《材料力学》实验指导书

《材料力学》

实验指导书

材料教研室力学小组编

华北电力大学

二零零七年四月

1.实验总体目标

培养学生利用万能试验机测定低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性能曲线，利用电测

法测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律的实验动手能力、数据处理能

力，运用应力状态分析方法解释材料的破坏现象的综合分析能力，以提高学生的实验技

能和工作实践能力，提高学生综合素质、分析和解决问题的能力。

2.适用专业

材料科学与工程、热能与动力工程、水利水电工程、核技术和核工程、风能与动力

工程

3.先修课程

高等数学、大学物理

4.实验课时分配

实验项目名称学时

实验一塑性材料和脆性材料的力学性能测试与分析2

实验二梁的弯曲正应力测定2

5.实验环境（对实验室、机房、服务器、打印机、投影机、网络设备等配置

及数量要求）

1.101微机控制电子万能试验机；

2.30t微机控制电液伺服万能试验机；

3.多用电测实验台；

4.YJ—25型电阻应变仪；

5.P20R—25到预调平衡箱；

6.游标卡尺、钢板尺。

6.实验总体要求

熟悉低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性能曲线测定，断口形貌观察以及塑形指标的

测量，并能综合运用应力状态分析方法解释材料破坏的现象；熟悉测量矩形截面梁在纯

弯曲时横截面上正应力的分布规律。

7.本实验的重点、难点及教学方法建议

本实验的重点是熟悉低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性能曲线测定、断口形貌观察以及

塑形指标的测量以及测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律。

本实验的难点是综合运用应力状态分析方法解释材料的破坏现象。

实验一塑性材料和脆性材料的力学性能测试与分析

一、实验目的

1.熟悉万能材料试验机的使用方法。

2.低碳钢、铸铁拉伸、压缩力学性能曲线的测定。

3.测定低碳钢的力学性能参数：6、6、外乱测定铸铁的力学性能参数6。

4.应用应力状态分析方法解释材料的破坏现象。

二、实验类型（含验证型、设计型或综合型）

综合型

三、实验仪器

1.10（微机控制电子万能试验机；

2.30t微机控制电液伺服万能试验机：

3.游标卡尺、钢板尺。

四、实验原理

（一）拉伸和压缩试样

按照国家标准GB6397-86《金属拉伸试验试样》，金属拉伸试样的形状分为圆形截面

试样、矩形截面试样、异形截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。其中最常用的是

圆形截面试样和矩形截面试样。

如图17所示，圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹持三部分组成。平行

部分的试验段长度/（）称为试样的标距。

圆形截面比例试样通常取：1。=5虑或10d。

图1-1拉伸试样

矩形截面比例试样通常取：/（）=5.6574或1L3疯。

对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准GB6397—86.

图1-2压缩试样

按照国家标准GB7314—87《金属压缩试验方法》，金属压缩试样分为圆柱体试样、正

方形柱体试样两种.如图1—2所示。材料的抗压能力与试件高度I和直径"的比值Ud有关,

比值愈大，铸铁的抗压强度极限就愈小。因此，压缩实验必须在相同的实验条件下进行，这

样才能使不同材料的压缩性能具有可比性。金属材料压缩破坏实验所用的试件，一般规定为:

1小3

（二）低碳钢、铸铁的拉伸、压缩实验

1.低碳钢、铸铁拉伸实验

在实验过程中，与微机控制电子万能试验机联机的计算机的显示屏上实时绘出试样的拉

伸曲线（也称为尸一△/曲线），如图1-3所示。

图1-3低碳钢、铸铁拉伸图

低碳钢试样的拉伸曲线（图l-3a）分为四个阶段一弹性、屈服、强化、局部变形阶段。铸

铁试样的拉伸曲线（图l-3b）比较简单，既没有明显的直线段，也没有屈服阶段，变形很小时

试样就突然断裂，断口与横截面重合，断口形貌粗糙。抗拉强度6较低，无明显塑性变形。

与电子万能试验机联机的微型电子计算机自动给出低碳钢试样的屈服载荷R、最大载荷小

和铸铁试样的最大载荷外，

取下试样测量试样断后最小直径力和断后标距八，由下述公式：

二生，^=-^—^-xlOO%,〃="AxlOO%

A（），oA）

可计算低碳钢的拉伸屈服强度5、抗拉强度内、伸长率小和断面收缩率心铸铁的抗拉强度

极限内。若实验前将试样的初始直径4、初始标距长度/（）等数据输入计算机，计算机可直接

计算出以上数据并在实验结束后给出该材料的屈服强度缶和强度极限6。

在测量断后标距八时，若断口位置到最临近的标距线大于H3,则可直接测量试样标距

两端的距离得到伉否则就要采用断口移位法使断口居于标距的中央附近。具体方法是，在

进行实验前，先把试样在标距内〃等份（一般以10mm为一份），并打上标记。试件拉断后,

将拉断的试件断口对紧(如图1-4所示)，以断口。为起点，在长段上取基本等于短段格数

得B点。若长段所余格数为偶数(图1-4(a)),则取其所余格数的一半得出C点，将BC

段长度移到试件左端，此时，KA3+28C。若长段所余格数为奇数时(图1-4(b)),可在长

段上量取所余格数减1后的一半得C点，再量取长段上所余格数加1后的一半得Ci点，此

时，/产A8+8C+BG。若断口落在标距之外则实验无效，需重作实验。

(b)

