材料力学实验教材

1、内容简介为适应实验技术的发展和实验设备的更新，本书把材料力学实验分为材料的力学性能实验、电测实验、综合性和设计性实验和光弹性实验四个部分。材料的力学性能实验主要是破坏性实验，其中包括材料拉伸弹性模量测定的机测实验；电测实验部分主要为电测实验方法和配合更新的实验设备所做的常用的电测实验，其中包括用电测方法测定拉伸弹性模量和泊松比的实验；综合性和设计性实验主要介绍复合材料的基本实验方法、电测实验的应用和残余应力的测试技术；光弹性实验主要介绍光学实验的基础知识。本书可作为高等学校工科本科材料力学课程的配套教材，作为不单独开设实验课学校使用，也可用于开放实验室，作为独立开课的学校选用。前言 为提高本科

2、大学生的实验技能和工作实践能力，适应教育部关于工科高等学校基础课力学实验教学，也为力学实验课独立开课作准备，编写了这本教材。全书共分五章和附录。第一章为绪论，阐述材料力学实验的任务和地位以及今后的发展方向。第二章主要讲述材料力学实验所需的材料试验机的结构和原理，尤其把最新的电子万能材料试验机的操作纳入本教材，把传统的由人操作材料试验机的操作方式改为由人和计算机共同控制材料试验机的方式，真正能够达到严格按国家标准进行实验。另外详细介绍了材料力学性能测试的实验方法和几种破坏性实验。第三章主要介绍电测实验方法，也主要根据学校自己研制的多功能电测实验装置的性能，编写所能做的实验及操作方法。如果力学实验

3、单独开课，这些实验也可增加由学生从自己粘贴应变计到设计电测桥路，到最后实现实验的目的。第四章为综合性和设计性实验，这些实验主要把学生在前一阶段所学的知识应用到实际测试中，真正做到提高学生的动手能力。第五章简单地描述光弹性实验，让学生了解更多的实验方法，拓宽实验知识。本书承宋显辉副教授和刘禹钦高级实验师审阅和指导，在此表示衷心的感谢。武汉理工大学力学实验中心的李守信、朱京扬、吴向春、周丽、张红旗、谢建雄等教师参加了本书部分内容的编写工作。限于编者的水平，教材可能有欠妥之处，恳请广大师生和读者批评指正。 编者 2004年5月目 录第一章 绪论1-1材料力学实验的任务和地位1-2材料力学实验的发展第

4、二章材料的力学性能实验 2-1 液压式万能材料试验机 2-2 机械式万能材料试验机 2-3 电子万能材料试验机 2-4 扭转试验机 2-5 引伸计 2-6 金属的拉伸实验 2-7 金属的压缩实验 2-8 拉伸弹性模量(E)的测定2-9 扭转实验2-10冲击实验2-11疲劳实验第三章 电阻应变测量技术 3-1 概述 3-2 电阻应变计 3-3 电阻应变仪 3-4 测量电桥的接法 3-5 弯曲正应力实验 3-6 拉伸弹性模量(E)及泊松比()的测定 3-7 剪切模量(G)的测定 3-8 弯扭组合变形主应力的测定 第四章综合性和设计性实验 4-1 复合材料的拉伸实验4-2 电阻应变计的粘贴实验4-3

5、 电阻应变计灵敏系数K的测定4-4 弯扭组合变形下的空心管的内力测定4-5 力传感器的制作4-6 压杆临界压力的测定4-7 偏心拉伸实验4-8规定非比例延伸强度（Rp0.2）的测定（方法一）4-9规定非比例延伸强度（Rp0.2）的测定（方法二）4-10钻盲孔法测量残余应力4-11 动态应变测量（方法一） 4-12 动态应变测量实验（方法二）第五章光弹性实验5-1 光测弹性仪5-2 光弹性实验（演示）5-3 等色线、等倾线图的描绘5-4 材料条纹值的测定参考资料附 录附录 I 误差理论和数据处理附录 材料力学实验性能试验的国家标准简介附录 实验报告第一章 绪 论1-1 材料力学实验的任务和地位

6、材料力学实验是力学实验的一个分支，是材料力学的重要组成部分。力学实验一般分为以下三种类型：1、前瞻性实验：引导力学学科的发展。2、础性实验：支持和建立新的力学理论，检验和修正已有的力学理论。3、应用性实验：为工程设计规范制定提供依据。一、材料力学实验的任务1、面向生产为生产服务。根据正规生产过程，科学设计的程序应该是：首先了解工况、外载荷、设计范围等；其次是选料、设计尺寸、强度核算和应力分析；然后试生产、现场实测、事故分析，经过长期观察，最后才能投产。材料力学试验在这儿扮演了主要角色。2、面对新技术新方法的引入，研究新的测试手段。近二十年来由于光学的大发展，光电子学，光纤的发展，产生了很多新的

7、光测法，概括可称为“光力学”。还有疲劳、断裂、细微尺度力学实验等。3、面向材料力学，为材料力学的理论建设服务。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。至于对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。二、材料力学实验的地位1、是材料力学中新的理论及计算方法提出的必要前提，用新的理论，计算方法所得的结果要经过实验验证。2、能解决许多理论工作无法解决的工程实际问题。某些情况下，例如因构件几何形状不规则或受力复杂等，应力计算并无适用理论。这时，用诸如电测

