材料力学实验指导书分析

第一章绪论

§1.1 材料力学实验的内容

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虎克于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测试才能得到。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，这种情况下必须借助于实验应力分析的手段才能解决。因此，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：

1.测定材料的力学性能材料的力学性能是指在力或能的作用下，材料在变形、强

度等方面表现出的一些特性，如弹性极限、屈服极限（屈服强度）、强度极限、弹性模量、疲劳极限、冲击韧性等。这些强度指标或参数都是构件强度、刚度和稳定性计算的依据，而它们一般要通过实验来测定。此外，材料的力学性能测定又是检验材质、评定材料热处理工艺、焊接工艺的重要手段。随着材料科学的发展，各种新型合金材料、合成材料不断涌现，力学性能的测定，是研究每一中新型材料的重要任务。

2.验证理论公式的正确性材料力学的一些理论是以某些假设为基础的，例如杆件

的弯曲理论就以平面假设为基础。用实验验证这些理论的正确性和适用范围，有助于加深对理论的认识和理解。至于新建立的理论和公式，用实验来验证更是必不可少的。实验是验证、修正和发展理论的必要手段。

3.实验应力分析某些情况下，例如因构件几何形状不规则，受力复杂或精确的边

界条件难以确定等，应力分析计算难于获得准确结果。这时，用诸如电测、光弹性等实验应力分析方法直接测定构件的应力，便成为有效的方法。对经过较大简化后得出的理论计算或数值计算，其结果的可靠性更有赖于实验应力分析的验证。§1.2 材料力学试验的标准、方法和要求

材料的强度指标如屈服极限、强度极限、持久极限等，虽是材料的固有属性，但往往与试样的形状、尺寸、表面加工精度、加载速度、周围环境（温度、介质）等有关。为使实验结果能相互比较，国家标准对试样的取材、形状、尺寸、加工精度、试验手段和方法以及数据处理都作了统一规定。

对破坏性试验，如材料强度指标的测定，考虑到材料质地的不均匀性，应采用多根试样，然后综合多根试样的结果，得出材料的性能指标。对非破坏性试验如构件的变形测量，因为要借助于变形放大仪表，为减小测量系统引入的误差，一般也要多次重复进行，然后综合多次测量的数据得到所需结果。

实验应力分析除前面提到的电测法和光弹性法外，还有激光全息光弹性法、散斑干涉法、云纹法、声弹法等。采用何种方法取决于试验的目的和对试验精度的要求。一般说，如仅需了解构件某一局部的应力分布，电测法比较合适；如需了解构件的整体应力分布，则以光弹性法为宜。有时也可把几种方法联合使用，例如可用光弹性法判定构件危险截面的位置，再使用电测法测出危险截面的局部应力分布。关于试验应力分析，本书主要介绍电测法。整理试验结果时，应剔除明显不合理的数据，并以表格或图线表明所得结果。若试验数据中两个量之间存在线性关系，可用最小二乘法拟合为直线，然后进行计算。数据运算的有效位数要依据机器、仪表的测量精度来确定。最后要求写出试验报告，并对试验结果进行分析。

第二章材料的力学性能测定

§2.1 WDW电子式万能材料试验机

测定材料的力学性能的主要设备是材料试验机。能兼作拉伸、压缩弯曲等多种实验的试验机称为万能试验机，或简称万能机。供静力实验的万能材料试验机有液压式、机械式、电子机械式等类型。下面着重介绍微机控制电子万能试验机。

电子万能材料试验机是现代电子测量、控制技术与精密机械传动相结合的新型试验机。它对载荷、变形、位移的测量和控制有较高的精度和灵敏度。与计算机联机还可进行试验进程模式控制、检测和数据处理自动化，并有低周载荷循环、变形循环、位移循环的功能。

国产电子万能材料试验机以WDW系列为基础，不同厂家生产的主机结构、信号转换元件配置、传动系统、检测控制原理基本相同，唯软件功能和操作系统有一些差异。本文介绍的WDW电子万能试验机装载的是基于Windows平台的Auto CTS500全数字多通道闭环测控系统，其用户界面呈现与Windows风格一致的中文窗口系统，掌握和使用都比较方便。

