材料力学实验指导书(土木专业)

1、材料力学实验指导书（适用于土木工程各专业，6学时）专 业：_班 级：_学 号：_姓 名：_ 学 期：_ 指导教师：_华中科技大学 力学系基本要求实验前：1. 通过网上预约实验时间和实验项目。按每个学生小班进行预约。2. 必须预习并完成每项实验后面所附的思考题。3. 必须了解实验室有关注意事项。实验中：4. 遵守各实验室相关规定和课程时间安排。5. 按照实验指导书要求进行实验。6. 实验中遇到问题及时向指导老师报告。7. 保质保量完成实验项目。实验后：8. 将本实验指导书打印并装订成册9. 认真完成实验报告。10. 全部完成实验后，提交给材料力学任课教师。实验一 金属材料的拉伸和压缩实验实验日期

2、：_年_月_日 同组人：_实验1.1 金属材料的拉伸实验一、实验目的1测定低碳钢（Q235 钢）的强度性能指标：上屈服强度，下屈服强度和抗拉强度。2测定低碳钢（Q235 钢）的塑性性能指标：断后伸长率和断面收缩率。3测定铸铁的强度性能指标：抗拉强度。4观察、比较低碳钢（Q235 钢）和铸铁两种材料的力学性能、拉伸过程及破坏现象。 5. 学习试验机的使用方法。二、设备和仪器1材料试验机。2电子引伸计。3游标卡尺。三、试样本次实验采用d0=10mm的圆形截面短比例试样。比例试样的。系数K5.65。四、实验步骤试样材质辩识：铸铁试样颜色较深，表面可见凸起的小颗粒，竖直落地时声音沉闷；而低碳钢颜色较亮

3、，表面可见刀纹，竖直落地时声音轻脆。1测量试样尺寸直径d0 在试样标距两端和中间三个截面上测量直径，每个截面在相互垂直方向各测量一次，取其平均值。用三个平均值中最小者计算横截面面积，数据列表记录。标距长度L 0 量取计算长度L 0（取L 0=10 d0，或L 0=5 d0），在试样两端划细线标志，用刻线机将其划分成10等分（或5等分）。表1-1 试样原始尺寸数据记录材料标距L0/mm直径do（m）横截面面积A0（m2）IIIIII12平均12平均12平均低碳钢铸 铁2. 开机打开电源开关；启动计算机进入Windos操作系统；点击试验机控制软件，进入试验机操作界面；按复位按扭使控制系统上电。3.

4、 铸铁拉伸试验(a)点击试验操作按钮：在安装试件前，需要将载荷清零。将软件上的“位移控制速度”设置为200mm/min。(b)将试件放在上夹头中，夹持端部大约2/3的位置，稍微夹紧，以不掉下来为宜。按操作盒上的下降按钮，待工件进入下夹头中2/3位置时，将上夹具锁紧，再将下夹具夹紧。(c)在变形中设置为位移方式，将软件上的“位移控制速度”设置为5mm/min。将位移清零；点击开始按钮开始拉伸试验，等待试件被拉断；拉断后点击停止按钮，停止加载。记录下负载峰值。(d)记录下负载峰值。点击试验分析按钮，打印试验报告。(e)将软件上的“位移控制速度”设置为200mm/min，按操作盒上的上升按钮，上升大

5、约20mm距离后，拆下工件，不要过度地松开工件，能取下工件就行，以免过度松开夹具脱落。铸铁 抗拉强度 （MPa）4. 低碳钢拉伸试验(a)安装完工件后需要将小片插入到引伸计中以便给定一个小的间隙，将引伸计靠在试件的中央位置，用橡皮筋压紧。(b)在变形中设置为“取引伸计”，将变形值清零；将软件上的“位移控制速度”设置为5mm/min。点击开始按钮开始拉伸试验，等待变形曲线开始下降，就点击变形处的“位移方式”，取下引伸计，继续试验，等待试件被拉断。拉断时就点击停止按钮，停止加载。(c)记录下负载峰值。点击试验分析按钮，打印试验报告。(d)将软件上的“位移控制速度”设置为200mm/min，按操作盒

