材料力学实验指导王庆石河子大学水利建筑工程学院工程力学系
材料力学实验指导 石河子大学水利建筑工程学院工程力学系 王庆
目录第一章绪言·实验在材料力学课程中的地位1.11.2材料力学实验的基本内容1.3实验须知实验报告的一般要求·1.4第二章力学性能测试第一节拉伸试验：概述·2.1.1试验目的·2.1.2试验设备2.1.3..2.1.4试样-2.1.5试验原理2.1.6试验步骤2.1.7实验结果的处理2.1.8金属材料拉伸断口分析132.1.9思考题·.13第2节材料的条件屈服极限α0.2的测定14概述，2.2.11.42.2.2实验目的142.2.3试验原理142.2.4思考题15第3节压缩试验152.3. 1概述·15试验目的.2.3.2·152.3.3试验设备·15试验原理·2.3.4·162.3.5试验步骤·.17思考题2.3.6..21第4节剪切试验·-22概述2.4.1.222.4.2试验目的··22
目 录 第一章 绪言.1 1.1 实验在材料力学课程中的地位.1 1.2 材料力学实验的基本内容.1 1.3 实验须知.1 1.4 实验报告的一般要求.2 第二章 力学性能测试.2 第一节 拉伸试验.2 2.1 .1 概述.2 2.1 .2 试验目的.3 2.1 .3 试验设备.3 2.1 .4 试样.5 2.1 .5 试验原理.5 2.1 .6 试验步骤.6 2.1.7 实验结果的处理.9 2.1.8 金属材料拉伸断口分析.13 2.1.9 思考题.13 第 2 节 材料的条件屈服极限σ0. 2 的测定.14 2.2 .1 概述.14 2.2.2 实验目的.14 2.2.3 试验原理.14 2.2.4 思考题.15 第 3 节 压缩试验.15 2.3.1 概述.15 2.3.2 试验目的.15 2.3.3 试验设备.15 2.3.4 试验原理.16 2.3.5 试验步骤.17 2.3.6 思考题.21 第 4 节 剪切试验.22 2.4.1 概述.22 2.4.2 试验目的.22
2.4.3试验设备及试祥.222.4.4试验原理·222.4.5试验步骤·232.4.6思考题·24第5节扭转试验-242.5.1概述·.·242.5.2实验目的252.5.3试验设备·252.5.4试件..252.5.5试验原理·252.5.6试验步骤·.272.5.7试验结果分析-282.5.8思考题29第三章电测应力分析·29第1节电测法的基本原理.2·293.1.1电阻应变片…·293.1.2电阻应变仪…..30温度补偿·3.1.3-31第2节DH3818静态电阻应变仪323.2.1概述·323.2.2工作原理-32第3节等强度梁静态应变测量….·333.3.1实验目的·-333.3.2试验设备··333.3.3试验步骤·.33第4节梁弯曲正应力实验·393. 4. 1概述·-393.4.2矩形截面直梁弯曲正应力实验·.·39第5节设计性试验（弯扭组合的主应力的测定）:..413.5.1试验目的-413.5.2试验设备·.413.5.3试验原理·.423.5.4分析及讨论·-43
2. 4. 3 试验设备及试祥.2 2 2.4.4 试验原理.22 2.4.5 试验步骤.23 2.4.6 思考题.24 第 5 节 扭转试验.24 2.5.1 概述.24 2.5.2 实验目的.25 2.5.3 试验设备.25 2.5.4 试件.25 2.5.5 试验原理.25 2.5.6 试验步骤.27 2.5.7 试验结果分析.28 2.5.8 思考题.29 第三章 电测应力分析.29 第 1 节 电测法的基本原理.29 3.1.1 电阻应变片.29 3.1.2 电阻应变仪.30 3.1.3 温度补偿.31 第 2 节 DH3818 静态电阻应变仪.32 3.2.1 概述.32 3.2.2 工作原理.32 第 3 节 等强度梁静态应变测量.33 3.3.1 实验目的.33 3.3.2 试验设备.33 3.3.3 试验步骤.33 第 4 节 梁弯曲正应力实验.39 3.4.1 概述.39 3.4.2 矩形截面直梁弯曲正应力实验.39 第 5 节 设计性试验(弯扭组合的主应力的测定).41 3.5.1 试验目的.41 3.5.2 试验设备.41 3.5.3 试验原理.42 3.5.4 分析及讨论.43
