工程力学实验讲义new

1、工程力学实验讲义 东莞理工学院 机电工程系 张小萍编写内容提要 本书为材料力学理论教学的配套教材材料力学基本实验指导书。书中主要介绍了低碳钢和铸铁材料的拉伸和压缩实验，以及合金钢梁的弯曲正应力电测实验，包括实验目的、实验设备、实验原理，实验方法与步骤以及思考题等内容。书中还介绍了有关仪器和设备的使用。前 言材料力学实验是材料力学课程的重要组成部分。材料力学中的一些理论和公式是建立在实验、观察、推理、假设的基础上，它们的正确性还必须由实验来验证。学生通过做实验，用理论来解释、分析实验结果，又以实验结果来证明理论，互相印证，以达到巩固理论知识和学会实验方法的双重目的。 本讲义是根据东莞理工学院机电

2、工程系开设的材料力学实验内容和实验仪器设备情况而编写的，由低碳钢和铸铁材料的拉伸、压缩实验，合金钢梁的纯弯曲正应力电测实验，以及相关仪器和设备的介绍组成。 编写时主要参考了刘鸿文、吕荣坤的材料力学实验、曹以柏、徐温玉的材料力学测试原理及实验，王绍铭等的材料力学实验指导，以及其他院校的有关实验教学资料。 由于水平和时间有限，本书难免有不足和错误，望广大读者给以批评指正。学生实验须知1实验前必须预习实验指导书中相关的内容，了解本次实验的目的、要求及注意事项。2按预约实验时间准时进入实验室，不得无故迟到、早退、缺席。3进入实验室后，不得高声喧哗和擅自乱动仪器设备，损坏仪器要赔偿。4保持实验室整洁，不

3、准在机器、仪器及桌面上涂写，不准乱丢纸屑，不准随地吐痰。5实验时应严格遵守操作步骤和注意事项。实验中，若遇仪器设备发生故障，应立即向教师报告，及时检查，排除故障后，方能继续实验。6实验过程中，若未按操作规程操作仪器，导致仪器损坏者，将按学校有关规定进行处理。7实验过程中，同组同学要相互配合，认真测取和记录实验数据；8实验结束后，将仪器、工具清理摆正。不得将实验室的工具、仪器、材料等物品携带出实验室。9实验完毕，实验数据经教师认可后方能离开实验室。10实验报告要求字迹端正、绘图清晰、表格简明、实验结果正确。目 录实验一 低碳钢和铸铁的拉伸实验实验二 低碳钢和铸铁的压缩实验实验三 弹性模量E及泊松

4、比的测定实验四 纯弯曲梁正应力分布电测附录A 液压式万能试验机简介附录B 球铰式引伸仪附录C 电阻应变测量技术及DH3818静态应变测量仪简介实验一 低碳钢和铸铁的拉伸实验一、 实验目的（1） 测定低碳钢的弹性模量E、屈服极限s、强度极限b、延伸率和断面收缩率。（2） 测定铸铁的强度极限b。（3） 观察低碳钢拉伸过程中的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。（4）熟悉材料实验机和其它仪器的使用。二、 实验设备（1） WE-30型万能材料试验机。（2） 游标卡尺。（3） 球铰式引伸仪。三、 试件介绍由于试件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件。按国家有

5、关标准的规定，拉伸试件分为比例试件和非比例试件两种。在试件中部，用来测量试件伸长的长度，称为原始标距（简称标距）。比例试件的标距l0与原始横截面面积A0的关系规定为 （1.1） 式中系数k的取值为5.65时为短试件，取11.3时为长试件。对直径为d0的圆截面试件，短试件和长试件的标距l0分别为5 d0和10 d0。非比例试件的l0和A0不受上述关系限制。本实验采用圆截面的长试件，即l0=5 d0.四、实验原理及方法 常温下的拉伸实验可以测定材料的弹性模量E、屈服极限、强度极限、延伸率和断面收缩率等力学性能指标，这些参数都是工程设计的重要依据。（1）低碳钢弹性模量E的测定由材料力学可知，弹性模量

6、是材料在弹性变形范围内应力与应变的比值，即 （1.2）因为,所以弹性模量E又可以表示为 (1.3)式中：E材料的弹性模量，P实验时所施加的荷载，A以试件直径的平均值计算的横截面面积，L0引伸仪标距，试件在载荷P作用下，标距L0段的伸长量。可见，在弹性变形范围内，对试件作用拉力P，并量出拉力P引起的标距内伸长，即可求得弹性模量E，实验时，拉力P值由试验机读数盘示出，标距L050（不同的引伸仪标距不同），试件横截面面积A可算出，只要测出标距段的伸长量，就可得到弹性模量E。在弹性变形阶段内试件的变形很小，标距段的变形（伸长量）需用放大倍数为200倍的球铰式引伸仪来测量。为检验荷载与变形之间的关系是否

