等，这些数据均需要通过材料力学实验得到。此外，随着科学技术的发展，各种新材料、新产品、新工艺不断出现，对于这方面的工作将会提出更多更高的要求。二、验证理论的正确性。材料力学在研究问题时，总是根据大量的实验资料提出一些简化假设，再进行理论指导，得到结论。结论的正确与否必须经过力学实验进行检验与修正。可见材料力学实验不仅是建立理论的基础，而且是验证理论、提高理论的重要途径。三、进行实验应力分析。许多复杂的工程构件，目前还没有可靠的计算理论、或计算极为困难。因此常常需要进行实物的物理测量和模型的分析测量，再根据专门的理论分析，得到强度、刚度、稳定性的计算依据；这就是“实验应力分析”。可见，材料力学实验不仅是材料力学理论的基础，同时也是解决复杂工程构件的重要手段。现在材料力学的实验内容日益丰富，实验技术也正在迅速发展，这本讲义只介绍了一些最基本的实验。共六个实验，可根据不同专业要求和课程情况选做。本材料力学实验方法指导书是根据国家教委制定的材料力学课程教学基本要求编写的。要求学生对常用材料的基本力学性能及其方法、电测实验应力分析的基本原理和方法有初步认识。本书力求简明易读，指导学生实验并便于教师进行实验课的组织教学。本讲义由宋晓胜、赵复香编写。由于水平有限和时间倡促，错误和疏漏之处敬请读者不各指正。配合本书编有材料力学实验报告册，供学生书写实验报告之用。2007年1月II
II 前 言 材料力学实验是材料力学课程的重要组成部分。它不仅以实验手段为构件的强度、 刚度和稳定性等性能指标提供必要的计算数据，同时也是科学研究和工业生产中的一个重 要环节，材料力学实验的基本任务是： 一、测定材料本身的力学性能。当进行工程构件的计算时，首先需要掌握所用工程 材料的机械性能，如材料的弹性模量、屈服极限、强度极限等，这些数据均需要通过材料 力学实验得到。此外，随着科学技术的发展，各种新材料、新产品、新工艺不断出现，对 于这方面的工作将会提出更多更高的要求。 二、验证理论的正确性。材料力学在研究问题时，总是根据大量的实验资料提出一 些简化假设，再进行理论指导，得到结论。结论的正确与否必须经过力学实验进行检验与 修正。可见材料力学实验不仅是建立理论的基础，而且是验证理论、提高理论的重要途径。 三、进行实验应力分析。许多复杂的工程构件，目前还没有可靠的计算理论、或计 算极为困难。因此常常需要进行实物的物理测量和模型的分析测量，再根据专门的理论分 析，得到强度、刚度、稳定性的计算依据；这就是“实验应力分析”。 可见，材料力学实验不仅是材料力学理论的基础，同时也是解决复杂工程构件的重 要手段。 现在材料力学的实验内容日益丰富，实验技术也正在迅速发展，这本讲义只介绍了 一些最基本的实验。共六个实验，可根据不同专业要求和课程情况选做。 本材料力学实验方法指导书是根据国家教委制定的材料力学课程教学基本要求编 写的。要求学生对常用材料的基本力学性能及其方法、电测实验应力分析的基本原理和方 法有初步认识。本书力求简明易读，指导学生实验并便于教师进行实验课的组织教学。 本讲义由宋晓胜、赵复香编写。 由于水平有限和时间倡促，错误和疏漏之处敬请读者不吝指正。配合本书编有材料 力学实验报告册，供学生书写实验报告之用。 2007 年 1 月
学生实验须知材料力学实验包括材料的机械性质实验、验证理论性实验及应力分析实验等三方面内容。通过这一实验教学环节，不仅可以帮助我们加深理解材料力学理论的基础知识，而且能使我们掌握基本的实验技术、机器仪器的操作和实验方法，以培养动手能力、严肃认真的精神和良好的科学习惯。一、实验前准备工作1．预习实验指导书，熟悉实验内容和操作程序。复习课堂所讲有关内容，掌握基本原理。2．准备好实验所需自备用具如文具、纸张等，事先画好所需的记录表格或简图。3实验前指导教师考查学生对实验内容的熟悉情况。二、实验时注意事项1.遵守时间。遵守实验室规章制度。爱护实验设备，实验时注意安全。如发生故障应及时报告指导教师。2．每个学生应自己动手，认真完成实验环节。小组同学应互相配合，互相讨论。实验数据须认真记录，做到齐全无漏、准确无误。实验记录应交指导教师审阅。3.实验完毕，要整理现场，将仪器、设备恢复到原始状态。三、实验报告的书写实验完成后，必须书写实验报告，实验报告一般应包括下列内容：1.实验名称、实验日期及实验者姓名。2.实验目的、实验设备及装置，必要时应画出装置或试件简图。3.实验数据记录及计算结果。4．对实验结果的分析讨论。实验报告是实验者交出的最后成果，学生应独立完成实验报告。报告中应当数据完整、公式图表齐全、计算无误、书写整洁。III