8、、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。3、是材料力学发展的三大支柱（新的理论，计算方法，力学实验）之一。1-2 材料力学实验的发展一、历史回顾从发展史来看，力学实验的发展与理论发展不同。理论往往是有一个体系，并不断发展和完善的。而力学实验就不同了，它的方法都借助于物理基础、新概念和新技术，经过再创造使之为力学服务，它不断更新，形成许多种相对独立的方法，如光弹性、电阻应变测量、云纹、声发射等。因此，由于力学实验的多体系、相对独立性、困难性、交叉性、渗透性和无界性，所以要讲材料力学实验的发

9、展史是很困难的。大家一般只知道力学实验近几十年的情况，对它的过去往往不甚了解。其实，力学实验历史是很悠久的，可以说与理论平行。实验与实践是一样的，不过一个在实验室，一个在现场。在材料力学方面又何尝不是如此，如果没有现场实验作为基础，我们的祖先怎可能在没有理论体系的情况下，造出那么多出色的建筑，如塔、宫殿、赵州石桥等，至今犹存。材料力学实验的发展在西方有记载的首先要算达.芬奇（Da Vinci），他既是艺术家、科学家，又是工程师，实验工作者，他做了梁的弯曲试验。以后就是伽利略（Galileo），在他25岁时受聘比萨大学当教授，他做过悬臂梁试验和拉伸强度试验。他是数学家、天文学家，又是实验力学工作

10、者。再以后就是虎克（Hooke），他在1678年发表弹簧论文，从而产生了虎克定律，给弹性力学奠定了理论基础。以后马里沃特（Mariotte）的简支梁试验，伯努里(Bernoulli)的悬臂梁试验，欧拉（Euler）的稳定试验，库仑（Coulumb）的剪切试验，还有泊松（Poisson），圣维南（St.Venant），柯西（Cauchy），纳维（Navier）等。我国是一个文明古国，有记载的是墨子经下篇记有：“发均悬轻而发绝，不均也，均其绝也莫绝。”又说“衡木加重焉而不挠极胜重也。若校交绳无加焉而挠极不胜重也。”墨子这个拉伸与弯曲试验比伽利略要早2000年。二、材料力学实验的现状 我国材料力学方

11、面的论文多偏重于经典理论和方法，缺乏有根据的计算和实验验证，虽然理论做的很细很巧，但不能说是一个完美的科学成果。突破实验和计算这两个薄弱环节应该是我国材料力学工作更上一层楼的急迫任务。材料力学方面的科研成果如果缺乏实验验证就是个不完整的成果，不仅是做零星的、个别的实验，而要做大量的、系统的实验。三、材料力学实验的发展特点1.速度快。光弹用了100年才完善，电测用了20多年就完善了，全息、散斑、云纹干涉用了不到10年左右就很成熟了。 2.相互渗透。1960年全息干涉发展以后被引用到光弹性中来称为全息光弹性，用于云纹法称为全息云纹等。3.材料力学实验中的新方法与其他学科交叉。比如断裂力学实验，生物

12、力学实验，复合材料力学实验等。四、材料力学实验的发展趋势1.实验技术向广度和深度发展。广度：例如日益广泛地应用电阻应变测量技术，使得从真空到高压，从深冷到高温，从静态到高频条件下的应变，都可获得有效的测量数据。又如把经典方法和新兴科学技术结合起来（全息干涉法，全息光弹性法，散斑干涉法，声发射技术等），不断增加测试手段，扩大了测量和应用范围，或提高了测试精度。深度：开展宏观和微观相结合的实验研究，深入探索失效机理和各种影响材料强度因素的规律性。2.实验装备的自动化。在实验数据的采集、处理、分析和控制方面实现计算机化。如大型动载实验，已能做到实时的数据处理，大大缩短试验周期，及时提供准确的试验分析

13、数据和图表。即使是多年来难以实现自动化的光弹性仪，也已出现多种光弹性自动测试装置的方案。3. 随着计算机及有限元分析和其他数值分析方法的应用，材料力学实验正朝着实验与计算相结合，物理模型与数学模型相结合的方向发展。第二章 材料的力学性能实验2-1 液压式万能材料试验机 测定材料的力学性能的主要设备是材料试验机。常用的材料试验机有拉力试验机、压力试验机、扭转试验机、冲击试验机、疲劳试验机等。能兼作拉伸、压缩、剪切、弯曲等多种实验的试验机称为万能材料试验机。根据加力的性质可分为静荷试验机和动荷试验机。供静力实验用的万能材料试验机有液压式、机械式、电子式等类型。下面将着重介绍这三种类型的万能材料试验

14、机。图21 液压式万能材料试验机结构简图为介绍液压式万能材料试验机，现以国产WE系列为例。图2-1为这一系列中最常见的WE-100A、300、600试验机的结构简图。现分别介绍其加载系统和测力系统。一、加载系统 在底座1上由两根固定立柱5和固定横梁12组成承载框架。工作油缸13固定于框架上。在工作油缸的工作活塞14上，支承着由上横梁15、活动立柱10和活动平台8组成的活动框架。当油泵35启动时，油液通过送油阀16，经送油管17进入工作油缸，把工作活塞连同活动平台一同顶起。这样，如把试样安装于上夹头7和下夹头6之间，由于下夹头固定，上夹头随活动平台上升，试样将受到拉伸。若把试样置放于两个承压垫板