7、符合胡克定律，并减少测量误差，实验时一般用等增量法加载，即把载荷分成若干个等级，每次增加相同的载荷,逐级加载。为保证应力不超过弹性范围，以屈服载荷的7080%作为测定弹性模量的最高载荷Pn。此外，为使试验机夹紧试件，消除试验机机构的间隙等因素的影响，对试件应施加一个初始载荷P0（本实验中P02.0kN）。实验时，从P0到Pn逐级加载，载荷的每级增量均为。对应每级载荷Pi，记录相应的伸长，与之差即为变形增量，它是引起的变形（伸长）增量。在逐级加载中，如果得到的基本相等，则表明与P为线性关系，符合胡克定理。完成一次加载过程，将得到的一组数据，按平均法计算弹性模量，即 (1.4)其中，为变形增量的平

8、均值；200为测量变形时的放大系数。（2）屈服极限、强度极限的测定测定弹性模量后继续加载使材料达到屈服阶段，进入屈服阶段时，载荷常2有上下波动，其中较大的载荷称上屈服点，较小的称下屈服点。一般用第一个波峰的下屈服点表示材料的屈服载荷,它所对应的应力即为屈服极限。屈服阶段过后，材料进入强化阶段，试件又恢复了承载能力。载荷达到最大值时,试件某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象。这时示力盘的从动针停留在位置，主动针迅速倒退，表明荷载迅速下降，试件即将被拉断。这时从动针所示的载荷即为破坏载荷，所对应的应力叫强度极限。（3）延伸率和断面收缩率的测定试件的原始标距为（本实验取50），拉断后将两段试件紧

9、密对接在一起，量出拉断后的标距长，延伸率应为 （1.5）式中 试件原始标距，为50，试件拉断后标距长度。对于塑性材料，断裂前变形集中在紧缩处，该部分变形最大，距离断口位置越远，变形越小，即断裂位置对延伸率是有影响的。为了便于比较，规定断口在标距中央三分之一范围内测出的延伸率为测量标准。如断口不在此范围内，则需进行折算，也称断口移中。具体方法如下：以断口O为起点，在长度上取基本等于短段格数得到B点，当长段所剩格数为偶数时（见图1.1a），则由所剩格数的一半得到C点，取BC段长度将其移至短段边，则得断口移中得标距长，其计算式为如果长段取B点后所剩格数为奇数（见图1.1b），则取所剩格数加一格之半得

10、C1点和减一格之半得C点，移中后标距长为 将计算所得的代入式中，可求得折算后的延伸率。为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，在断口处两端沿互相垂直的方向各测一次直径，取平均值计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率 （1.6）式中 A0试件原始横截面面积 A1试件拉断后断口处最小面积五、实验步骤（1）试验机准备。根据估算的最大载荷，选择合适的示力度盘（量程）和相应的摆锤，并按相应的操作规程进行操作。（2）测量试件的直径。在标距两端及中部三个位置上，沿互相垂直的方向，测量试件直径，以其平均值计算弹性模量，以其最小值计算强度和断面收缩率。（3）安装试件。（4）安装引伸仪（只用于低碳钢拉伸试验

11、）（5）进行预拉（只用于低碳钢拉伸试验）。为了检查机器和仪表是否处于正常状态，先把荷载预加到略小于Pn（测定弹性模量E时最大荷载），然后卸载到0P0之间。（6）加载。在测定低碳钢的弹性模量时，先加载至P0，调整引伸仪读数为零或记录初始读数。加载按等增量法进行，记录每级荷载下的引伸仪读数，载荷最大加至Pn，然后取下引伸仪。加载应保持匀速、缓慢。测出屈服载荷Ps后，可稍加实验速率，最后直到将试件拉断，记录最大载荷Pb。对铸铁试件，应缓慢匀速加载，直至试件被拉断，记录最大载荷Pb。（7）取下试件，将试验机恢复原状。观察试件并测量有关数据。六、实验结果的处理（1）计算屈服极限和强度极限,其中，为最小直