III 学生实验须知 材料力学实验包括材料的机械性质实验、验证理论性实验及应力分析实验等三方面内 容。通过这一实验教学环节，不仅可以帮助我们加深理解材料力学理论的基础知识，而且 能使我们掌握基本的实验技术、机器仪器的操作和实验方法，以培养动手能力、严肃认真 的精神和良好的科学习惯。 一、实验前准备工作 1．预习实验指导书，熟悉实验内容和操作程序。复习课堂所讲有关内容，掌握基本 原理。 2．准备好实验所需自备用具如文具、纸张等，事先画好所需的记录表格或简图。 3．实验前指导教师考查学生对实验内容的熟悉情况。 二、实验时注意事项 1．遵守时间。遵守实验室规章制度。爱护实验设备，实验时注意安全。如发生故障 应及时报告指导教师。 2．每个学生应自己动手，认真完成实验环节。小组同学应互相配合，互相讨论。实 验数据须认真记录，做到齐全无漏、准确无误。实验记录应交指导教师审阅。 3．实验完毕，要整理现场，将仪器、设备恢复到原始状态。 三、实验报告的书写 实验完成后，必须书写实验报告，实验报告一般应包括下列内容： 1．实验名称、实验日期及实验者姓名。 2．实验目的、实验设备及装置，必要时应画出装置或试件简图。 3．实验数据记录及计算结果。 4．对实验结果的分析讨论。 实验报告是实验者交出的最后成果，学生应独立完成实验报告。报告中应当数据完整、 公式图表齐全、计算无误、书写整洁
河北理工大学土木工程实验中心材料力学实验指导实验一#拉伸试验一、实验目的1：观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等现象）。2.测定低碳钢的屈服极限（流动极限），，强度极限，，延伸率S和截面收缩率β。3.测定铸铁的强度极限。4．绘制低碳钢与铸铁的拉伸曲线，比较两种材料在拉伸时的力学性能和破坏形式。二、实验设备万能材料试验机，游标卡尺。三、试件试验表明，试件的尺寸和形状对实验结果具有一定的影响。为了避免这种影响和便于各种材料机械性质的数据能互相比较，所以对试件的尺寸和形状，按国家标准GB228-87规定，采用“标准试件”，它的截面形状通常为圆形比例试件如图1-1所示。本次实验所选试件的直径d。=10mm，标距l。=100mm，（1。=10d。）。Rde-1lc图1-1拉伸试样示意图图中，d。一试件的直径；l。一试件的标距长度。四、实验步骤1.低碳钢试件（1）试件准备。学习并观察计算长度范围内沿轴向的变形情况，用划线机将标距1.每隔10mm分刻成十格。用游标卡尺测量标距两端及中间处三个横截面处的直径，在每一横截面内沿互相垂直的两个直径方向测量一次取其平均值。用所测得的三个平均值中最小的值计算试件的横截面面积A。。（2）试验机准备。根据低碳钢的强度极限［α和横截面面积Ao估计试件的最大截荷。根据最大截荷的大小，选择合适的测力度盘。开动机器，调整平衡铊，并使测力指针对准“零”点。（3）安装试件。先将试件安装在试验机的上夹头内，再调整下夹头使其达到适当位置，把试件下端夹紧，并调整好自动绘图装置。1
河北理工大学土木工程实验中心 材料力学实验指导 1 实验一 拉伸试验 一、实验目的 1．观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等现象）。 2．测定低碳钢的屈服极限（流动极限）σ s ，强度极限σ b ，延伸率δ 和截面收缩率ϕ 。 3．测定铸铁的强度极限σ b 。 4．绘制低碳钢与铸铁的拉伸曲线，比较两种材料在拉伸时的力学性能和破坏形式。 二、实验设备 万能材料试验机，游标卡尺。 三、试件 试验表明，试件的尺寸和形状对实验结果具有一定的影响。为了避免这种影响和便于 各种材料机械性质的数据能互相比较，所以对试件的尺寸和形状，按国家标准 GB228-87 规定，采用“标准试件”，它的截面形状通常为圆形比例试件如图 1-1 所示。