15、11之间，或将受弯试样置放于两个弯曲支座9上，则因固定横梁不动而活动平台上升，试样将分别受到压缩或弯曲。此外，实验开始前如欲调整上、下夹头之间的距离，则可开动调位电机3，驱动螺杆4，便可使下夹头上升或下降。但调位电机不能用来给试样施加拉力。二、测力系统 加载时，开动油泵电机，打开送油阀16，油泵把油液送入工作油缸13顶起工作活塞14给试样加载；同时，油液经回油管18及测力油管33（这时回油阀19是关闭的，油液不能流回油箱34），进入测力油缸32，压迫测力活塞31、使它带动拉杆27向下移动，从而迫使摆杆28和摆锤29连同推杆25绕支点偏转。推杆偏转时，推动齿杆24作水平移动，于是驱动示力盘的指针

16、齿轮，使示力指针23绕示力度盘22的中心旋转。示力指针旋转的角度与测力油缸活塞上的总压力（即拉杆27所受拉力）成正比。因为测力油缸和工作油缸中油压压强相同，两个油缸活塞上的总压力成正比（活塞面积之比）。这样，示力指针的转角便与工作油缸活塞上的总压力，亦即试样所受载荷成正比。经过标定便可使指针在示力度盘上直接指示载荷的大小。试验机一般配有重量不同的摆锤，可供选择。对重量不同的摆锤，使示力指针转同样的转角，所需油压并不相同，即载荷并不相同。所以，示力度盘上由刻度表示的测力范围应与摆锤的重量相匹配。以WE300试验机为例，它配有A、B、C三种摆锤。摆锤A对应的测力范围为060kN，AB对应0150k

17、N，ABC对应0300kN。开动油泵电机，送油阀开启的大小可以调节油液进入工作油缸的快慢，因而可用以控制增加载荷的速度。开启回油阀19，可使工作油缸中的油液经回油管18泄回油箱34，从而卸减试样所受载荷。实验开始前，为消除活动框架等的自重影响，应开动油泵送油，将活动平台升高10mm左右。然后调节测力部分的平衡铊26，使摆杆28保持垂直位置，并使示力指针指在零点。试验机上一般还有自动绘图装置。它的工作原理是，活动平台上升时，由绕过滑轮的拉绳带动滚筒20绕轴线转动，在滚筒圆柱面上构成沿周线表示位移的坐标；同时齿杆24的移动构成沿滚筒轴线表示载荷的坐标。这样，实验时绘图笔21在滚筒上就可自动绘出载荷

18、位移曲线。当然，这只是一条定性曲线，不是很准确的。三、操作规程和注意事项 1、根据试样尺寸和材料，估计最大载荷，选定相应的示力度盘和摆锤重量。需要自动绘图时，事先应将滚筒上的纸和笔装妥。2、先关闭送油阀和回油阀，再开动油泵电机。待油泵工作正常后，开启送油阀将活动平台升高约10mm，以消除其自重。然后关闭送油阀，安装好试样，调整示力度盘指针使它指在零点。3、安装拉伸试样时，可开动调位电机3以调整下夹头位置，试样安装好后就不能再启动调位电机。4、缓慢开启送油阀，给试样平稳加载。应避免油阀开启过大进油太快。实验进行中，注意不要触动摆杆或摆锤。5、实验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。破坏性实验先取下试

19、样，再缓缓打开回油阀将油液放回油箱。非破坏性实验，自然应先开回油阀卸载，才能取下试样。2-2 机械式万能材料试验机机械式万能材料试验机是一种靠机械传动加力和测力的专用设备，这种试验机也可作拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验。现以ZDM型号的试验机为例介绍机械式万能试验机。其结构简图如图2-2所示。一、加载系统 由底座4、两个固定立柱6和上横头16组成承力固定框架。框架中间装有活动台12，在活动台的上空间可分别进行拉伸、压缩、弯曲、剪切等实验。这种试验机可分别用电动和手摇装置加载。用电动加载时要先将离合器手柄10置于“慢速”位置，再开启电动机1、通过无级变速器2带动底座中的涡轮蜗杆3转动。通过螺杆5带

20、动活动台12和下夹头15沿导轨14向下或向上移动，试件装夹在上夹头和下夹头中间，活动台向下移动使试样受拉伸，向上移动使试样受压缩。可通过转动手轮8来调节加载速度，手轮上的标刻值是指下夹头的移动速度，其速度范围为530mm/min。注意只有在电动机运转的情况下，才能通过手轮调节加载速度。为了防止随便转动手轮8，平时应该用锁紧手柄9将手轮卡紧，以免损坏机件。需要手动图22 机械式万能材料试验机结构简图慢速加载时，将离合器手柄10调到“手动”位置，再摇动手柄7使下夹头移动。 如果需要快速调整上下夹头之间的距离，要先将离合器手柄10调到“快速”位置，这时电动机1和小电动机13同时工作，它们带动螺杆5较