第一章绪言1.1实验在材料力学课程中的地位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。材料力学的发展也同样离不开实验。现有的理论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。1.2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。在完成这类实验后，应能够通过对变形、破环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理论都是建立在一些简化和假定基本上的。对于某一真实受力结构，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。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。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。使用计算力学方法虽然可对其进行数值求解，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。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。学生在学习这类实验的时候，在验证理论的同时，也学到了非常实用的方法。第二章力学性能测试第一节拉伸试验2.1.1概述拉伸试验是对各种材料在常温、静载、轴向受力状况下进行材料力学性能测试最基本、应用最广泛的试验之一。金属材料的拉伸试验依据国家标准GB228一2002执行，本试验采用低碳钢和铸铁作为塑性材料和脆性材料的代表，分别进行拉伸试验。2.1.2试验目的(1)测定低碳钢的下屈服点αs1，抗拉强度0、断后伸长率8和断面收缩率Φ。(2)测定铸铁的抗拉强度h
第一章 绪 言 1.1 实验在材料力学课程中的地位 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。 材料力学的发展也同样离不开实验。现有的理论并不能解 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。 1.2 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。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 材料力学理论都是建立在一些简化和假定基本上的。对于某一真实受力结构，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。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。 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。使用计算力学方法虽然可对其进行数值求解，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。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。学生在学习这类实验的时候，在验证理论的同 时，也学到了非常实用的方法。 第二章 力学性能测试 第一节 拉伸试验 2.1.1 概述 拉伸试验是对各种材料在常温、静载、轴向受力状况下进行材料力学性能测试最基本、 应用最广泛的试验之一。金属材料的拉伸试验依据国家标准 GB228—2002 执行，本试验采用 低碳钢和铸铁作为塑性材料和脆性材料的代表，分别进行拉伸试验。 2.1.2 试验目的 (1)测定低碳钢的下屈服点σsl，抗拉强度σb、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 (2)测定铸铁的抗拉强度σb
(3)观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的各种现象。4）掌握电子材料试验机自动测试系统的操作方法。2.1.3试验设备电子万能材料试验机、计算机、钢尺、分规、游标卡尺。在材料力学实验中，最常用的机器是万能材料实验机，它可以做拉伸、压缩、剪切、弯曲等试验，故称它为万能材料实验机。它由主机与附件组成，主机的电子万能试验机工作时，由主控计算机通过PS-232标准总线接口对各测量、控制功能函数进行调用、管理、控制，并利用主机与附件的功能搭配组合，完成多种功能试验。2.1.4试样试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果均有影响。为了便于比较各种材料的机械性能，对试件的尺寸和形状在国家标准（GB/T228-2002）《金属材料室温拉伸试验》中有统一规定。最常见的拉伸试样是圆形和矩形试样。它们均由夹持、过渡和平行三部分组成（图2-2）。