材料力学绪论

材料试验标准化是一项十分重要的工作，我国在国务院下设有国家 标准局统管这项工作，不仅包括材料试验标准化，还包括其他方面的标 准化。标准化水平是衡量一个国家生产技术水平和管理水平的尺度，是 现代化的一个重要标志。随着科学技术、经济的发展和国际贸易的扩 大，采用国际标准已成为世界性的发展趋势。此外，对所用的试验机和 仪器，都规定了它们的最大许可误差，超过误差范围的试验是无效的。 因此我们在学习材料力学实验时，不仅要有材料力学的理论基础知识， 且通过实验帮助我们深化所学的理论知识，更重要的是要了解材料力学 实验的特殊性，掌握材料力学实验的试验技术、仪器设备的操作、现代 技术在材料力学实验中的应用以及实验方法等，以培养动手能力、严肃 认真的精神和良好的科学习惯，使自己初步具有处理实际测试工作问题 的能力。
⑶ 在测试过程中，对于需要多人协作的实验项目，每个实验小组 的成员都应分工明确，操作要协调，才能得到较好的实验效果。要有统 一指挥，以免配合不当，导致整个实验失败。例如，力和变形的测量要 同时进行，如果操作不一致，则测出来的变形就不能代表在相应荷载作 用下的变形；反之，测出的力也不能代表在相应变形下的力。实验时要 有默契或口令，以便互相呼应，彼此协调。参加实验的人员一般可作如 下分工：
料力学理论的方法。这将使学生的动手能力和科学习惯得到较多的培养 和锻炼，使学生分析问题、解决问题的综合素质得到较大的提高，对培 养学生在祖国建设中的实际工作能力也具有十分重要的意义。
近代工业要求设计人员合理地设计各种结构和零件，使之达到强度 高、刚度好和重量轻的目的。这就促使材料科学、结构分析、材料力学 的各种新分支飞速的发展起来，相应的材料力学实验也在不断的采用新 技术以适应新的要求。例如二十世纪以后，随着生产技术的发展，材料 力学实验所用的试验机和测量仪器也在不断的革新和发展，特别是近二 十几年来由于宇航、原子能工业以及其他现代工业的发展，新材料、新 技术不断出现，促使材料力学实验也不断地产生新方法以适应生产的需 要，同时也为新的力学分支，如断裂力学、复合材料力学等提供新的实 验手段。如高温下复合材料的疲劳试验、复合材料的断裂试验、低周疲 劳试验以及各种非金属材料试验等，就要求有更为复杂的试验机和仪 表，例如用伺服机构和微型计算机控制的试验机，各种精密光学仪器以 及自动记录仪等。过去我国根本没有光学应力测试元件和材料试验机制 造业，在二十世纪五十年代我国才引进材料试验机生产技术，现在我国 已能自制各种类型的试验机、变形仪和其他光学精密仪器仪表以及自控 试验机等。
实验预习报告（单独写在作业纸上）应包括以下内容： ⑴ 实验题目名称（预习报告首页第一行，居中书写） ⑵ 实验目的：根据实验教学要求，写出本次实验的目的，要完整全 面。 ⑶ 实验原理：要简明扼要，它包括实验主要依据的规律定理、理论 公式、应变计的布置方式（须绘出示意图）、电路连接方式（须绘出电 路图）等内容，有些实验还需要画出加载装置简图。 ⑷ 实验仪器设备：在此是泛指的，要注明实验所需要使用的仪器设
1、实验前的准备
实验前的准备工作是顺利进行实验、获得较多收益的保证。因此， 学生在实验之前首先要对实验内容进行预习，明确实验的目的、原理、 使用仪器设备和实验步骤，以及实验中的注意事项，写出实验预习报 告。然后选定试样（或模型），并要了解试样是用什么材料制造的，原 材料有无缺陷，加工是否合格（有些试样的尺寸公差、表面光洁度要符 合一定要求）。再根据试样尺寸，估算应加荷载，并拟出加载方案。此 外，需设计实验数据记录表格，以备实验时记录数据之用。