21、快转动，从而使下夹头快速移动。开启小电动机13要注意两点：第一，它的功率很小，只能空载运行。第二，它的速度很快要注意及时停机，防止上下夹头冲撞而损坏电动机。二、测力系统试件安装在上下夹头之间，载荷通过AB和CE两级杠杆系统17传递，带动摆锤23绕支点转动而抬起。AB杠杆有两个支点，试样受拉时，以A为支点，B脱离；试样受压时，会自动以B为支点，A点脱离。从而无论试样受拉还是受压CE杠杆的动作均一致，摆锤也总向一个方向摆动，推动水平齿杆22移动，在示力度盘20上便可读出试件承受的拉力或压力大小。这种试验机的摆锤分A、B、C三种，对于100KN的试验机，对应的测力范围分别为020kN、050kN、0

22、100kN。上夹头及杠杆系统的重量由平衡铊18来平衡。实验开始前调整平衡铊使摆杆19保持垂直，示力指针21对准零点。由于这种试验机的结构特点，零点不易变更，所以无须经常调整零点。三、操作步骤和注意事项 1、根据要求准备好相应的试件夹头。检查离合器、调速手轮和有关保险开关是否在正确位置上。 2、估算所需的最大载荷，选择测力度盘，配置相应的摆锤。调节摆杆垂直，调整指针零点。 3、安装试样。如果夹头距离不合适，就要开机调整活动台到合适位置，停机后再装夹试样。对于拉伸试验，要把上下夹头鎖紧。 4、调整安装好绘图系统以及笔和纸等。 5、正式试验加载： 手动加载：先把离合器手柄置于“手动”位置，再摇动手柄

23、加载。 电动加载：要将离合器手柄置于“慢速”位置，然后开动电动机1加载。需要时可通过调速手轮8来变更加载速度。 6、实验完毕，立即停机。取下试件，一切复原。 7、注意事项： （1）为了使离合器的齿轮很好啮合，将离合器手柄向“手动”位置调节的同时，要转动手摇加载手柄。 （2）必须在加载电动机运转的条件下，转动调速手轮，才能实现电动加载调速。 （3）要使电动机改变运转方向，必须先停机，然后再换向。 （4）试验机运转时，操作者不得擅自离开，不得触动摆锤，有异常现象或发生任何故障，必须立即停机。 （5）小电动机13只能用于快速调节活动台的升降，严禁用于加载或卸载。 2-3 电子万能材料试验机 电子万能

24、材料试验机是采用各类传感器进行力和变形检测，通过微机控制的新型机械式试验机。由于采用了传感技术、自动化检测和微机控制等先进的测控技术，它不仅可以完成拉伸、压缩、弯曲、剪切等常规试验，还能进行材料的断裂性能研究以及完成载荷或变形循环、恒加载速率、恒变形速率、蠕变、松弛和应变疲劳等一系列静、动态力学性能试验。此外，它还具有测量精度高、加载控制简单、试验范围宽等特点，以及提供较好的人机交互界面，具备对整个试验过程进行预设和监控，直接提供试验分析结果和试验报告，试验数据和试验过程再现等优点。现以Instron5882电子万能材料试验机（见图2-3）为例，简单介绍其构造原理和使用方法（见图24）。该机采

25、用全数字化控制，配备载荷传感器、电子引伸计、光电位移编码器等传感器，机械加载部分采用直流伺服控制系统控制预应力滚珠丝杠带动横梁移动。一、工作原理在测试系统接通电源后，微机按试验前设定的数值发出横梁移动指令，该指令通过伺服控制系统控制主机内部的伺服电机转动，经过皮带、齿轮等减速机构后驱动左、右丝杠转动，由活动横梁内与之啮合的螺母带动横梁上升或下降。装上试样后，试验机可通过载荷、应变、位移传感器获得相应的信号，该信号放大后通过A/D进行数据采集和转换，并将数据传递给微机。微机一方面对数据进行处理，以图形及数值形式在微机显示器上反映出来；另一方面将处理后的信号与初始设定值进行比较，调节横梁移动改变输

26、出量，并将调整后的输出量传递给伺服控制系统，从而可达到恒速率、恒应变、恒应力等高要求的控制需要。二、操作方法由于Instron5882电子万能材料试验机采用了全数字化控制技术，因此，其工作过程均通过软件操作来实现。下面结合常用的Merlin软件来介绍操作方法。1、依次合上主机、控制器、计算机系统的电源，一般要求预热一会儿。2、直接点击计算机桌面上的Merlin图标，打开软件，进入试验方法模式，如以前已编好了试验方法，可直接点击进入；如果没有，可点击最下方的Merlin，查找合适的试验法。3、选定所要的试验方法后，输入相关的试验参数，如：加载速率、试样尺寸、数据采集模式和所需试验结果等，最后存储

27、方法。4、安装试样，检查设备的上下限保护是否设置正确。5、启动试验，并注意观察，若发生意外立即终止试验。6、试验完成后，存储试验数据，根据需要提供试验分析结果或打印试验报告。 图23 Instron5882电子万能材料试验机 图24 电子式万能材料试验机结构简图 1-主机；2滚珠丝杠；3活动横梁；4齿轮传动机构； 5 伺服电机；6试件；7光电位移编码器； 8力传感器；9电子引伸计；10点动控制按钮7、将主机的横梁回位，以免接着试验时，造成软件与主机连接不上。8、实验完毕，关闭Merlin软件，关闭计算机系统，关闭控制器，关闭主机电源，最后切断总电源。9、清洁主机，填写设备使用记录。2-4 扭转