12、径。（2）计算低碳钢的弹性模量E。其中，为载荷增量，为变形增量的平均值； ，d为平均直径。（3）计算延伸率和断面收缩率七、思考题（1） 由实验现象和结果比较低碳钢和铸铁的机械性能有何不同？（2） 试件的形状和尺寸对测定弹性模量有无影响？（3） 测定E时为何要加初载荷P0并限制最高载荷Pn？使用分级加载的目的是什么？（4） 实验时如何观察低碳钢的屈服极限？（5） 材料相同而标距分别为5 d0和10 d0的两种试件，其是否相同？为什么？八、实验记录参考表格表11 试件原始尺寸材料标距L0（）直径（）最小横截面面积A0（）横截面1横截面2横截面3（1）（2）平均（1）（2）平均（1）（2）平均低碳钢

13、铸铁表12 引伸仪读数记录载荷引伸仪读数P12012345应变增量平均值测表13 实验数据材料屈服载荷（kN）最大载荷（kN）拉断后标距（mm）断口处直径（mm）断口处横截面面积（）（1）（2）（3）（4）平均低碳钢铸铁表14 计算结果材料弹性模量E(Gpa)强度指标（MPa）塑性指标(%)断口形状低碳钢铸铁低碳钢铸铁注：1Pa1N/实验二 低碳钢和铸铁的压缩实验一、实验目的（1）比较低碳钢和铸铁压缩变形和破坏现象。（2）测定低碳钢的屈服极限s和铸铁的强度极限b。（3）比较铸铁在拉伸和压缩两种受力形式下的机械性能、分析其破坏原因。（4）熟悉压力实验机的使用方法。二、 实验仪器和设备（1）200

14、0kN液压式压力试验机或WE-30型万能材料试验机。（2）游标卡尺。三、 试件介绍根据国家有关标准，低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成圆柱形试件。低碳钢压缩试件的高度和直径的比例为3：2，铸铁压缩试件的高度和直径的比例为2：1。试件均为圆柱体。四、实验原理及方法压缩实验是研究材料性能常用的实验方法。对铸铁、铸造合金、建筑材料等脆性材料尤为合适。通过压缩实验观察材料的变形过程、破坏形式，并与拉伸实验进行比较，可以分析不同应力状态对材料强度、塑性的影响，从而对材料的机械性能有比较全面的认识。 压缩试验在压力试验机上进行。当试件受压时，其上下两端面与试验机支撑之间产生很大的摩擦力，使试件两端的

15、横向变形受到阻碍，故压缩后试件呈鼓形。摩擦力的存在会影响试件的抗压能力甚至破坏形式。为了尽量减少摩擦力的影响，实验时试件两端必须保证平行，并与轴线垂直，使试件受轴向压力。另外。端面加工应有较高的光洁度。低碳钢压缩时也会发生屈服，但并不象拉伸那样有明显的屈服阶段。因此，在测定Ps时要特别注意观察。在缓慢均匀加载下，测力指针等速转动，当材料发生屈服时，测力指针转动将减慢，甚至倒退。这时对应的载荷即为屈服载荷Ps。屈服之后加载到试件产生明显变形即停止加载。这是因为低碳钢受压时变形较大而不破裂，因此愈压愈扁。横截面增大时，其实际应力不随外载荷增加而增加，故不可能得到最大载荷Pb,因此也得不到强度极限，

16、所以在实验中是以变形来控制加载的。铸铁试件压缩时，在达到最大载荷Pb前出现较明显的变形然后破裂，此时试验机测力指针迅速倒退，从动针读取最大载荷Pb值，铸铁试件最后略呈故形，断裂面与试件轴线大约呈450。五、实验步骤（1）试验机准备。根据估算的最大载荷，选择合适的示力度盘（量程）和相应的摆锤，并按相应的操作规程进行操作。（2）测量试件的直径和高度。测量试件两端及中部三处的截面直径，取三处中最小一处的平均直径计算横截面面积。（3）将试件放在试验机活动台球形支撑板中心处。（4）安装引伸仪（只用于低碳钢拉伸试验）（5）开动试验机，使活动台上升，对试件进行缓慢均匀加载。对于低碳钢，要及时记录其屈服载荷，

17、超过屈服载荷后，继续加载，将试件压成鼓形即可停止加载。铸铁试件加压至试件破坏为止，记录最大载荷。（6）取出试件，将试验机恢复原状。观察试件。六、实验结果的处理（1）计算低碳钢的屈服极限 （2.1）（2）计算铸铁的强度极限 （2.2）其中，为试件实验前最小直径。七、思考题（1）为何低碳钢压缩测不出破坏载荷，而铸铁压缩测不出屈服载荷？（2）根据铸铁试件的压缩破坏形式分析其破坏原因，并与拉伸作比较？（3）通过拉伸与压缩实验，比较低碳钢的屈服极限在拉伸和压缩时的差别？（4）通过拉伸与压缩实验，比较铸铁的强度极限在拉伸和压缩时的差别？八、实验记录参考表格表21 试件原始尺寸材料高度（）直径（）最小横截面