本次实验所 选试件的直径d0 =10mm，标距 0l =100mm，（ 0l =10 d0）。 图 1-1 拉伸试样示意图 图中，d0—试件的直径； 0l —试件的标距长度。 四、实验步骤 1．低碳钢试件 （1）试件准备。学习并观察计算长度范围内沿轴向的变形情况，用划线机将标距 0l 每 隔 10mm 分刻成十格。 用游标卡尺测量标距两端及中间处三个横截面处的直径，在每一横截面内沿互相垂直 的两个直径方向测量一次取其平均值。用所测得的三个平均值中最小的值计算试件的横截 面面积 A0 。 （2）试验机准备。根据低碳钢的强度极限[σ b ]和横截面面积 A0 估计试件的最大截 荷。根据最大截荷的大小，选择合适的测力度盘。开动机器，调整平衡铊，并使测力指针 对准“零”点。 （3）安装试件。先将试件安装在试验机的上夹头内，再调整下夹头使其达到适当位 置，把试件下端夹紧，并调整好自动绘图装置
河北理工大学土木工程实验中心材料力学实验指导0W?卸载线0boso图1-2低碳钢拉伸曲线（4）进行实验。开动试验机使之缓慢匀速加载。注意观察测力指针的转动应该是缓慢均匀的。由自动绘图器可观察到试件受力和变形的关系，如图1-2所示。称作p-△/曲线（拉伸图）。p-△/曲线上的B以前的斜直线为弹性阶段，说明p与△I二者成正比（试件开始受力时，头部在夹槽内的滑动很大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线）。当测力指针不动或倒退时，说明材料发生流动（屈服）失去抵抗变形的能力，除去测力指针首次倒退的最小值后测力指针在整个摆动过程中的最小值，即为流动载荷P（屈服点），（因首次下降时，摆锤的下落具有惯性作用（这种由于惯性作用产生的效应称惯性效应或初始瞬时效应），使力值下降较多，测出的屈服载荷P值较低，故除去此值）。图形B’BC为流动阶段。流动阶段结束，试件又恢复了抵抗变形的能力，即试件要继续变形必须增加载荷，但此时力与变形不再成正比关系。当达到拉伸图D点是，载荷达到最大值P，图形由C至D段，称为强化阶段。由从动指针读出P.数值，此时试件开始发生“颈缩”，截面迅速减小，测力指针倒退，直至E点断裂为止。DE段为颈缩阶段。（5）观察冷作硬化现象。在屈服阶段以后，在相应拉伸图上CD间的G点处卸载，如图1-2，这时可以看到卸载过程中力和变形将成直线关系，沿GO线变化回到O点，并留下残余变形（塑性变形）OO，将这个试件重新进行加载，其受力与变形将按曲线O,GDE的规律变化，可以看到，此时材料的强度（以屈服点，衡量）提高了，而其伸长率则减少。这种现象就是冷作硬化现象。（6）停止电动机的转动，取下试件。将断裂试件的两段对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量断裂后标距段的长度1；测量左、右两段断口（颈缩）处的直径d，，应在每一断口处沿两个互相垂直方向各测量d一次，计算其平均值，取其中最小者计算断口处横截面面积A。（7）关于测量1的说明：若断口不在标距长度中部三分之一区段内，需采用断口移中的办法，以计算试件拉断后的标距长度1。试验后将拉断的试件断口对紧，如图1-3。以断口0为起点，在长段上2
河北理工大学土木工程实验中心 材料力学实验指导 2 图 1-2 低碳钢拉伸曲线 （4）进行实验。开动试验机使之缓慢匀速加载。注意观察测力指针的转动应该是缓 慢均匀的。由自动绘图器可观察到试件受力和变形的关系，如图 1-2 所示。称作 p − Δl 曲 线（拉伸图）。 p − Δl 曲线上的 ' Β 以前的斜直线为弹性阶段，说明 p 与Δl 二者成正比（试件开始受 力时，头部在夹槽内的滑动很大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线）。 当测力指针不动或倒退时，说明材料发生流动（屈服）失去抵抗变形的能力，除去测 力指针首次倒退的最小值后测力指针在整个摆动过程中的最小值，即为流动载荷 P（屈服 点），（因首次下降时，摆锤的下落具有惯性作用（这种由于惯性作用产生的效应称惯性效 应或初始瞬时效应），使力值下降较多，测出的屈服载荷 Ps 值较低，故除去此值）。