28、试验机扭转试验机是专门用来对试样施加扭矩，测定扭矩大小的设备。它的类型较多，结构形式也各有不同，但一般都是由加载和测力两个基本部分组成，现以NJ100B型扭转试验机为例说明扭转试验机的结构及工作原理。这种试验机是采用伺服直流电动机加载、杠杆电子自动平衡测力和可控硅无级调速控制加载速度，具有正反向加载、精度较高、速度宽广等优点。其外形如图2-6所示，最大扭矩1000Nm，分四级度盘，分别是0100Nm，0200Nm，0500Nm，01000Nm。加载速度0360/min和03600/min两档。工作空间650mm。一、加载系统加载系统见图2-5所示，安装在试验机溜板上的加载机构由六个滚珠轴承支持

29、在机座的导轨上，可以前后滑动。加载时，打开电源开关，直流电动机13转动，通过减速齿轮箱的两级减速，带动活动夹头11转动，从而对安装在夹头11和夹头9之间的试件施加扭矩。操作面板的放大图如图2-7所示。面板上1为电源开关。加载按钮8一组三个，可控制试验机的正反向加载和停机。加载速度由速度范围开关2换档、用调速电位器9调节。二、测力系统测力机构为杠杆电子自动平衡系统，如图2-5所示。当试件受扭后，扭矩由固定夹头9传递给测力系统。电动机正向转动使杠杆18逆时针转动，通过A点将力传 图25 扭转试验机测力系统示意图 图 26 扭转试验机递给变支点杠杆16；电动机反向转动则杠杆18顺时针转动，通过C点将

30、力传递给变支点杠杆16。拉杆2上的拉力F通过刀口D作用在杠杆23的左端。杠杆23绕B支点转动使右端翘起，推动差动变压器的铁芯24移动，发出一个电信号，经放大器21使伺服电动机20转动，带动钢丝1拉动游铊28水平移动。当游铊移动，以B为支点的力矩达到平衡QS=Fr时，杠杆23又恢复到水平状态，差动变压器的铁 图2-7 扭转试验机的操作面板芯也恢复零位。这时差动变压器无信号输出，伺服电动机20停止转动。由此可见，扭矩大小与游铊的移动距离S成正比，与拉动载荷F成正比。钢丝1带动滑轮25旋转，从而使指针26偏转，偏转角度与游铊位移S成正比。经过标定，指针便可在示力盘上指示出扭矩的具体数值。若需要变换示

31、力度盘，转动量程选择旋钮8，经过链条10和錐齿轮14带动凸齿轮15旋转，使凸齿轮轴上的不同凸轮与变支点杠杆16上的不同支点接触，这样便可改变杠杆16上力臂比例，达到了变换测力矩范围之目的。三、记录系统对于扭转实验，要记录扭矩T和扭转角曲线。绘图器由绘图笔3和滚筒5等组成。绘图笔水平移动量表示扭矩大小，在滑轮25带动指针转动的同时，又带动钢丝1使绘图笔水平移动。绘图滚筒的转动表示活动夹头11的绝对转动，它是由自整角发动机12给出转动信号，经放大器17放大后输出给伺服电动机7和自整角变压器6，从而使绘图滚筒转动。其转动量与试件的转角成正比。这样就会自动绘制出T-曲线。四、操作步骤和注意事项1、操作

32、步骤（1）估算实验所要最大扭矩，选择所需示力度盘。（2）根据试样夹持端形状，选择合适的钳口和衬套。（3）装好自动绘图器上笔和纸，并打开绘图器开关。（4）打开电源，调节旋钮22，使指针对准零点。(5)安装试件。先将试件的一端插入固定夹头9中，并夹紧。调整加载机构水平移动，使试件的另一端插入活动夹头11中后再夹紧。(6)加载。根据需要将加载开关上的正向或反向按钮按下，逐渐调节变速电位器，使直流电动机转动对试件施加扭矩。(7)实验结束，立即停机，取下试件，将机器复原并清理现场。2、注意事项（1）开机前要把调速电位器逆时针旋到零点，以防开机时产生冲击力矩而损坏试验机零部件。（2）施加扭矩后，禁止再转动

33、“量程选择手轮”和改变“变速开关”。（3）面板上的正、反加载按钮不能同时按下。若要改变施加扭矩方向和变换变速开关，必须先按“停”按钮后，再改变扭矩方向和变速开关。（4）试验机运转时，操作人员不能离开。发现异常声音或其它任何故障，应立即停机并报告指导教师处理。2-5 引伸计引伸计是用来测量试件微小线伸缩变形的仪器。它一般由三个基本部分组成，即感受变形部分；传递和放大部分；显示部分。引伸计的种类很多，现介绍常用的两种。图2-8 张开式引伸计结构图一、应变计式引伸计1、构造原理应变计式引伸计的原理见图28所示。图中（a）所示的常用于拉伸实验中的变形测量；（b）所示的则常用于断裂力学试验的裂纹张开位移