用实验应力分析获得的结果，不但直接而且可靠，已成为寻求最佳 方案、合理使用材料、挖掘现有设备潜力、以及验证和发展理论的有力
工具。这类实验往往反映了新的科学技术，使用较先进的科学仪器，可 以解决理论计算难以解决的问题。这有利于扩大知识面和开发智力，培 养观察、分析和独立解决问题的工作能力。电测法、光弹性法、全息 法、云纹法、散斑法均属于这类实验。我们目前只限于开设其中最基本 的电测应力分析实验。
测定材料力学性能的材料试验是一门历史悠久的学科，它从达·芬 奇用来研究结构材料强度的钢丝强度及梁的弯曲实验开始，到十七世纪 三十年代伽利略用实验方法研究拉伸、压缩及弯曲现象，之后又有人进 一步用实验证实了伯努利的梁弯曲平面假设理论的正确性，直到十九世 纪末，欧洲一些国家开始建立材料力学实验室，至今已经历了几个世 纪。过去高等工科学校均单独开设“材料试验”课程。实验应力分析则 是一门新兴的学科，它从1920年以后根据物理光学中的双折射现象建立 起来的光弹性法开始，到1943年以后根据电阻丝变形导致电阻改变的原 理发展的电阻应变仪和电测法，直至近三十多年来由于激光技术、全息 干涉技术、近代光学和声学技术的发展而产生的全息法、云纹法、散斑 计量干涉法等。材料力学实验是根据教学上的需要和近代材料力学的发 展，引入以上两门学科的基本内容，再加上材料力学课程本身的需要， 从1954年以后才形成的，它是具有我国特点的材料力学实验教学环节。 通过这一教学环节，使学生学到测定材料性能试验的基本知识、基本技 能和基本方法，了解实验应力分析的基本概念和方法，初步掌握验证材
a、记录者一人：在整个实验中，记录者应当是总指挥。因为他掌
握实验数据与全部资料，可以看出数据的好坏，以及实验是否完整。 b、测变形者一人：担任此项工作的人，应深入了解仪器或仪表的
性能，要预习一遍仪器或仪表的操作规程，特别要弄清楚仪器或仪表的 单位和放大倍数，以免读错。实验时应担负保护仪器或仪表的责任，如 发现仪器或仪表失常，应立即停车检查。
本书中涉及到的验证性实验，都是将已被证实为正确的理论重复进 行验证。通过这类实验能增进感性知识，从而进一步深刻理解课程的内 容，明确理论、定理所适用的条件。为了验证理论，都必须认真、仔细 地进行，这有利于培养科学的工作作风和良好的工作习惯。
2、材料的机械(力学)性能测试实验
材料力学的公式只能算出在外荷载作用下构件内应力的大小，为了 建立强度条件必须了解材料的强度、刚度、韧度、硬度等特性，这就需 要通过拉伸、压缩、扭转、冲击、疲劳等试验来测定材料的强度极限、 弹性模量、疲劳极限等力学参数，这些参数是强度计算、评定材料和设 计构件的基本依据。这些试验要依据国家规范、按照标准化的试验程序 来完成。通过这类实验，可以巩固所学的材料机械性能知识，训练按操 作规程测试各项实验数据，初步掌握相关的测试方法。
3、应力分析实验
实验应力分析是由实验方法测定构件中的应力和应变的科学，是解 决工程强度问题的另一新兴、有效的途径。工程上很多实际构件的受力 情况无法用材料力学公式进行计算，近几年来虽然可以用有限元法计 算，但也要经过适当简化才有可能；而且对于用有限元法计算结果的精 确度，也要通过实验应力分析加以验证。此外，零件设计中的应力集中 系数的确定、机器和建筑结构使用时的应力实测等，均需靠实验应力分 析的方法。
⑺ 实验注意事项：主要列出实验中应注意的问题、仪器设备操作中 容易出现错误的地方等，以引起特别注意，保证实验的顺利进行。