场(a)猫1(b)图2-2拉伸试样图试验分常用比例试样和定标距试样两种。比例试样其原始标距与横载面积关系L。=kA。计算公式为式中比例系数是通常为5.65或11.3，前者称为短试样，后者称为长试样；A。为试样平行部分原始横载面面积。对圆形试样来说，短试样和长试样的标距分别等于5d和10d定标距试样的L与A无上述关系。本次试验采用ds=10mm，标距L,=100mm的圆形长比例试件。2.1.5试验原理与方法应用智能应力变送器接受电子能材料试验机传感器的信号，并对其进行处理后送入测试软件，实现静力材料力学性能的自动测试。低碳钢试样试验时，利用计算机自动测试绘出低碳钢的拉伸（图2-3）；自动采集下屈服力Fs最大力F；自动得到下屈服应力o抗拉强度ob。通过输入试样拉断后的标距L和缩颈
(3)观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的各种现象。 (4)掌握电子材料试验机自动测试系统的操作方法。 2.1.3 试验设备 电子万能材料试验机、计算机、钢尺、分规、游标卡尺。 在材料力学实验中，最常用的机器是万能材料实验机，它可以做拉伸、压缩、剪切、弯 曲等试验，故称它为万能材料实验机。它由主机与附件组成，主机的电子万能试验机工作时， 由主控计算机通过 PS-232 标准总线接口对各测量、控制功能函数进行调用、管理、控制，并 利用主机与附件的功能搭配组合，完成多种功能试验。 2.1.4 试样 试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果均有影响。为了便于比较各种材料的机械性能， 对试件的尺寸和形状在国家标准(GB/T228-2002)《金属材料室温拉伸试验》中有统一规定。 最常见的拉伸试样是圆形和矩形试样。它们均由夹持、过渡和平行三部分组成(图 2-2)。 图 2-2 拉伸试样图 试验分常用比例试样和定标距试样两种。比例试样其原始标距与横载面积关系 0 A0 L = k 计算公式为式中比例系数是通常为 5.65 或 11.3，前者称为短试样，后者称为长 试样；A0 为试样平行部分原始横载面面积。对圆形试样来说，短试样和长试样的标距分别等 于 5d0 和 10d0 定标距试样的 LO 与 A0 无上述关系。本次试验采用 d0=10mm，标距 L0=100mm 的圆 形长比例试件。 2.1.5 试验原理与方法 应用智能应力变送器接受电子万能材料试验机传感器的信号，并对其进行处理后送入测 试软件，实现静力材料力学性能的自动测试。 低碳钢试样试验时，利用计算机自动测试绘出低碳钢的拉伸（图 2-3）；自动采集下屈服 力 Fsl 最大力 Fb；自动得到下屈服应力σsl 抗拉强度σb。通过输入试样拉断后的标距 L1 和缩颈
处量小平均直径d后，也可自动得到断后伸长率8和断面收缩率中的试验结果。A初始瞬时效应AL0ALAI0图2-3低碳钢拉伸图图2-4铸铁拉伸图铸铁试样试验时，利用计算机自动测试绘出拉伸图（图2-4），自动采集最大力F，自动得到抗拉强度6，若利用读数盘操作，可观察到试样拉伸变形很小就突然断裂，其抗拉强度远远小于低碳钢的抗拉强度。单曲钱图文件缩故手工标记类型打印最大试.抗拉强度手仓&：4100试祥号：桂办+位移（x坐标值：0.0000E标值：0,0027图 2-5
处量小平均直径 d1 后，也可自动得到断后伸长率δ和断面收缩率ψ的试验结果。 图 2-3 低碳钢拉伸图 图 2-4 铸铁拉伸图 铸铁试样试验时，利用计算机自动测试绘出拉伸图（图 2-4），自动采集最大力 Fb，自动 得到抗拉强度σb，若利用读数盘操作，可观察到试样拉伸变形很小就突然断裂，其抗拉强度 远远小于低碳钢的抗拉强度。 图 2-5
(1)根据下屈服力Fsi及最大力Fb计算下屈服点osl,及抗拉强度αb，其值分别为FEasI=Ob =AoAo(2)根据试验前后的标距长度和横截面面积计算断后伸长率8和断面收缩率中，其值分别L - Lo ×100%为8=1LoAo-A×100%V=Ao2.1.5思考题（1）试比较低碳钢和铸铁在拉伸时的机械性能：试根据不同的断口形状说明材料的两种基本断裂形式。(2)用材料和直径相同而标距长度分别为5d和10d两种试件测定断后伸长率8，试验结果有何差别?为什么？(3)若受力试件的变形已超出弹性阶段，而进入强化阶段，则试件只有塑性变形而无弹性变形，这一结论对吗?为什么？(4)用直径d=10.00mm的低碳钢试件做拉伸试验测得的有关数据已记录于表2一1，试计算其比例极限、屈服极限、强度极限、弹性模量和延伸率。表2-1低碳钢试件拉伸试验数据表载荷(kN)标距100mm的伸长（mm）载荷(kN)标距100mm的伸长（mm）0034.25.0000. 0236. 57. 006. 50. 0437.99. 009.80.0638.811.0016.50. 1039.513. 0019.70. 1239.815. 0022. 90. 1440.017. 0027. 10. 2040. 220.0026.70.3540. 023.0027. 039.50.5529.0027.21, 5035.929. 0027.82.50断裂30.429.83.00第2节材料的条件屈服极限0.2的测定