34、测量。这种引伸计主要由应变计、变形传递杆、弹性元件和刀刃组成。L为引伸计的标距。测量变形时，将引伸计装夹在试件上，刀刃与试件接触而感受变形L，通过变形传递杆使弹性元件产生应变，然后再通过粘贴在弹性元件上的应变计把应变量转换成为电阻的变化量R。由电测法原理，即可由R换算出变形L。L是一个微量，通过相应的仪器，可进行显示和记录。2、操作步骤和注意事项（1）标定标定是给引伸计两刀刃间以一定的标准位移，测出引伸计的相应电信号输出量，从而确定标准位移与输出量的对应关系。 将引伸计装夹到变形标准器上，将引伸计连接到测量系统中。调整测量系统平衡，并选择好仪器的有关参数。将X-Y记录仪的记录笔调到“零位”。

35、转动校准器的刻度盘使精密螺杆移动，引伸计就能感受到给定的标准位移值。 从X-Y记录仪上读出记录笔沿X坐标移动的格数，再用标准位移除以格数，便可得到每格所代表的位移值，此数值即为标定值。（2）测量将引伸计夹在被测部位事先粘好的刀口上。将调好的X-Y记录仪开到记录位置，取X轴记录L。加载使试件变形，在X-Y记录仪上即可指示出X轴上的位移量。通过标定过程确定的标准位移，便可读出对应的L值。如果同时再取Y轴表示载荷P，X-Y记录仪上便可绘出P-L曲线。试验结束，整理仪器和机器。（3）注意事项标定时，标准位移要按相应增量增加。标定一般要重复进行三次，每次都要把引伸计取下重新安装。测量时，测量系统的有关参

36、数必须与标定时相同。二、球铰式引伸计1、构造原理如图29所示，该仪器由装有一个千分表和一套利用球铰作为支点组成的杠杆机构而构成。用手握住球铰引伸计，将试样装入标距叉中，用尖头螺钉卡紧试样，使上、下标距叉与试样联成一体。在拉力作用下，试样伸长L。在试样变形过程中，其上标距叉不发生转动，而下标距叉由于球铰的作用转动了一微小角度。球铰中心至千分表测杆轴线的距离等于球铰中心至试样轴线距离的两倍。所以，千分表的变形读数为试样轴线在标距内伸长的两倍。由于千分表的放大倍数为1000，故该引伸计的放大倍数为2000。也就是球铰式引伸计千分表长针走动一格时，试样伸长了1/2000mm。2、操作步骤和注意事项（1

37、）根据所测量试样尺寸的实际需要，调整引伸计标距。使引伸计的标距等于所测量试样要求的标距。 （2）将试样安装在万能试验机的上、下夹头中。进行材料的弹性模量测试时，可对试样施加一定的初载荷F0（相应于弹性变形载荷的510）。然后把引伸计小心地装在试样上，检查调整引伸计与试样的接触松紧是否适宜，表盘指针转动是否灵活。 （3）确认测试系统安装正确后，便可进行正式试验。（4）注意事项引伸计安装在试样上时，应尽可能地使仪表的纵向对称平面与试样轴线处在同一平面内，不得使标距叉发生明显的左右倾斜。试样的实际变形，绝对不允许超出引伸计的量程，否则引伸计就会损坏。图2-9 轴向引伸计简图2-6 金属的拉伸实验*一

38、、概述常温、静载下的轴向拉伸试验是材料力学试验中最基本、应用最广泛的试验。通过拉伸试验，可以全面地测定材料的力学性能，如弹性、塑性、强度、断裂等力学性能指标。这些性能指标对材料力学的分析计算、工程设计、选择材料和新材料开发都有及其重要的作用。二、实验目的1.测定低碳钢的屈服强度Rel、抗拉强度Rm、断后延伸率A11.3和断面收缩率Z。2.测定铸铁的抗拉强度Rm3.观察上述两种材料在拉伸过程中的各种现象，并绘制拉伸图（F曲线）4.分析比较低碳钢和铸铁的力学性能特点与试样破坏特征。三、实验设备及测量仪器1.万能材料试验机2.游标卡尺四、试样的制备试样的制备应按照相关的产品标准或GB/T 2975的

39、要求切取样坯和制备试样。试验表明，所用试样的形状和尺寸，对其性能测试结果有一定影响。为了使金属材料拉伸试验的结果具有可比性与符合性，国家已制定统一标准。依据此标准，拉伸试样分为比例试样和非比例试样两种，试样的横截面形状有圆形和矩形。这两种试样便于机加工，也便于尺寸的测量和夹具的设计。本试验所用的拉伸试样是经机加工制成的圆形横截面的长比例试样,即L=10du。如图210（a）所示。图中Le为试样平行长度，L0为试样原始标距（即测量变形的长度）。d为圆形试样平行长度部分原始直径。图210 （b）为矩形截面试样，其中a为矩形试样的原始厚度，b为矩形试样平行部分原始宽度，S0为试样平行部分原始横截面面