图2－1 WDW－200C电子万能试验机

一、加载控制系统

图2－1为WDW－200C外形图，图2－2是其主机结构、检测、控制系统原理示意图。在加载系统中，由上横梁、四根导向立柱和工作平台组成门式框架。活动横梁把门式框架分成拉、压两个试验空间，拉伸夹具安装在活动横梁与工作平台之间，压缩和弯曲辅具则安装在活动横梁和上横梁之间。活动横梁由滚珠丝杠副驱动。根据试验要求控制系统得到控制信号，经调速系统放大后驱动伺服电机带动传动系统及滚珠丝杠转动，使活动横梁上升或下降运动，从而实现对试样的加载。

图2－2 WDW万能试验机结构原理示意图

二、测量与显示系统

测量系统包括载荷测量、试样变形测量和活动横梁的位移测量三部分。试样受力变形时，通过负荷传感器、应变式引伸仪分别把机械量转换为电压信号，横梁的移动通过随滚珠丝杠转动的光电编码器输出脉冲信号，三路信号经多功能测量控制卡放大、A/D转换和标度变换处理后，直接在显示屏上以数字量显示试验力、试样变形和横梁位移，并自动给出试验力－变形或试验力－位移曲线。

三、常规静载试验操作规程

现以WDW-200C电子万能试验机为例，其操作规程如下：

1.根据试样的形状、尺寸及试验目的，选择合适的夹具。

2.开启试验机

1) 打开显示器及计算机的电源开关；

2) 打开试验机主机电源开关；

3) 按控制器上的电源按钮，若计算机控制，控制器的工作方式必须选为“PC－

CTRL”（单机工作时为“MC—CTRL”）；

4) 待控制器出现计算机控制界面后，双击桌面上的“试验软件”图标。软件启动

后点击主界面上的“伺服启动”按钮，之后可以进行移动横梁和试验等操作。

3.试验条件输入和选择

测试前必须输入与测试相关的试验参数以及试验选择，具体过程如下：

1) 设置选项→选择负荷传感器（若配置两个以上）；

→选择负荷单位、强度单位及修约间隔、长度单位及伸长率修约间

隔；

→选择引伸计处理方式；

→选择试验类型（如拉伸、压缩等）及报告模板；

→选择需要输出的数据项与之相应的修约间隔；

→输入相关的规定值。

2) 试样参数→根据试样特性进行计算面积处理选择；试样尺寸、试验数量等参

数输入。

3) 试验控制→确定过程控制阶段，并输入相关的数据，设置试验结束控制。

4) 图形设置→依材料的力学性能指标，，输入坐标轴，显示最大值，最小值通常

设置为0，若最大值无法确定，通常设置小一些，在测试过程中自

动调整大小。

5) 主界面→正确输入存储文件名（试验编号），系统在测试结束后自动按该编

号存储文数据。建议最好以年月日为字符串，以便追溯。

6) 负荷调零→在夹持试样（第一个试样）前必须点击负荷【调零】按钮进行负

荷调零，以后可以不再调零。测试时伸长、位移、时间自动调零。

4. 安装试样通过主机控制器上的快速升降按钮，调节上夹头到合适安装试样位置，

依靠转动夹具上的手柄夹紧试样。做压缩试验时，只要把试样置

于上、下夹头之间即可。试样安装完成后，应立即将横梁的位移

速度调回到（2～5）mm/min的正常试验速度挡位。

5. 若为负荷控制（或应力控制），按【预加载】按钮，开始预加载，待预加载值达

到后进行一下操作。

6. 夹持引伸仪（若使用引伸仪），最好夹持在试样的中间部分。

7. 测试开始，等上述工作全部完成后可进行以下操作：菜单操作，除用鼠标在主界

面上菜单操作外还可用键盘操作。快捷键：〈F5〉；便捷按钮操作：用鼠标点击【开始测试】按钮，即可进入测试。

8. 测试结束

1）测试正常结束

依测试条件中的试验结束条件而定：是破坏结束，还是非断裂结束，结束后十字头是停止，还是以最高速返回原来位置，结束后大约等1分钟，试验数据显示在主界面，观看其试验结果。注：直接按〈空格〉键，试验正常结束。