2、实验测试
实验测试是实验程序的中心环节。学生到实验室进行实验测试时， 各组分别清点人数，汇报实验前的准备情况，交验实验预习报告，经实 验指导教师验收合格允许后，方可领取相应的学生实验卡片进入实验室 进行实验测试（没有预习报告者本次不得进行实验，需待写出预习报告 后再预约时间进行实验），并要遵守实验室的一切规章制度。在实验中 要严守实验操作规程，认真观察各种实验现象，实事求是的记录实验数 据，遇到问题要进行分析，先自己解决，若解决不了再求教于指导教 师。
备名称、精度要求、需用数量等。 ⑸ 实验操作步骤：根据实验目的和测试原理，写出实验操作中的操
作顺序步骤，要详细清楚，以保证实验的顺利进行。 ⑹ 实验数据记录：根据实验目的和测试原理，搞清楚实验需要测量
和记录的所有数据，拟出实验记录表（一般多以表格的形式列出，主要 是直接测量量，包括单位），要求完整、清楚明了。
三、实验程序、要求及注意事项
为了保证材料力学实验能有效地进行，使所开实验项目都能贯彻其 教学环节，获得应有的教学效果，就必须积极认真地做好实验中的各个 环节。完整的实验程序通常可分为实验前的准备、实验测试和书写实验 报告三个环节。
在常温、静荷载条件下，材料力学实验所涉及的物理量并不多，主 要是测量作用在试样上的荷载和试样的变形。荷载一般要求较大，由几 吨到几十吨，故加力设备较大；但其变形则很小，绝对变形可以小到千 分之几毫米，相对变形（应变）可小到10-5～10-6，因而变形测量设备 必须精密。在进行实验时，力与变形要同时测量，因此有些实验非一人 所能完成，一般需要三、四人协作完成，这就要求同组人员很好的互相 配合，要有岗位责任制，否则，就不能有效地完成实验。下面根据以上 特点，分述各个环节的要求和注意事项。
由于实验教学的特殊性，使得我们在进行实验时还要注意以下几个 方面的问题：
⑴ 进入实验室，应按照分工，各就各位。仔细观看指导教师的示 范操作，记住操作要领和注意事项，熟悉所用仪器设备，将试验机和测 试仪器调整到待令工作状态。检查并细心测量所用试样，看是否满足实 验要求。
⑵ 在进行实际实验测试前，应先预习试做实验，观察试验机、仪 器运行是否正常；熟悉加载、测读和记录人员之间的协调配合；还要检 查试验机测力度盘指针是否对准零点，变形仪安装是否正确稳妥，试样 装置是否正确等。经指导教师同意后，方可正式进行实验测试。
如前所述，从试验中得到的材料力学参数是工程设计的根本依据， 为了使试验结果具有通用性，必须将试样尺寸和试验方法作统一的规 定，实现试验标准化。最早在1889年在巴黎召开了应用力学国际会议， 会上讨论了材料试验，而且一致承认必须用几何相似的试样来做试验， 决定建立国际材料试验组织，统一标准，并且需要经常修改旧的标准， 增补新的标准。我国也有相应的试验标准化规定。
二、内容简介
材料力学实验包括以下三பைடு நூலகம்方面内容：
1、验证理论性实验
根据理论和实践相统一的原则，建立理论必须以实验为基础。由实 际构件抽象成理想模型，经过假设、推导所建立的理论，还必须通过实 验验证其正确性。材料力学中的一些公式都是在简化和假设的基础上 （如平面假设，材料均匀性、弹性和各向同性假设）推导的，事实上材 料的性能往往跟完全均匀和完全弹性是有差异的，因此必须通过实验对 根据假设推导的公式加以验证，才能确定公式的使用范围。此外对于一 些近似解答，其精确度也必须通过实验校核后才能在工程设计中使用。 如纯弯曲梁正应力分布规律的测定、压杆稳定等实验均属于这类实验。