40、积，r为试样两端较粗部分到平行部分过渡圆弧半径。拉伸试样由夹持段、过渡段和平行段构成。试样两端较粗部分为夹持段，其形状和尺寸可根据试验机夹头情况而定。过渡段常采用圆弧形状，使夹持段与平行段光滑连接。*：金属的拉伸实验和2-8 低碳钢材料弹性模量E的测定章节中所引用的如：Rm、Rel、A11.3、Z、F、S等符号来自于GB/T 228-2002 金属室温拉伸实验方法,代替GB/T 228-1987标准中所引用的b、s、P、A。其它章节的符号仍引用原有的标准的符号。（a）圆形试样 （b）矩形试样图210 拉伸试样五、实验原理依据国标GB/T 2282002金属室温拉伸实验方法分别叙述如下：1.低碳

41、钢试样。在拉伸试验时，利用试验机的自动绘图器可绘出低碳钢的拉伸曲线，见图2-11所示的FL曲线。图中最初阶段呈曲线，是由于试样头部在夹具内有滑动及试验机存在间隙等原因造成的。分析时应将图中的直线段延长与横坐标相交于O点，作为其坐标原点。拉伸曲线形象的描绘出材料的变形特征及各阶段受力和变形间的关系，可由该图形的状态来判断材料弹性与塑性好坏、断裂时的韧性与脆性程度以及不同变形下的承载能力。但同一种材料的拉伸曲线会因试样尺寸不同而各异。为了使同一种材料不同尺寸试样的拉伸过程及其特性点便于比较，以消除试样几何尺寸的影响，可将拉 图211低碳钢拉伸曲线Fa比例伸长力；Fc弹性伸长力；Fsu上屈服力；Fs

42、l下屈服力；Fb最大力；Ff断裂力；断裂后塑性伸长；弹性伸长；伸曲线图的纵坐标（力F）除以试样原始横截面面积S0,并将横坐标（伸长L）除以试样的原始标距L0得到的曲线便与试样尺寸无关，此曲线称为应力应变曲线或R曲线，如图212所示。从曲线上可以看出，它与拉伸图曲线相似，也同样表征了材料力学性能。拉伸试验过程分为四个阶段，如图211和图2-12所示。（1）弹性阶段OC。 在此阶段中的OA段拉力和伸长成正比关系，表明钢材的应力与应变为线性关系，完全遵循虎克定律，如图2-12所示。若当应力继续增加到C点时，应力和应变的关系不再是线性关系，但变形仍然是弹性的，即卸除拉力后变形完全消失。用精密仪器测定其

43、塑性应变约为规定的引伸计标距的0.2所对应的强度值定义为规定非比例延伸强度，它是控制材料在弹性变形范围内工作的有效指标。在工程上有实用价值。图212 低碳钢应力应变图比例极限；弹性极限；上屈服点；下屈服点；抗拉强度；断裂应力；断裂后的塑性应变；弹性应变(2)屈服阶段SK。 当应力超过弹性极限到达锯齿状曲线时，示力盘上的主针暂停转动或开始回转并往复运动，这时若试样表面经过磨光，可看到表征晶体滑移的迹线，大约与试样轴线成450方向。这种现象表征试样在承受的拉力不继续增加或稍微减少的情况下变形却继续伸长，称为材料的屈服，其应力称为屈服点（屈服应力）。示力盘的指针首次回转前的最大力（Fsu上屈服力）或

44、不计初始瞬时效应（不计载荷首次下降的最低点）时的最小力(FsL下屈服力)，分别所对应的应力为上、下屈服点。示力盘的主针回转后所指示的最小载荷（第一次下降后的最小载荷）即为屈服载荷Fs。由于上屈服点受变形速度及试样形状等因素的影响，而下屈服点则比较稳定，故工程中一般只定下屈服点。屈服应力是衡量材料强度的一个重要指标。（3）强化阶段KE。过了屈服阶段以后，试样材料因塑性变形其内部晶体组织结构重新得到了调整，其抵抗变形的能力有所增强，随着拉力的增加，伸长变形也随之增加，拉伸曲线继续上升。KE曲线段称为强化阶段，随着塑性变形量的增大，材料的力学性能发生变化，即材料的变形抵抗力提高，塑性降低。在强化阶段

45、卸载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行，卸载后重新加载时，加载线与弹性阶段平行，重新加载后，材料的比例极限明显提高，而塑性性能会相应下降。这种现象叫做形变硬化或冷作硬化。当拉力增加，拉伸曲线到达顶点E时，示力盘上的主针开始返回，而副针所指的最大拉力为Fm，由此可求得材料的抗拉强度。它也是材料强度性能的重要指标。（4）局部变形阶段EG（颈缩和断裂阶段）。对于塑性材料来说，在承受拉力Fm以前，试样发生的变形各处基本上是均匀的。在达到Fm以后，变形主要集中于试样的某一局部区域，该处横截面面积急剧减小，这种现象即是“颈缩”现象，此时拉力随着下降，直至试样被

46、拉断，其断口形状呈碗状，如图213（a）所示。试样拉断后，弹性变形立即消失，而塑性变形则保留在拉断的试样上。利用试样标距内的塑性变形来计算材料的断后延伸率A11.3和断面收缩率Z。 图213 拉伸试样断口形状2. 铸铁试样。做拉伸试验时，利用试验机的自动绘图器绘出铸铁的拉伸曲线，如图214所示。在整个拉伸过程中变形很小，无屈服、颈缩现象，拉伸曲线无直线段，可以近似认为经弹性阶段直接断裂，其断口是平齐粗糙的。如图213（b）所示。 图214 铸铁拉伸图六、实验步骤 1. 根据试样的形状、尺寸和预计材料的抗拉强度来估算最大拉力，并以此力作为示力盘量程的4080，以选择合适的示力盘和相应的摆锤。然后