(1)根据下屈服力 Fsl 及最大力 Fb 计算下屈服点σsl,及抗拉强度σb，其值分别为 A0 Fsl sl = A0 Fb b = (2)根据试验前后的标距长度和横截面面积计算断后伸长率δ和断面收缩率ψ，其值分别 为： 100% 0 1 0 − = L L L 100% 0 0 1 − = A A A 2.1.5 思考题 (1)试比较低碳钢和铸铁在拉伸时的机械性能；试根据不同的断口形状说明材料的两种基 本断裂形式。 (2)用材料和直径相同而标距长度分别为 5d0 和 10d0 两种试件测定断后伸长率δ，试验结 果有何差别?为什么? (3)若受力试件的变形已超出弹性阶段，而进入强化阶段，则试件只有塑性变形而无弹性 变形，这一结论对吗?为什么? (4)用直径 d=10.00mm 的低碳钢试件做拉伸试验测得的有关数据已记录于表 2—1，试计 算其比例极限、屈服极限、强度极限、弹性模量和延伸率。 表 2-1 低碳钢试件拉伸试验数据表 载荷(kN) 标距 100mm 的伸长(mm) 载荷(kN) 标距 100mm 的伸长(mm) 0 0 0 0.02 6.5 0.04 9.8 0.06 16.5 0.10 19.7 0.12 22.9 0.14 27.1 0.20 26.7 0.35 27.0 0.55 27.2 1.50 27.8 2.50 29.8 3.00 34.2 5.00 36.5 7.00 37.9 9.00 38.8 11.00 39.5 13.00 39.8 15.00 40.0 17.00 40.2 20.00 40.0 23.00 39.5 29.00 35.9 29.00 断裂 30.4 第 2 节 材料的条件屈服极限σ 0.2 的测定
2.2.1概述在前面的低碳钢拉伸试验中我们可以观察到弹性、屈服、强化、颈缩四个阶段，很容易就测得屈服极限a。事实上对于其他的金属材料，S-ε曲线并不都像低碳钢那样具备四个阶段，而大多数金属材料都没有明显屈服现象，由于这类材料无明显的屈服现象，因而，其屈服强度只能用规定塑性变形量的办法来测定。即在拉伸过程中，其标距部分的塑性伸长达到规定的原始标距长度的0.2%时的应力称为条件屈服极限或条件屈服强度，用00.2表示。2.2.2实验目的学会用图解法测试无明显屈服阶段材料的条件届服极限0.2。2.2.3试验原理与方法工程上常用图解法测定00.2°试验时，采用载荷传感器和电子式引伸计（变形传感器），用自动记录法自动绘制成比例较大的拉伸曲线图，然后，根据试件的横截面尺寸和标距大小，换算成曲线一?，利用作图法在横坐标上定出ε=0.2的一点，从该点作一平行于α-ε曲线中弹性阶段的直线，交α-ε曲线于一点，该点的纵坐标就是材料的条件届服极限00.2。如图2-6所示。a400.20.20.4E%图2-60。2的定义图2.2.4思考题(1）测定材料的α0.2有什么实际意义？(2）用同一试件是否可以多次反复测量00.2？为什么？3）00.2与0，有何区别？测定0是否要用这种作图法？第3节5压缩试验
2.2.1 概述 在前面的低碳钢拉伸试验中我们可以观察到弹性、屈服、强化、颈缩四个阶段，很容易 就测得屈服极限σs。事实上对于其他的金属材料，σ-ε曲线并不都像低碳钢那样具备四个 阶段，而大多数金属材料都没有明显屈服现象，由于这类材料无明显的屈服现象，因而，其 屈服强度只能用规定塑性变形量的办法来测定。即在拉伸过程中，其标距部分的塑性伸长达 到规定的原始标距长度的 0.2％时的应力称为条件屈服极限或条件屈服强度，用σ0.2 表示。 2.2.2 实验目的 学会用图解法测试无明显屈服阶段材料的条件屈服极限σ0.2。 2.2.3 试验原理与方法 工程上常用图解法测定σ0.2。 试验时，采用载荷传感器和电子式引伸计(变形传感器)，用自动记录法自动绘制成比例 较大的拉伸曲线图，然后，根据试件的横截面尺寸和标距大小，换算成曲线σ-ε，利用作图 法在横坐标上定出ε＝0.2 的一点，从该点作一平行于σ-ε曲线中弹性阶段的直线，交σ- ε曲线于一点，该点的纵坐标就是材料的条件屈服极限σ0.2。如图 2-6 所示。 图 2-6 σ0.2 的定义图 2.2.4 思考题 (1) 测定材料的σ0.2 有什么实际意义？ (2) 用同一试件是否可以多次反复测量σ0.2？为什么？ (3) σ0.2 与σs 有何区别？测定σs 是否要用这种作图法？ 第 3 节 压缩试验
