材料力学实验指导书(2007版)中国海洋大学工程学院土木工程实验中心编者：郭卫国学生实验守则一、实验前要认真预习，明确实验内容、原理、目的、步骤和注意事项；课外实验研究项目，实验前应拟定实验方案，并经实验室管理人员审查同意方可实施；二、学生在教师的指导下自主进行实验，要严格遵守仪器设备操作规程，节约使用实验材料和水、电、气，如实记录实验现象、数据和结果，认真分析，独立完成实验报告；三、爱护仪器设备及其他设施、物品，不得擅自动用与实验无关的仪器设备和物品；不准擅自将实验室的物品带出室外；损坏或遗失仪器设备及其他设施、物品，应按学校有关规定进行赔偿；四、实验完毕后，要及时关闭电源、水源、气源，清理卫生，将仪器设备和实验物品复位，经指导老师检查合格后方可离开；五、注意安全，熟悉安全设施和事故处理措施，实验过程中发现异常情况要及时报告；发生危险时，应立即关闭电源、水源、气源，并迅速撤离；规范处理实验废液、废气和固体废弃物；六、遵守纪律，必须按规定或预约时间参加实验，不得迟到、早退、旷课；保持实验室安静，不准大声喧哗、嬉闹，不准从事与实验无关的活动；保持实验室清洁，不准吸烟，不准随地吐痰、乱扔杂物。

前言实验是进行科学研究的重要方法，科学史上许多重大发明是依靠科学实验而得到的，许多新理论的建立也要靠实验来验证。

例如材料力学中应力－应变的线性关系就是胡克于1668年到1678年间作了一系列的弹簧实验之后建立起来的。

不仅如此，实验对材料力学有着更重要的一面，因为材料力学的理论是建立在将真实材料理想化、实际构件典型化、公式推导假设化基础之上的，它的结论是否正确以及能否在工程中应用，都只有通过实验验证才能断定。

在解决工程设计中的强度、刚度等问题时，首先要知道材料的力学性能和表达力学性能的材料常数，这些常数只有靠材料试验才能测定。

有时实际工程中构件的几何形状和载荷都十分复杂，构件中的应力单纯靠计算难以得到正确的数据，在这种情况下必须借助于实验应力分析的手段才能解决。

所以材料力学实验是学习材料力学课程不可缺少的重要环节。

材料力学实验包括以下三个方面的内容：一、测定材料的力学性质。

材料的力学性质通常是通过拉伸、压缩、扭转、等试验来测定的。

通过这些试验，学会测量材料力学性能的基本方法。

在工程上，各种材料的力学性能是设计构件时不可缺少的依据。

二、验证理论公式的正确性。

在理论分析中，将实际问题抽象为理想模型，并做出某些科学假设（如纯弯曲时的平面假设等），使问题简化，从而推出一般性结论和公式，这是理论研究中常用的方法。

但是这些假设和结论是否正确，理论公式是否能应用于实际之中，必须通过实验来验证。

三、实验应力分析。

在工程实践中，很多构件的形状和受载情况比较复杂，单纯依靠理论计算不易得到正确的结果，必须用实验的方法来了解构件的应力分布规律，从而解决强度问题，这种办法称为实验应力分析。

目前实验应力分析的方法很多，这里只介绍应用较广的电测法。

通过材料力学的实验课，要求学生初步掌握材料力学的基本试验方法，各种试验机、电阻应变仪等试验设备的使用方法，以及实验结果整理方法等基本内容。

目录一．拉伸实验 (1)二．拉伸时低碳钢弹性模量E的测定 (15)三．压缩实验 (29)四．圆轴扭转实验 (32)五．纯弯曲梁的正应力实验 (37)六．冲击实验（演示） (42)七．材料在复杂受力状态下的应力分析 (44)实验一 拉伸实验拉伸实验是检验材料力学性能的最基本的实验。