6、上的上升按钮，上升大约20mm距离后，拆下工件，不要过度地松开工件，能取下工件就行，以免过度松开夹具脱落。(e)测量断后标距Lu和断后颈缩处最小直径du 。一个同学将工件接起来，另一个同学测量。测量时应注意将低碳钢试样两段的断口紧密对接，若断口到邻近标距端距离小于或等于时，则应用移位法（亦称为补偿法）测定断后标距长度Lu。测量颈缩处最小直径du时，在最小处互相垂直的两个方向测量直径。注意应用卡尺测量前端较窄的部位，以免由于弧线的影响而测量不到实际的最小值。测定断后标距长度Lu mm 测量颈缩处最小直径du mm低碳钢上屈服强度 （MPa）下屈服强度 （MPa）抗拉强度 （MPa）断后伸长率 （

7、L0为试样原始标距长度）断面收缩率 （是断后最小横截面积）5关机注意清理实验现场，将相关仪器还原。五、思考题1为什么拉伸试验又称为静拉伸试验？拉伸试验可以测定哪些力学性能？何谓比例试样？_2有材料和直径均相同的长试样和短试样各一个，用它们测得的伸长率、断面收缩率、下屈服强度和抗拉强度是否基本相同？为什么？_3低碳钢试样拉伸实验曲线显示，其断裂时的载荷比最大载荷Fb小，如按公式计算断裂时的应力，则计算得到的应力会比抗拉强度小。为什么“应力减小后”试样反而断裂？_4电子引伸计与位移传感器在拉伸试验中的作用有何差异？_实验1.2 金属材料的压缩实验材料受压时的力学性能由压缩试验测定。对两种典型材料低

8、碳钢（Q235钢）和铸铁作压缩实验，测定两种材料的力学性能，观察、分析压缩过程中的各种现象及破坏情况。一、实验目的1测定低碳钢（Q235）的压缩屈服点和铸铁的抗压强度。2观察、分析、比较两种材料在压缩过程中的各种现象。二、设备和仪器1材料试验机（见附1-3）。2游标卡尺。三、试样一般细长杆压缩时容易产生失稳现象，因此在金属压缩实验中常采用短粗圆柱形试样。本次实验采用10×15的圆柱形试样。四、实验步骤1. 试样安放：将软件上的“位移控制速度”设置为200mm/min。如果上下压块间距小，就点动操作盒上的上升按钮，上移上压块。距离合适，就清理下压块，并将试样放在夹具中间位置。2. 调整

9、压块位置：点动操作盒上的下降按钮，下移上压块，直到上压块将要接近试样。将载荷和位移清零。3. 试验：将软件上的“位移控制速度”设置为2mm/min，点击开始按钮开始压缩试验。如果是铸铁，等待试件被压破，系统会自动停止，需要记录载荷峰值。如果是低碳钢，需要观察屏幕上的加载曲线，观察到曲线上有屈服平台就可以停机了。由于低碳钢不会被压破，需要人工停机。选择数据菜单中的“打印报表”，在附标题中输入班级和试验人员名单。并将曲线放大，选取曲线拐点作为低碳钢的屈服载荷Fsc 值。在实验过程中注意观察试验曲线。4卸载并取出试样，注意观察试样有何变化，并画下试样外形简图。5关机注意清理实验现场，将相关仪器还原。

10、表1-2 实验原始数据记录参考表材料直径do（mm）横截面面积A0（m2）屈服载荷Fsc（KN）最大载荷Fbc（KN）12平均低碳钢-铸 铁-低碳钢 压缩屈服点 （MPa）铸铁压缩 抗压强度 （MPa）试验结束时低碳钢试样外形简图： 试验结束时铸铁试样外形简图：五、思考题1、由低碳钢和铸铁两种材料的拉伸和压缩试验，对塑性材料与脆性材料的力学性能作一全面比较，并说明它们的适用范围。_2、低碳钢材料压缩后为什么成鼓形？铸铁材料压缩时发生什么样的破坏？其原因是什么？_3、低碳钢拉伸时可测得试样所能承受的最大载荷Fb ，而压缩时测不出最大载荷，为什么说它是拉压等强度材料？铸铁是拉压等强度材料吗？_4、