图形 ' B BC 为流动阶段。流动阶段结束，试件又恢复了抵抗变形的能力，即试件要继续变形必 须增加载荷，但此时力与变形不再成正比关系。当达到拉伸图 D 点是，载荷达到最大值 Pb ， 图形由 C 至 D 段，称为强化阶段。由从动指针读出 P0 数值，此时试件开始发生“颈缩”， 截面迅速减小，测力指针倒退，直至 E 点断裂为止。DE 段为颈缩阶段。 （5）观察冷作硬化现象。在屈服阶段以后，在相应拉伸图上 CD 间的 G 点处卸载， 如图 1-2，这时可以看到卸载过程中力和变形将成直线关系，沿GO1线变化回到O1点，并 留下残余变形（塑性变形）OO1，将这个试件重新进行加载，其受力与变形将按曲线O1GDE 的规律变化，可以看到，此时材料的强度（以屈服点σ s 衡量）提高了，而其伸长率则减 少。这种现象就是冷作硬化现象。 （6）停止电动机的转动，取下试件。将断裂试件的两段对齐并尽量靠紧，用游标卡 尺测量断裂后标距段的长度 1 l ；测量左、右两段断口（颈缩）处的直径 1 d ，应在每一断口 处沿两个互相垂直方向各测量 1 d 一次，计算其平均值，取其中最小者计算断口处横截面 面积 A1。 （7）关于测量 1 l 的说明： 若断口不在标距长度中部三分之一区段内，需采用断口移中的办法，以计算试件拉断 后的标距长度 1 l 。试验后将拉断的试件断口对紧，如图 1-3。以断口 O 为起点，在长段上
河北理工大学土木工程实验中心材料力学实验指导取基本等于短段的格数得B点。当长段所余格数为偶数时（图1-3），量取长段所余格数的一半得出C点，将BC段长度移到试件左端，则移位后的1为1=AB+2BC在长段上取基本等于短段格数得B点后，若长段所余格数为奇数时（图1-3（b））可在长段上量取所余格数减一之半得C点，再量取所余格数加一之半得C点，则移位后的1为I=AB+ BC+ BC为什么要将断口移中呢？这是因为断口靠近试件两端时，在断裂试件的较短一段上，必将受到试件头部较粗部分的影响，而降低颈缩部分的局部伸长量，从而使延伸率的数值偏小，用断口移中的办法可在一定程度上弥补上述偏差。Le()原试样oa(b)6,b,(c)图1-3移位测量方法当断口非常靠近试件两端，而其与头部的距离等于或小于直径d.的两倍时，试验结果无效，当须重作。2.铸铁试件（1）实验步骤与低碳钢相同，但不取试件标距长度。（2）加载直至试件断裂，记录最大载荷P.值。（3）停车，取下试件。五、实验记录及结果的整理1.低碳钢（1）强度指标3
河北理工大学土木工程实验中心 材料力学实验指导 3 取基本等于短段的格数得 B 点。当长段所余格数为偶数时（图 1-3），量取长段所余格数 的一半得出 C 点，将 BC 段长度移到试件左端，则移位后的 1 l 为 1 l = AB + 2BC 在长段上取基本等于短段格数得 B 点后，若长段所余格数为奇数时（图 1-3（b））可 在长段上量取所余格数减一之半得 C 点，再量取所余格数加一之半得C1点，则移位后的 1 l 为 1 l = AB + BC + BC1 为什么要将断口移中呢？这是因为断口靠近试件两端时，在断裂试件的较短一段上， 必将受到试件头部较粗部分的影响，而降低颈缩部分的局部伸长量，从而使延伸率δ 的数 值偏小，用断口移中的办法可在一定程度上弥补上述偏差。 图 1-3 移位测量方法 当断口非常靠近试件两端，而其与头部的距离等于或小于直径d0的两倍时，试验结 果无效，当须重作。 2．铸铁试件 （1）实验步骤与低碳钢相同，但不取试件标距长度。 （2）加载直至试件断裂，记录最大载荷 Pb 值。 （3）停车，取下试件。 五、实验记录及结果的整理 1．低碳钢 （1）强度指标
河北理工大学土木工程实验中心材料力学实验指导P屈服极限，AoP,强度极限，Ao（2）塑性指标1-lo×100%延伸率8=lo面积收缩率α=4=4×100%Ao（3）参照自动绘图仪所绘的拉伸曲线，绘出拉伸图，并绘出试件试验前后草图。2.铸铁P（1）铸铁的抗拉强度极限。，=Ao（2）参照自动绘图四所绘的拉伸曲线，绘出拉伸图，并绘出试件试验前后草图。3.记录与计算表格形式试件寸尺表 1-1前实验直径do(mm)标距截面I截面IⅢI最小横截截面IⅡI材料面面积lo平平平Ao(mm)(mm(1)(1)(2)(2)(1)(2)均均均)低碳钢铸铁实验后断口处最小横标距断口处直径dl（mm）材料截面面积1i左段右段Ao(mm)(mm)(1)(2)平均(1)(2)平均低碳钢4