一、实验目的1．了解试验设备——材料试验机的构造和工作原理，掌握其操作规程及使用时的注意事项。

2．测定低碳钢的屈服极限s σ、强度极限b σ、延伸率δ、断面收缩率ψ。

3．测定铸铁的强度极限b σ。

4．观察以上两种材料在拉伸过程中的各种现象，并利用自动绘图装置绘制拉伸图（P 一L ∆曲线）。

5．比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸时的力学性质。

二、实验仪器1．量具：游标卡尺。

2．万能材料试验机。

常用万能材料试验机有两种：液压式及电子式。

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，简称为万能机。

下面将这两种万能材料试验机的构造、工作原理及操作规程介绍如下：◆液压式以WE —10型液压摆式万能材料试验机为例：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—1，它的构造原理示意图如下图图1-2 液压摆式万能材料试验机原理示意图（1）加力部分在试验机的底座上，装有两根固定立柱，立柱支承着固定横梁及工作油缸。

开动油泵电动机带动油泵工作，将油箱里的油，经油管和送油阀送至工作油缸，从而推动活塞，使上横梁、传力柱和活动平台向上移动。

如将试件装于上夹头和下夹头内，当活动平台向上移动时，因下夹头不动，而上夹头随着平台向上移动，则试样受到拉伸；如将试件放在活动平台的垫板上，当活动平台上升到试件与固定横梁上的垫板接触时，则试件就受到压缩。