2）测试中止

由于人为原因，如试样未夹持好或引伸计忘夹持等原因，此时可以进行以下的任一操作而中止测试。

（1）菜单操作

除用鼠标在主界面菜单操作外，还可以用键盘操作：

热键：〈Alt〉+〈T〉+〈S〉，快捷键：〈F8〉。

（2）便捷按钮操作

在测试状态下，点击主界面工具条上【中止测试】按钮，中止测试，同时十字头停止移动。

3）关机

（1）关闭试验机主机电源；

（2）退出试验软件；

（3）退出Windows：点击任务栏的【开始】按钮，点击“关闭计算机”，弹出一对话框，选择“关闭计算机”，点击【是】按钮。等主机电源关闭后，关闭显示器。§2.2引伸仪

材料力学试验中，除测定试样或构件的承载能力外，还经常要测定它们的变形。变形一般很小，要用高精度、高放大倍数的仪器才能测出，这类仪器即为引伸仪。引伸仪是感受试件变形的传感器。应变计式的引伸仪由于原理简单、安装方便，目前广泛使用。引伸仪按测量对象，可分为轴向引伸计、横向引伸计、夹式引伸计。图2－3为夹式引伸仪的外形和结构原理图。

该引伸仪主要由应变片、变形传递杆、弹性元件、限位标距杆、刀刃和夹紧弹簧等组成。测量变形时, 将引伸仪装卡于试件上，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。

安装于试样上的引伸仪，只能感受试样上长为0l 的一段变形。0l 称为标距，引伸仪测出的是0l 的长度变化即总变形l ?。由此算出的应变0

l l ?=ε，其实是0l

范围内的

平均应变。由于引伸仪上的读数C ?是经放大系数放大后的数值，应除以引伸仪的放

大倍数k 才是变形l ?，即k

C l ?=?。 仪器能测量的最大范围称为量程。量程、标距和放大倍数是引伸仪的主要参数。 §2.3拉伸实验

一、实验目的

1. 了解万能材料试验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确使用方法。

2. 测定低碳钢的屈服极限s σ、强度极限b σ、弹性模量E 、伸长率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，并绘制拉伸图（P-L ?曲线）。

5. 比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸时的机械性质。

二、实验设备

6. 电子万能材料试验机。

7. 游标卡尺。

三、实验原理

1. 为了检验低碳钢拉伸时的机械性质，应使试样轴向受拉直到断裂，在拉伸过程

中以及试样断裂后，测读出必要的特征数据（如；s P 、b P 、1l 、1d ），经过计外壳 变形传递杆 刀口

应变片 标距限位杆

图2－3夹式引伸仪

a

b

算，便可得到表示材料力学性能的四大指标：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 。

3. 测定压缩时低碳钢的屈服极限s σ和铸铁的强度极限b σ。

4. 由试验曲线的弹性直线段上确定两点，测出F ?和)(l ?δ，计算弹性模量E ，

()

l A l F E ????=δ0。 四、实验试样

由于试样的形状和尺寸对实验结果有一定的影响，为便于互相比较，应按统一规定加工成标准试样。图2－4表示横截

面为圆形的拉伸试样。0l 是待试部分，

也是试样的主体，其长度通常简称为标

距，也称为计算长度。

试样两端为夹持部分，用来装入试

验机夹具中以便夹紧试样，过渡部分用来保证标距部分能均匀受力，这两部分的形状和尺寸，决定于试样的截面形状和尺寸以及机器夹具类型。

拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样系按公式00A K l =计算而得。式中0l 为标距，0A 为标距部分原始截面积，系数 K 通常为5.65和11.3（前者称为短试样，后者称为长试样）。据此，短、长圆形试样的标距长度0l 分别等于5d 0、10d 0。非比例试样的标距与其原横截面间无上述一定的关系。

根据国家标准（GB228—2002）将比例试样尺寸列表如下：

试样 标距长度L 0（mm ） 横截面积A 0（mm ） 圆形试样直径 表示伸长率 的 符 号 比

例 长 03.11A 10d 0 任意的 任意的 10δ 5δ

短 065.5A 5d 0 表中d 0表示试样标距部分的原始直径，10δ，5δ分别表示标距长度0l 为d 0的10倍图2-4 圆形截面试件