47、，选用与试样相适应的夹具。2. 在试样的原始标距长度L0 范围内用划线机等分10个分格点，并确定标距的端点，以便观察标距范围内沿轴向变形的情况和试样破坏后测定断后延伸率。3.根据国标GB/T 2282002金属室温拉伸试验方法中的规定，测定试样原始横截面积。本次试验采用圆形试样，应在标距的两端及中间处的两个相互垂直的方向上各测一次横截面直径，取其算术平均值，选用三处测得的直径最小值，并以此值计算横截面面积。4.安装试样，快速调节万能试验机的夹头位置，将示力盘指针调零，并将自动绘图装置调好。经指导教师检查后即可开始试验。5.加载试验，在试验过程中，要求均匀缓慢地进行加载。对于低碳钢试样的拉伸试验

48、，要注意观察拉伸过程四个阶段中的各种现象。并记下屈服载荷Fel值，最大载荷Fm值。对于铸铁试样，只需测定其最大载荷Fm值。试样被拉断后立即停机，并取下试样。 6.对于拉断后的低碳钢试样，要分别测量断裂后的标距LU和颈缩处的最小直径dU。按照国标GB/T2282002中的规定测定LU时，将试样断裂后的两段在断口处紧密地对接起来，直接测量原标距两端的距离。若断口处到最邻近标距端点的距离小于1/3L0时，则需要用“移位法”来计算LU。其方法是：在长段上从拉断处O取基本等于短段格数得B点，接着取等于长段所余格数偶数，图215(a)的一半，得C点；或者取所余格数奇数，图215（b）分别减1与加1的一半，

49、得C和C1点。移位后的L1分别为：AB+2BC或者AB+BC+BC1。测定断面收缩率时，在试样颈缩最小处两个相互垂直的方向上测量其直径d1,取其算术平均值作为d1计算其断面收缩率。 (a) 余格为偶数； (b) 余格为奇数图215 用移位法确定断后延伸率七、实验结果处理根据试验测定数据，可分别计算材料的强度指标和塑性指标。1. 低碳钢强度指标： 屈服强度： （2-1） 抗拉强度： （2-2）塑性指标： 断后延伸率： （2-3） 断后截面收缩率： （2-4）2. 铸铁强度指标 ： 抗拉强度 : （2-5）3. 绘出拉伸过程中的FL曲线，对试验中的各种现象进行分析比较，并写进试验报告中。八、预习要

50、求和思考题 1. 预习材料力学实验和材料力学教材有关内容，明确实验目的和要求。2. 实验时如何观察低碳钢的屈服点？测定时为何要对加载速度提出要求？3. 比较低碳钢拉伸、铸铁拉伸的断口形状，分析其破坏的力学原因。2-7 金属的压缩实验一、概述实验表明，工程中常用的塑性材料，其受压与受拉时所表现出的强度、刚度和塑性等力学性能是大致相同的。但广泛使用的脆性材料，其抗压强度很高，抗拉强度却很低。为便于合理选用工程材料，以及满足金属成型工艺的需要，测定材料受压时的力学性能是十分重要的。因此，压缩实验同拉伸实验一样，也是测定材料在常温、静载、单向受力下的力学性能的最常用、最基本的实验之一。二、实验目的1.

51、 观测低碳钢压缩时的屈服荷载PS2. 测定铸铁压缩时的抗压强度b 3. 观察并比较低碳钢和铸铁在压缩时的变形和破坏现象。三、实验设备1. 液压式万能材料试验机2. 游标卡尺四、试样的制备按照国标GB731487金属压缩试验方法，金属材料的压缩试样多采用圆柱体，如图216所示。试样的长度L一般为直径d0的2.53.5倍，d0= 1020mm。为了尽量使试样受轴向压力，加工试样时，必须有合理的加工工艺，以保证两端面平行，并与轴线垂直。图216 圆柱体试样五、实验原理以低碳钢为代表的塑性材料，轴向压缩时会产生很大的横向变形，但由于试样两端面与试验机支承垫板间存在摩擦力，约束了这种横向变形，故试样出现显著的鼓胀，如图217所示。塑性材料在压缩过程中的弹性模量、屈服点与拉伸时相同，但在到达屈服阶段时不像拉伸试验时那样明显，因此要仔细观察才能确定屈服载荷Ps。当继续加载时，试样越压越扁，由于横截面面积不断增大，试样抗压能力也随之提高，曲线持续上升，如图218所示。除非试样过分鼓出变形，导致柱体表面开裂，否则塑性材料将不会发生压缩破坏。因此，一般不测塑性材料的抗压强度，而通常认为抗压强度等于抗拉强度。以铸铁为代表的脆性金属材料，由于塑性变形很小，所以尽管有端面摩擦，鼓胀效应却并不明显，而是当应力达到一定值后，试样在与轴线大约成450550的方向上发生