做拉伸实验时，为了适应不同长度的试样，可开动下夹头的电动机使之带动蜗杆、蜗杆带动蜗轮、蜗轮再带动丝杆，可控制下夹头上、下移动，调整适当的拉伸空间。

（2）测力部分装在试验机上的试件受力后，它所受的力的大小，可在测力盘上直接读出。

试件受了载荷的作用，工作油缸内的油就具有一定的压力。

该压力的大小与试样所受载荷的大小成正比。

而测力油管将工作油缸与测力油缸联通，则测力油缸就受到与工作油缸相等的油压。

此油压推动测力活塞，带动传力杆，使摆杆和摆锤绕支点转动。

试样受力愈大，摆的转角也愈大。

摆杆转动时，它上面的推杆便推动水平齿条，从而使齿轮带动测力指针旋转，这样便可从测力度盘上读出试样受力的大小。

摆锤的重量可以调换，一般试验机可以更换三种锤重，故测力度盘上也相应有三种刻度，这三种刻度对应着机器的三种不同的量程。

WE—10型万能试验机有0～20KN、0～50KN、0～100KN三种测量量程。

（3）操作步骤①加载前，测力指针应指在度盘的“零”点，否则必须加以调整。

调整时，先开动油泵电动机，将活动平台升起3～5mm左右，然后稍旋动摆杆上的平衡铊，使摆杆保持铅直位置，再转动水平齿条使指针对准“零”点。

其所以先升起活动平台才调整零点的原因，是由于上横梁、活动立柱和活动平台等有相当大的质量，要有一定的油压才能将它升起。

但是这部分油压并未用来给试件加载，不应反映到试件载荷的读数中去。

②选择量程，装上相应的锤重。

再一次按①方法，校准“零”点。

调好回油缓冲器的旋钮，使之与所选的量程相同。

③安装试样。

压缩试件必须放置垫板。

拉伸试件则须调整下夹头位置，使拉伸区间与试样长短适应。

注意：试样夹紧后，绝对不允许再调整下夹头，否则会造成烧毁下夹头电动机的严重事故。

④调整好自动绘图仪的传动装置和笔、纸等。

⑤检查送油、回油阀，一定要注意它们均应在关闭位置。

③开动油泵电动机，缓缓打开送油阀，用慢速均匀加载。

③实验完毕，立即停车取下试样。

这时关闭送油阀，缓慢打开回油阀，使油液泄回油箱，于是活动平台回到原始位置。

最后将一切机构复原，并清理机器。

（4）注意事项①开车前和停车后，送油阀、回油阀一定要在关闭位置。

加载、卸载和回油均应缓慢进行。

加载时要求测力指针匀速平稳地走动，应严防送油阀开得过大，测力指针走动太快，致使试件受到冲击作用。

②拉伸试件夹住后，不得再调整下夹头的位置，以使带动下夹头升降的电动机烧坏。

③机器运转时，操纵者必须集中注意力，中途不得离开，以免发生安全事故。

④试验过程中，不得触动摆锤，以免影响试验读数。

⑤在使用机器的过程中，如果听到异声或发生任何故障应立即停车（切断电源），进行检查和修复。

◆电子式以WDW3100电子式万能试验机为例：图1-3 WDW3100电子式万能试验机外形图本机用途WDW3100电子式万能试验机是新一代高性能电子万能试验机，它无论是整机结构或测量与控制方式都与原设计模式有较大改进，可对金属、非金属的原材料及其制品进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离、磨擦、撕裂等多项力学试验。

主机特点整机设计简洁紧凑。

具有体积适中、使用方便灵活等特点。

采用滚珠丝杠，双光杠双导向传动系统。

使传动更精确，更平稳。

操作简单，采用大屏幕液晶显示面板，可自由选择操作位置，操作方便，灵活。

驱动系统采用Panasonic(松下)全数字交流伺服控制系统，良好的参数选择，使动静特性有极好的品质，且具有很高的测量和检测精度。

本机只须配备不同的试验装置即可作各种不同的性能试验。

以高精度传感器为转换元件的测力、变形测量放大器具有精度高、稳定性好的特点。

本机配以计算机控制系统后可实现自动换档，自动调零及恒应力、恒应变等多种试验功能。

结构概述它主要由上横梁、移动横梁、台面及光杠组成框架式结构，滚珠丝杠固定在台面和上横梁之间。

两滚珠丝杠之丝母及两光杠之导套固定在移动横梁上。

工作原理电机通过三级同步带轮减速以后带动丝杠旋转，从而推动移动横梁在选定的速度下作直线运动以实现各种试验功能。

为了防止移动横梁超过上下极限位置造成机械事故或使移动横梁能停在设定位置，试验机设有一个移动横梁限位保护机构。

当移动横梁上的拔叉碰到挡块时，便通过限位杆、触片碰压限位开关的触点，从而使试验机停车。

位移測量为了精确测量移动横梁的位移，通过光电编码器就把丝杠的转角变成了编码器的脉冲输出。

编码器输出的脉冲经整形后输出给计算机，计算机将接收到脉冲信号再次整形、滤波后进行辨向识别、判断、计算处理并将结果送给显示部分和终端设备。

开机步骤第一步：连接电缆线；第二步：打开空气开关；第三步：打开钥匙开关；第四步：打开电脑显示器（仅限微机控制）；第五步：打开电脑主机开关（仅限微机控制）；第六步：运行试验程序（仅限微机控制）。

在使用试验机过程中出现异常情况，不能以正常手段关机时，请立即按下“紧急停车”按钮，保护试验机不被意外损坏。

试验机正常开启后，并安装好夹具及试样，各通道数据有初始值，做试验之前必需清零。

另外，试验前应设置后测试参数。

三、实验原理1．为了检验低碳钢拉伸时的机械性质，应使试件轴向受拉直至断裂，在拉伸过程中以及试件断裂后，测读出必要的特征数据（如；PS 、Pb、L1、dl）经过计算，便可得到表示材料力学性能的指标：σs 、σb 、δ、ψ。

2．铸铁属脆性材料，轴向拉伸时，在变形很小的情况下就断裂，故一般测定其抗拉强度极限σb 。

四、实验试件试件如图l —3。

夹持部分用来装入试验机夹具中以便夹紧试件，过 渡部分用来保证标距部分能 图1-3均匀受力，这两部分的形状和尺寸，决定于试件的截面形状和尺寸以及机器夹具类型。

标距l 0是待试部分，也是试件的主体，其长度通常简称为标距，也称为计算长度。

试件的尺寸和形状对材料的塑性性质影响很大。

为了能正确地比较各种材料的力学性质，国家对试件尺寸作了标准化规定。