2.3.1概述压缩试验和拉伸试验一样也是对各种材料在常温、静载、轴向受力状况下进行测试材料力学性能最基本、应用最广泛的试验之一。试验表明，有些工程材料在拉伸和压缩时所表现的力学性质不同，因此，有必要通过压缩试验来测定材料受压时的力学性能和破坏现象，并且多用于测定脆性材料，如铸铁、混凝土、砖、石等材料。同时通过压缩试验合理选用工程材料，对满足金属成型工艺的需要也是十分重要的。2.3.2试验目的(1)测定压缩时低碳钢压缩屈服点6，和铸铁的抗压强度0b。（2观察并比较低碳钢和铸铁在压缩时的变形和破环特征。2.3.3试验设备电子万能材料试验机、计算机、游标卡尺。金属材料的压缩试样按国家标准的规定选取，一般采用圆柱形试样，常用试件尺寸为L=(2.5--3.5)d或L=(1--2)do，前者适合测定0，、00后者仅适合测定0b。其尺寸、公差、表面粗糙度、两端面的平行度、对试样轴线的垂直度等在该国标中均有明确规定。2.3.4试验原理压缩实验应用电子方能材料试验机，实现静力材料力学性能的自动测试。低碳钢试样试验时，利用计算机自动测试绘出低碳钢的压缩受力图见图（a）试样愈压愈扁，甚至可以压成薄饼形状，而不破裂，所以测不出抗压强度（图2-7）。铸铁试样压缩时，载荷到达最大实际压缩力F，计算机自动测试、自动记录，此时观察曲线，当载荷稍有下降后，便可听到沉闷的破裂声。铸铁受力图可见图（图2-8）。FtFAFFFpAL0AL0（a）低碳锅（b）铸铁压缩时载荷变形图
2.3.1 概述 压缩试验和拉伸试验一样也是对各种材料在常温、静载、轴向受力状况下进行测试材料 力学性能最基本、应用最广泛的试验之一。试验表明，有些工程材料在拉伸和压缩时所表现 的力学性质不同，因此，有必要通过压缩试验来测定材料受压时的力学性能和破坏现象，并 且多用于测定脆性材料，如铸铁、混凝土、砖、石等材料。同时通过压缩试验合理选用工程 材料，对满足金属成型工艺的需要也是十分重要的。 2.3.2 试验目的 (1)测定压缩时低碳钢压缩屈服点σs 和铸铁的抗压强度σb。 (2)观察并比较低碳钢和铸铁在压缩时的变形和破坏特征。 2.3.3 试验设备 电子万能材料试验机、计算机、游标卡尺。 金属材料的压缩试样按国家标准的规定选取，一般采用圆柱形试样，常用试件尺寸为 L ＝(2.5-3.5)dO 或 L=(1-2)dO，前者适合测定σp、σs、σb 后者仅适合测定σb。其尺寸、公 差、表面粗糙度、两端面的平行度、对试样轴线的垂直度等在该国标中均有明确规定。 2.3.4 试验原理 压缩实验应用电子万能材料试验机，实现静力材料力学性能的自动测试。 低碳钢试样试验时，利用计算机自动测试绘出低碳钢的压缩受力图见图(a) 试样愈压愈扁，甚至可以压成薄饼形状，而不破裂，所以测不出抗压强度(图 2-7)。 铸铁试样压缩时，载荷到达最大实际压缩力 Fb，计算机自动测试、自动记录，此时观察 曲线，当载荷稍有下降后，便可听到沉闷的破裂声。铸铁受力图可见图(图 2-8)。 压缩时载荷变形图
铸铁试样破裂后呈鼓形，并在与轴线大约呈45°的面上破断（图2-8）。IFIF图2-7低碳钢试样被压变形图图2-8铸铁试样被压变形及断口形状单曲线图文件、缩放手工标记类型、打印OsCF10.00Lf0.00opco.00otco.00Fbc单位MPaIPaIPakh1131299.909946.6040.010234.236121.6640.255x坐标值：0.048Y坐标值：0.002图2-92.3.5.思考题(1)铸铁在拉、压两种受力形式下，断裂方式为什么不同?试分析为什么，0b>0（obe为抗压强度极限，0为抗拉强度极限）？(2)为什么铸铁拉伸时表现为脆断，而压缩时即有明显的塑性（3）分析铸铁压缩破坏的原因。(4）低碳钢拉伸有F，压缩时测不出Fs，为什么说它是拉压等强度材料?
铸铁试样破裂后呈鼓形，并在与轴线大约呈45°的面上破断(图2-8)。 图 2-7 低碳钢试样被压变形图 图 2-8 铸铁试样被压变形及断口形状 图 2-9 2.3.5. 思考题 (1)铸铁在拉、压两种受力形式下，断裂方式为什么不同?试分析为什么，σbc＞σb(σbc 为抗压强度极限，σb 为抗拉强度极限)? (2)为什么铸铁拉伸时表现为脆断，而压缩时即有明显的塑性? (3)分析铸铁压缩破坏的原因。 (4) 低碳钢拉伸有 Fs，压缩时测不出 Fb，为什么说它是拉压等强度材料?