安徽科技学院材料力学实验

1 材料力学实验指导书 安徽科技学院 机电与车辆工程学院力学教学组 李忠芳 宛传平 谷辉 李同杰 编 2

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。 3

实 验 守 则 一、要按指定的时间进行实验。准时进入实验室，不得迟到、早退。 二、每次实验前，要仔细阅读实验指导书，基本了解实验内容、目的、实验步骤及机器和仪器的主要原理与使用方法等。

三、以小组为单位进行实验。小组长负责管理使用的设备，并组织分工和统一指挥。

四、要爱护实验室的一切设备，非指定使用的机器设备不得乱动，以免发生危险或损坏事故。

五、在实验过程中，如机器或仪器发生故障应立即向实验指导教师报告，进行检查以便及时排除故障，保证实验的正常进行。

六、实验结束后，要清理机器、仪器工具。如有损坏、应及时向实验指导教师报告，听候处理。

七、要保持实验室的清洁和安静，养成良好的科学作风。 八、实验完毕后，要认真撰写实验报告，并对思考题进行讨论。 4

目录 实验一 低碳钢、铸铁试件的拉伸试验 ..................................................................................... 5 实验二 低碳钢、铸铁试件的压缩实验 ................................................................................... 11 实验三 纯弯曲梁的正应力实验............................................................................................... 14 实验四 测定材料弹性模量E和泊松比 ...................................................................... 18 实验五 偏心拉伸实验............................................................................... 错误！未定义书签。 实验六 圆管弯扭组合实验....................................................................... 错误！未定义书签。 实验七 等强度梁弯曲试验....................................................................................................... 22 实验八 压杆稳定实验............................................................................... 错误！未定义书签。 实验九 电阻应变片灵敏系数标定 ........................................................... 错误！未定义书签。 实验十 悬臂梁实验 .................................................................................. 错误！未定义书签。 5

实验一 低碳钢、铸铁试件的拉伸试验 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——万能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、强度极限b、延伸率、断面收缩率。

3．测定铸铁的强度极限b。 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、实验设备和量具

1．量具：游标卡尺。 2．设备：万能材料试验机。

图1-1 液压式万能材料试验机外形图 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 6

力学性能的指标：s、b、、。 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b。 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l0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。

拉伸试件分比例试件和非比例试件两种。比例试件系按公式00AKl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（前者称为短试件，后者称为长试件）。据此，短、长圆形试件的标距长度0l分别等于50d、100d。非比例试件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—87）将比例试件尺寸列表如下：

试件 标距长度0l（mm） 横截面积A0（mm） 圆形试样 直径 表示延伸率 的符号

比例

长 03.11A 10d0

任意 任意 10



5 短 065.5A 5d0

表中d0表示试件标距部分的原始直径，10，5分别表示标距长度L0为d0的10倍或5倍的试件延伸率。 常用试件的形状尺寸、光洁度等可查国家标准GB228—87中的附录一、二。 五、实验方法及步骤

图1-4 圆形截面试件 7

1．低碳钢试件的拉伸实验

1）测定试件的截面尺寸——圆试件测定其直径0d的方法是：在试件标距长度的两端和

中间三处予以测量，每处在两个相互垂直的方向上各测一次，取其算术平均值，然后取这三个平均数的最小值作为0d。

2）试件标距长度0l除了要根据圆试样的直径0d来确定外，还应将其化到5mm或10mm的倍数。小于1.5mm的数值舍去之；等于或大于2.5mm但小于7.5者化整为5mm；等于或大于7.5mm者进为10mm。在标距长度的两端各打一小标点，此二点的位置，应做到使其联线平行于试样的轴线。两标点之间用分划器等分10格或20格，并刻出分格线，以便观察变形分布情况，测定延伸率。 3）根据低碳钢的强度极限，估计加在试件上的最大载荷，据此选择适当的机器量程（也称载荷级）。 每台全能机都有几个载荷级，其刻度范围均自零至该级载荷的最大值。由于机器测力部分本身精确度的限制，每级载荷的刻度范围只有一部分是有效的。有效部分的规律如下： 下限不小于该载荷级最大值的10％，且不小于整机最大载荷的4％。 上限不大于该载荷级最大值的90％。 实验时应保证全部待测载荷均在此范围之内。就本次实验来说，也就是须保证屈服载荷sP和极限载荷bP均在该范围之内。假使机器有两个载荷级都能满足要求，则应取较小的载

荷级以提高载荷测读精度。 4）试车正常后，正式实验即可开始。 用慢速加载，使试件的变形匀速增长。国家标准规定的拉伸速度是：屈服前，应力增加速度为10MPa／s，屈服后，试验机活动夹头在负荷下的移动速度不大于0.50l／min。在试

件匀速变形的过程中，测力读数起初也是匀速前进的，但是，当读数停止增加或开始减少时就表明试样进入屈服阶段，读出屈服阶段的最低载荷值Ps。借助于试验机上自动绘出的载荷——变形曲线可以帮助我们更好的判断屈服阶段的到达。对于低碳钢来说，屈服时的曲线如图1—4(a)所示，其中PS上叫做上屈服载荷，与锯齿状曲线段最低点相应的最小载荷PS下

叫下屈服载荷。由于上屈服载荷随试件过渡部分的不同而有很大差异，而下屈服载荷则基本

一致，因此一般规定用下屈服载荷来计算屈服极限00//APAPsss下。有些材料，屈

服时的LP曲线基本上是一个平台的曲线而不是呈现出锯齿形状，如图1—4(b)所示。