18、面积A0（）横截面1横截面2横截面3（1）（2）平均（1）（2）平均（1）（2）平均低碳钢铸铁表22 实验数据材料屈服载荷（kN）屈服极限（Mpa）最大载荷（kN）强度极限（Mpa）破坏形式简图低碳钢铸铁低碳钢铸铁实验三 纯弯曲梁正应力分布电测实验一、实验目的（1）学习使用电阻应变仪，初步掌握电测方法。（2）测量纯弯曲梁上应变随高度的分布规律，验证平面假设的正确性。二、实验设备（1）WQ5纯弯曲梁实验装置。（2）DH3818静态电阻应变仪。（3）温度补偿块。三、实验原理和方法WQ5纯弯曲梁实验装置如图3.1所示，试样简支于A、B两点，在对称的C、D两点通过拉杆和横杆螺旋加载使梁产生弯曲变形，C

19、D梁受纯弯曲作用。采用转动手轮使螺旋下移加载，总荷载的大小由压力传感器来测量。试样的受力如图3.2所示。梁的材料为合金钢，弹性模量为E210Gpa，其它参数列于表31。表31 原始参数表材料弹模（Gpa）几何参数应变片参数应变仪灵敏度系数K仪b(cm)h(cm)a(cm)灵敏度系数K片电阻值（）合金钢为了测量应变随试样截面高度的分布规律，应变片的粘贴位置如图3.3所示。这样可以测量试件上下边缘、中性层及其他中间点的应变，便于了解应变沿截面高度的变化规律。由材料力学可知，矩形截面梁受纯弯时正应力公式为 式中：M为弯距；y为中性轴至欲求应力点的距离；为横截面对z轴的惯性距。本实验采用逐级等量加载的

20、方法加载，每次增加等量的载荷,测定各点相应的应变增量一次，即：初载荷为零，最大载荷为5kN，等量增加的载荷为1 kN。分别取应变增量的平均值（修正后的值），求出各点应力增量的平均值。 （3.1） （3.2）把测量得到的应力增量与理论计算出的应力增量加以比较，从而可以验证公式的正确性，把上述理论公式中的按下式求出： （3.3）四、实验步骤（1） 开电源，使应变仪预热约20分钟。（2）载荷为零时，调节应变仪初始读数为零或记录初始应变值（重复三次）。（3）加载。按箭头指示方向旋转加载手轮缓慢加载。本实验中第一级载荷P00.0kN ，最大载荷Pmax5.0 kN ，载荷增量1.0 kN 。记录每级载荷

21、下各测点的应变值（包括正负号，负号表示压应变，正号不显示）。（4）注意：载荷最大加至5.0 kN，不能超载；在测量过程中，尽量避免连接导线的晃动。（5）实验完毕将载荷卸为零，工具复原，经指导老师检查方可关闭应变仪电源。五、实验结果的整理（1）求出各测量点在等量载荷作用下，应变增量的平均值。（2）考虑到应变仪与应变片灵敏系数不同，按下式对应变增量的平均值进行修正得到实际的应变增量平均值 （3.4）式中分别为电阻应变仪和电阻应变片的灵敏系数。（3）以各测点位置为纵坐标，以修正后的应变增量平均值为横坐标，画出应变随试件高度变化曲线。（4）根据各测点应变增量平均值，计算测量的应力值。（5）根据实验装置

22、的受力图和截面尺寸，先计算横截面对z轴的惯性距，再应用弯曲应力的理论公式，计算在等增量荷载作用下，各测点的理论应力增量值。（6）比较各测点应力的理论值和实验值，并按下式计算相对误差 （3.5）（7）在量的中性层内，因，故只需计算绝对误差。（8）比较梁中性层的应力。由于电阻应变片是测量一个区域内的平均应变，粘贴时又不可能正好贴在中性层上，所以只要实测的应变值是一个很小的数值，就可以认为测试是可靠的。六、思考题（1）影响实验结果准确性的主要因素是什么？（2）在中性层上理论计算应变值，这是为什么？七、实验记录参考表格表3-2 测点位置测点编号12345测点至中性层的距离y（） 表33 实验记录载荷（