图1-4断口移位法

2.低碳钢、铸铁压缩实验

试验机上一般均应附有球形承垫，如图1-5所示。球形承垫位于试件下端或上端。当试

件两端面稍有不平行时，球形承垫可以起调节作用，使压力通过试件轴线。

图1・7铸铁压缩图

进行低碳钢压缩试验时，为测取材料的压缩屈服点，应缓慢加载，同时仔细观察广一」/曲

线的发展情况，曲线由直线变为曲线的拐点处所对应的载荷即为屈服载荷氏。材料屈服之后

开始强化，由于压缩变形使试样的横截面积不断增大，尽管载荷不断增大，但是，直至将试

样压成饼形也不会发生断裂破坏，如图1-6所示。因此无法测最低碳钢的抗压强度尺，压缩

试验载荷一变形曲线如图1-6所示。低碳钢的屈服极限公式为：

3嗓

铸铁压缩试验时，由压缩试验载荷一变形曲线(图1-7)可看出，随着载荷的增加，破坏

前试样也会产生较大的变形，直至被压成“微鼓形”之后才发生断裂破坏，破坏的最大载荷

即为断裂载荷。破坏断口与试样加载轴线约成45°角(如图1-7)。由于单向拉伸、压缩时的最

大切应力作用面与最大正应力作用面约成45°角，因此，可知上述破坏是由最大切应力引起

的。仔细观察试样断口的表面，可以清晰地看到材料受剪切错动的痕迹。铸铁的极限强度公

式为：

（三）应力状态分析方法

轴向拉伸和压缩时任一斜截面上的正应力和剪应力P「

可用如下公式表示：

乙=y（l+COS2<7）

=­sin2tz图1-8轴向拉伸时任一斜截面上的正应

a2

力和剪应力

其中：。一一横截面上的正应力

。斜横截面外法线与不轴的夹角。

从以上两式中可以看出：a=0,的截面（即横截面）上正应力最大，。=45°的截面上

剪应力最大，且/<=巳。

452

根据低碳钢、铸铁在拉伸、压缩时的断口特征和应力状态分析方法即可分析出低碳钢、

铸铁在拉伸和压缩时的破坏现象。

五、实验内容和要求

1.低碳钢、铸铁的拉伸实验及力学性能曲线测定，低碳钢的力学性能参数5、5、W、

3和铸铁的力学性能参数仍的测定。

2.低碳钢、铸铁的压缩实验力学性能测定，低碳钢的力学性能参数5和铸铁的力学性

能参数6的测定。

3.观察低碳钢、铸铁在拉伸、压缩破坏时断口特征，应用应力状态分析方法解释低碳

钢、铸铁在拉伸和压缩时的破坏现象。

六、注意事项

1.实验前认真预习、阅读实验指导书，明确实验原理、任务、操作步骤；

2.实验过程中严格遵守操作规程，自觉遵守实验室各项规章制度；

3.认真观察和分析实验现象，作好实验数据记录；

4.按照格式要求认真撰写实验报告，不得抄袭。

七、思考题

1.分别画出低碳钢、铸铁拉伸时的〃一£曲线

2.试分别比较低碳钢和铸铁在轴向拉伸和压缩下的力学性能。

3.比较低碳钢、铸铁拉伸和压缩的断口形貌，应用应力状态分析方法解释其破坏的原

因。

实验二梁的弯曲正应力测定

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.测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律。

3.比较正应力的实验测量值与理论计算值的差别。

二、实验类型（含验证型、设计型或综合型）

验证型

三、实验仪器

1.多用电测实验台；

2.YJ-25型电阻应变仪：

3.P20R-25到预调平衡箱；

4.游标卡尺及钢尺。

四、实验原理

实验装置如图2-1所示，矩形截面梁采用低碳钢或中碳钢制成。在梁承发生纯疗曲变形

梁段的侧面上，沿与轴线平行的不同高度的线段2-2、1-1、0-0、1'—1'、2'—2'（0-0

线位于中性层上，2-2线位于梁的上表面，2'-2'线位于梁的下表面，1-1和2-2

和2'-2'各距0-0线等距，其距离分别用X和乃表示）上粘贴有五个应变片作为工作片，

另外在梁的右支点以外粘贴有一个应变片作为温度补偿片。

将五个工作片和温度补偿片的引线以半桥形式分别接入电阻应变仪后面板上的五个通

道中，组成五个电桥（其中工作片的引线接在每个电桥的A和8端，温度补偿片接在电桥

的6和C端）。当梁在载荷作用下发生弯曲变形时，工作月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位置的应变值气。根据胡克定律，可计算出

相应的应力值

°"亦二石£实

式中，E为梁材料的弹性模量。

梁在纯弯曲变形时，横截面上的正应力理论计算公式为