11、压缩实验时，为何要在试件两端面涂抹机油？压缩试件为何规定1<h0/d0<3 ？_实验二 金属材料的扭转实验实验日期：_年_月_日 同组人：_一、实验目的1. 测定铝合金材料的切变模量G。2. 测定铸铁的抗扭强度。3. 测定低碳钢的屈服点或上屈服点、下屈服点和抗扭强度。4. 观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。二、设备和仪器1. RNJ-500微机控制电子扭转试验机。2. 小扭角传感器。3. 游标卡尺。三、试样采用直径10mm、标距50毫米的圆形试样，端部铣成相对两平面以便夹持,如图1-19所示。扭转试样四、实验步骤 1测量试样尺寸在试样的标距两端及其中间处两个相互垂直的方向

12、上各测一次直径，将试样原始尺寸记入表2-1。表2-1 试样原始尺寸数据记录材料标距L0/mm直径do（mm）扭转截面系数WP（m3）12平均低碳钢/铸 铁2铸铁和钢件的扭转(a)启动试验软件，合上控制器的开关，按一下联机按键，点击屏幕上“扭矩清零”。(b)用内六角扳手松开固定夹头的夹块，要两边交叉松。放入工件，稍用力夹紧就可以了，同样是要交替夹紧；(c)将活动夹具移到位，同样的过程，将工件夹紧。(d)安装完成后将扭角清零，并用粉笔在工件上画一条水平线。(e)如果是铸铁扭转，运行速度选择为60度/min； 如果是钢件扭转，运行速度选择为360度/min(f)点击RUN按钮，开始扭转试验，直到扭断

13、为止。 完成时，要点击保存按钮，替换文件名，注意：扩展名不能改，否则数据就无法保存了。(g)点击文件调出数据，选择刚存的文件，就会重新显示试验图形。再选择打印，设置菜单中的环境参数，输入班级和试验人员名单。低碳钢：上屈服点 （MPa）下屈服点 （MPa）抗扭强度 （MPa）铸铁 抗扭强度 （MPa）3铝合金材料切变模量G的测试(在二台单独的试验机试验)(a) 工件是已经装好的，扭矩已经预先清零了，不需要再次清零。(b)手动加载，让扭矩到3NM，将角度清零；再加载，每次增加5NM扭矩，并分别记录转角值。(c)卸载到扭矩为零，试验完成。表2-2 测定切变模量G试验数据记录与计算列表= m4= 10

14、0 mm 4 N·m(度)（弧度）0317211315419521 Pa GPa五、思考题1根据低碳钢和铸铁试样扭转破坏的情况分析破坏原因。_2铸铁扭转破坏断裂面为何是45度螺旋面而不是45度平面？_实验三 应力测量实验实验日期：_年_月_日 同组人：_实验3.1 薄壁圆筒的内力素和主应力测量一、试验目的1测定薄壁圆筒弯扭组合变形时指定点的主应力和主方向，并与理论计算值进行比较。2测定薄壁圆筒弯扭组合变形时指定截面上的弯矩、扭矩和剪力引起的应力，并与理论值比较。3学习布片原则、应变成份分析和各种组桥方法。二、设备和仪器1. 力学试验台。2. 静态应变仪。3. 辅助工具和量具。三、试样

15、与实验装置薄壁圆筒试样（见图61）左端固定，籍固定在圆筒右端的水平杆加载。圆筒用不锈钢1Cr18Ni9Ti制成，材料弹性模量E202GPa，泊松比0.28，圆筒外径D=40mm，内径d=36.4mm。图中h=300mm，L3=250mm，测主应力的应变花中心位置到端部距离L2270mm。图31 薄壁圆筒弯扭组合变形实验装置四、实验步骤（1） 检查实验装置，记录下应变仪各通道连接情况，观察各应变片的安装位置，并分析电桥的连接方式和测试原理。（2） 在不加载荷情况下调平衡，按【BAL】键，显示电桥平衡初值，待数据稳定后，再按下一通道号，直到所有测量通道都调零。按【MEAS】键进入测量状态，可以观察

16、到测点的应变数据，此时应变显示窗口的数值应为0。可通过数字按键切换到各测点进行观察，如果测点数值偏离大，则需重复调零。（3） 加载300N，在测量状态下按数字键就可显示各测点的应变量，将数据记录下来，卸载。（4） 再次重复（2）、（3）的步骤，进行第二次测量。（5） 再次重复（2）、（3）的步骤，进行第三次测量。（6） 实验完成，关闭应变仪电源开关，清理实验现场。实验时注意：l 加载时逆时针旋转手轮，使力传感器向下移动对试样施加作用力；l 卸载时顺时针旋转手轮，使力传感器向上移动卸掉荷载。l测量项目电桥接法应变片编号应变仪通道号实验数据1（）实验数据2（）实验数据3（）弯曲m,n扭矩a,b,c