23、kN）测点的应变读数（）P12345012345应变增量平均值表3-4 实验结果测点编号12345应变修正值应力实验值应力理论值误差附录A 液压式万能试验机液压式万能试验机广泛应用于材料试验中，其结构原理可分为四大部分。液压万能试验机的外形如图A1，结构原理如图A2所示。一、加力部分 在液压万能试验机的机座上装有两根固定立柱，主要由这两根立柱支承大横梁、小横梁、大活塞和工作台。当开动电动机时，传动皮带就带动油泵工作，高压油液经油管进油阀输送到工作油缸，推动大活塞往上运动。小横梁固定在大活塞顶上，活塞上升时，通过两根活动立柱带动工作台往上运行。做拉伸实验时，将拉伸试件的两端夹于上拉伸夹头和下拉伸

24、夹头(固定不动)之间，当工作台上升时，使试件发生拉伸变形；做压缩实验时，把压缩试件放在下压头中心位置处，当工作台上升时使上压头接触试件后，产生压缩变形；做弯曲实验时，把弯曲试件放在两支座上，当工作台上升时使上压头接触试件后，产生弯曲变形。进油阀用来控制输入工作油缸中的油量，以控制试件的变形速度。实验完毕，关闭进油阀，打开回油阀，把工作油缸里的油液泄回油箱，使工作台回到原始位置。 由于试件长度不相同，装卡拉伸试件时，可开动机座旁的电动机，使下拉伸夹头很快地上升或下降，以便装卡拉伸试件。当试件夹紧后，就不能用该电动机加载，否则会烧毁电动机，或发生其他事故：。二、测力部分实验时，试件受力的大小可在测

25、力盘上直接读出指示值。试件受力后，工作油缸的油具有一定的压力，压力的大小与试件受力的大小是成比例的。由于工作油缸和测力油缸是联通的，故工作油缸和测力油缸所受的油压是相等的。此油压推动测力活塞和测力拉杆，使推杆和摆锤绕支点转动，推杆推动螺杆运动，使齿轮和测力指针旋转，测力盘所读得的数值即表示试件受力的大小。随着科学技术的发展，近来液压万能试验机上已设置了荷载显示电压表。油压万能试验机的荷载范围可由摆锤的重量来确定。一般试验机都备有三种砣重作为选择荷载范围用，测力盘上相应有三种荷载刻度。如300kN万能试验机，有60kN、150kN、300kN三种测量范围。三、绘图部分液压试验机绘图装置有两种方式

26、，第一种是通过固定在万能试验机上夹头上的拉绳带动绘图滚筒转动，滚筒转动方向为变形坐标，螺杆运动方向为力坐标。第二种方式采用电子自动绘图仪绘图。四、操作部分该部分主要由进油阀、回油阀和电器开关等组成。进油阀的作用是将油箱里的油送至工作油缸。进油阀的阀门开得大，表示油送到工作油缸的速度快，也就说明试件受力大，变形快。实验时要严格控制进油阀门的大小，保证荷载盘指针均匀地转动。回油阀的作用可使试件卸载，实验做完后，须打开回油阀门，使工作油缸的油流回油箱。万能试验机的具体操作方法如下：1选择荷载范围 实验前，首先根据试件材料能承受的最大荷载，选择相应的砣重，确定荷载的范围(如300kN万能试验机分为：0

27、60kN，0150kN，0300kN)。若在万能试验机上挂上A砣，表示060kN范围，挂上A、B砣表示0150kN范围，挂上A、B、C砣表示0300kN范围。如直径为10mm的低碳钢拉伸试件，估计其最大承载力为40kN左右，选用060kN范围即可，其目的是提高荷载测试精度。2荷载调零 开动油泵电机，关闭回油阀，再打开进油阀，向工作油缸送油，使工作平台略上升510mm后(消除工作平台的自重)转动螺杆使指针对准测力盘上的零点。3拨回被动指针。加载时，主动指针带动被动指针转动，试件破坏后，主动指针返回零位，被动指针停留在原位，所指示值就是试件的最大荷载值。4.安装调整绘图仪的纸和笔。加载时能自动绘制试件受力与变形的曲线图。5安装试件。装卡拉伸试件时，先调整上夹头位置，使拉伸区空间与试件长度相适应。调整上夹头位置时，可开动电动机使上夹头上升或下降。当试件夹紧后，就不允许再用电动机使上夹头上升或下降，以免电动机超负荷而烧毁。6加载与卸载。试件安装完毕，即可开启进油阀，逐渐对试件进行加载，加载时要求测力指针匀速平稳地转动。切忌猛开进油阀导致加载速度失控，损坏测力机构。实验完毕，关闭电源开关和进油阀，打开回油阀，使工作油缸的油流回邮箱，工作平台下降到初始位置。 附录B 球铰式引伸仪材料力学实验中