河北理工大学土木工程实验中心 材料力学实验指导 4 屈服极限 A0 Ps σ s = 强度极限 A0 Pb σ b = （2）塑性指标 延伸率 100% 0 1 0 × − = l l l δ 面积收缩率 100% 0 0 1 × − = A A A ϕ （3）参照自动绘图仪所绘的拉伸曲线，绘出拉伸图，并绘出试件试验前后草图。 2．铸铁 （1）铸铁的抗拉强度极限 A0 Pb σ b = （2）参照自动绘图四所绘的拉伸曲线，绘出拉伸图，并绘出试件试验前后草图。 3．记录与计算表格形式 试 件 尺 寸 表 1-1 实 验 前 直 径 d0(mm) 截面Ⅰ 截面Ⅱ 截面Ⅲ 材料 标 距 l 0 （mm ） （1） （2） 平 均 （1） （2） 平 均 （1） （2） 平 均 最小横截 面面积 A0(mm2 ) 低碳钢 铸铁 实 验 后 断口处直径 d1（mm） 左段 右段 材料 标 距 l1 （mm） （1） （2） 平均 （1） （2） 平均 断口处最小横 截面面积 A0(mm2 ) 低碳钢
河北理工大学土木工程实验中心材料力学实验指导实验与结果表1-2数据材料实验数据实验结果kNN/mm2（MP.)屈服时的最小载荷P,=屈服极限,=拉断时的最大载荷P,=kN强度极限.=N/mm2（MP.)P-△I曲线（拉伸图）低%延伸率8=碳%面积收缩率=钢试件形状：拉伸前拉断后破坏载荷P.=kN强度极限.=N/mm2 (MP.)试件形状：P-△I曲线（拉伸图）拉伸前拉断后铸铁六，讨论题1.试比较低碳钢和铸铁的机械性质。所得数值有何实用价值？2．为什么要用标准试件？3.由自动绘图器所绘出拉伸图，最初一段为什么是曲线？5
河北理工大学土木工程实验中心 材料力学实验指导 5 实 验 数 据 与 结 果 表 1-2 材料 实验数据 实验结果 屈服时的最小载荷 P =s kN 屈服极限σ =s 2 N mm （MPa ） 拉断时的最大载荷 P =b kN 强度极限σ =b 2 N mm （MPa ） 延伸率δ = % 面积收缩率ψ = % 低 碳 钢 Ρ -Δl 曲线（拉伸图） 试件形状： 拉伸前 拉断后 破坏载荷P =b kN 强度极限σ =b 2 N mm （MPa ） 铸 铁 Ρ -Δl 曲线（拉伸图） 试件形状： 拉伸前 拉断后 六，讨论题 1．试比较低碳钢和铸铁的机械性质。所得数值有何实用价值？ 2．为什么要用标准试件？ 3．由自动绘图器所绘出拉伸图，最初一段为什么是曲线？
河北理工大学土木工程实验中心材料力学实验指导附录：试验机的一般介绍在材料力学实验中，最常用的机器是万能材料试验机。它可以做拉伸、压缩、剪切、弯曲等试验，故习惯上称它为万能材料试验机，简称为全能机。全能机有多种类型。这里仅对常用的两种类型介绍如下：1）WE一一10型液压摆式万能材料试验机C图1-1液压式万能材料试验机外形图WE一10型液压摆式万能材料试验机的外形如图1-4，它的构造原理示意图如图1-2。上横梁回油管活塞工作油缸进油管、传力柱-测力齿杆记录纸活动平台拨杆上夹头装做传动维试件回油阀0下夹头摆锤送油阀蜗轮、蜗杆CoN调位电机Ea油梦测油油泵力泵力力箱电杆油活机寒图1-2液压摆式万能材料试验机原理示意图6
河北理工大学土木工程实验中心 材料力学实验指导 6 附录：试验机的一般介绍 在材料力学实验中，最常用的机器是万能材料试验机。它可以做拉伸、压缩、剪 切、弯曲等试验，故习惯上称它为万能材料试验机，简称为全能机。全能机有多种类型。 这里仅对常用的两种类型介绍如下： 1）WE——10 型液压摆式万能材料试验机 图 1-1 液压式万能材料试验机外形图 WE—10 型液压摆式万能材料试验机的外形如图 1-4，它的构造原理示意图如图 1-2。 图 1-2 液压摆式万能材料试验机原理示意图