17、,d剪切e,f主应力0°0°主应力60°60°主应力120°120°注：上表中的“电桥接法”指1/4桥、半桥或全桥。五、实验数据处理1. 指定点的主应力和主方向测定根据理论分析可知：弯曲正应力 MPa式中：M=F lI-I ，；薄壁圆筒扭转切应力 MPa式中：T=Fh，；弯曲切应力 MPa式中：，。由此可求得相应点的主应力及主方向的理论值。 图6-2 m,k点的应力状态 和 被测点a、b、c、d的应力状态 圆筒上k点的应力状态如图62所示，相应其它各测点的应力状态。测得k点沿00、600、和1200方向的应变值后，由以下公式计算k点主

18、应力大小和方向： MPa 误差分析 (MPa) (MPa) (MPa)k点理论值实验值2. 指定截面上的弯矩、扭矩和剪力所分别引起的应力的测定(1) 弯矩M引起的正应力的测定为测定弯矩，可使用m、n两点00方向的应变片，此处弯曲正应力最大，而弯曲切应力为零，且（为最大弯曲正应变的绝对值），将它们组成半桥线路如图3-3a，据电桥的加减特性，则仪器读数为由胡克定律可求得弯矩M引起的正应力为： MPa薄壁圆筒弯曲正应力 MPa，前面已经计算出来了。 图3-3a 测弯矩的组桥方法 图3-3b 测扭矩的组桥方法 图3-3c 测剪力的组桥方法2)、扭矩T引起的切应力的测定a、c两点为纯剪切应力状态，主应力

19、沿方向，其数值等于，用a、c两点-450和450方向的应变片组成图3-3b所示全桥线路，则仪器读数为： 由广义胡克定律有由此可求得扭矩T引起的切应力为： MPa薄壁圆筒扭转切应力理论值是= MPa，前面已经计算出来了。 图3-4 a、b、c、d点为应力状态3)、剪力Fs引起的切应力的测定为测定弯曲剪力FS，可选用应变片e和f（或g和h），它们均处于弯曲变形中性层位置，该处弯曲正应力为零，弯曲切应力达最大值，它们只能感受扭矩、剪力和内压产生的应变，用e、f两点-450、450方向的应变片组成图33c所示全桥线路，则仪器读数为由广义胡克定律可求得剪力引起的切应力为： MPa薄壁圆筒弯曲切应力 MP

20、a，前面已经计算出来了。误差分析弯曲应力(MPa)扭转切应力(MPa)剪力切应力(MPa)理论值实验值六、思考题1测量值的误差主要是由哪些因素引起的? 分析误差产生的原因。_2上述测扭矩和剪力的组桥方案只是诸多方案中的其中一种，请你自己思考并设计其它组桥方案。_实验3.2 梁的弯曲正应力实验一、实验目的1熟悉电测法的基本原理和静态电阻应变仪的使用方法。2测定梁纯弯曲段横截面上的正应力分布规律，将实测值与理论计算值进行比较。二、仪器、设备1. 力学试验台。2. 静态应变仪。3. 辅助工具和量具。三、实验原理与方法直梁可采用铝合金制成。梁的参数：a=130 mm, c=140 mm, b=18 mm, h=36 mm, E=70 GPa在梁指定截面的梁侧面上，沿与梁轴线平行的中性层、±h/6和±h/3处共贴有五枚应变片；上下表面各布置了两枚应变片。当梁在载荷作用下发生弯曲变形时，工作片的电阻值将随着梁的变形而发生变化，通过电阻应变仪可以分别测量出各对应点的实际应变值。然后根据胡克定律，计算出相应点的应力值 （3-6）式中：为梁材料的弹性模量。梁弯曲变形时，梁纯弯曲段横截面上的正应力理论计算公式为 （3-7）式中：M、Iz分别为测点所在截面上的弯矩和该截面对中性轴的惯性矩，y为测点至中性轴的距离 这样就可以分析测量误差。四、梁的弯曲正应力实验 操作过程1使试样处于空