1、 材材 料料 力力 学学 实实 验验 指指 导导 书书 温州大学建筑与土木工程学院 二 0 一一年九月 1 前前 言言 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。 本书是根据温州大学建筑与土木工程学院开设的材料力学实验 内容和实验仪器设备情况而编写的，由材料的拉伸、压缩实验，弹 性模量、泊松比和剪切模量的测定实验，弯曲正应力试验，以及相 关仪器和设备的介绍组成。 编写时
2、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。 主编：主编： 王军王军 杨芳杨芳 二二 0 0 一一年九月一一年九月 2 学生实验须知学生实验须知 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，不准在机器、仪器及桌面上涂写，不准乱丢纸
3、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。 3 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 . 1 11 实验的意义和基本内容 1 12 实验程序 1 13
4、 误差分析及数据处理简介 . 3 第二章第二章 主要仪器设备介绍主要仪器设备介绍 . 5 21 液压式万能试验机 . 5 22 多功能组合实验台 . 8 第三章第三章 基本实验部分基本实验部分 . 9 31 拉伸试验 9 32 压缩试验 12 33 弹性模量 E 和泊松比的测定 14 34 材料剪变模量 G 的测定 . 16 35 梁的弯曲正应力试验 . 18 1 第一章第一章 绪绪 论论 11 实验的意义和基本内容实验的意义和基本内容 材料力学实验是教学中的一个重要的环节。材料力学的结论及定律、材料的力学的性 质（机械性质）都要通过实验来验证或测定；各种复杂构件的强度和刚度的研究，也需要 通
5、过实验才能解决。故实验课能巩固、加强和应用基本理论知识，掌握测定材料机械性能 及测定应力和变形的基本方法，学会使用有关的机器及仪表（如材料试验机、电阻应变仪 等） ，初步培养独立确定实验方案、分析处理实验结果的能力。通过实验还能培养严肃认 真的工作态度，实事求是的科学作风和爱护财物的优良品质。因此，实验是工程专业学生 必须掌握的基本技能。 材料力学实验一般可以分为以下三类： 一、测定材料的的力学性质一、测定材料的的力学性质 构件设计时，需要了解所用材料的力学性质。如经常用到的材料的屈服极限、强度极 限和延伸率等。这些力学性质数据，是通过拉伸、压缩、扭转和冲击等试验测定的。学生 通过这类试验的基
6、本训练，可掌握材料的力学性质的基本测定方法，进一步巩固有关材料 力学性质的知识。 二、验证材料力学理论二、验证材料力学理论 把实际问题抽象为理想的计算模型，再根据科学的假设，推导出一般性公式，这是研 究材料力学通常采用的方法。然而，这些简化和假设是否正确，理论计算公式能否在设计 中应用，必须通过实验来验证。学生通过这类实验，可巩固和加深理解基本概念，学会验 证理论的实验方法。 三、实验应力分析三、实验应力分析 工程实际中，常常会遇到一些构件的形状和载荷十分复杂的情况（如高层建筑物、机 车车辆结构等） 。关于它们的强度问题、单靠理论计算，不易得到满意的结果。因此，近 几十年来发展了实验应力分析的
7、方法，即用实验方法解决应力分析的问题。其内容主要包 括电测法、光测法等，目前已成为解决工程实际问题的有力工具。本书着重介绍目前应用 较广的电测技术。 随着我国现代化建设事业的发展，新的材料不断涌现，新型结构层出不穷，给强度问 题和实验应力分析提出了许多新课题。因此，材料力学实验的内容，愈来愈丰富，实验技 术也将变得更为多样并得以提高。作为一名工程技术人员，只有扎实地掌握实验的基础知 识和技能，才能较快地接受新的知识内容，赶上科技浪潮。 12 实验程序实验程序 本书列入的实验，其实验条件以常温、载静为主。主要测量作用在试件上的载荷和试 件的变形。载荷有的要求较大，由几千牛顿到几百千牛顿，故加力设
8、备有的较大；而变形 则很小，绝对变形可以小到千分之一毫米，相对变形（应变）可以小到 10 -510-6，因而 2 变形测量设备必须精密。进行试验，力与变形要同时测量，一般需数人共同完成。 这就要求严密地组织协作，形成有机的整体，以便有效地完成试验。 一、一、准备准备 明确试验目的、原理和步骤，数据处理方法。试验用的试件（或模型）是试验的对象， 要了解它的原材料的质量，加工精度，并细心地测量试件的尺寸。同时要对试件加载量值 进行估算、并拟出加载方案。此外，应备齐记录表格以供试验时记录数据。 实验小组成员，分工明确，操作互助协调，有统一指挥，不可各行其是。试验时，要 有默契或口令，以便互相对应动作
9、。 对所使用的机器和仪器要进行适当的选择（在教学试验中，试验用的机仪器往往是指 定的，但对选择工作怎样进行应当有所了解） 。选择试验机的根据是： 一需用力的类型（如 使试件拉伸、压缩、弯曲或扭转的力） ； 二需用力的量值。前者由试验目的来决定，后者 则主要依据试件（或模型）尺寸来决定。变形仪和择选，应根据试验精度以及梯度等因素 决定。此外，使用是否方便、变形仪安装有无困难，也都是选用时应当考虑的问题。 若准备工作做得愈充分，则试验的进行便会愈顺利，实验工作质量也愈高。 二、二、试验试验 开始试验前，要检查试验机测力度盘指针是否对准零点、试件安装是否正确、变形仪 是否安装稳妥等。最后请指导教师检
10、查，确认无误后方可开动机器。第一次加载可不作记 录（不允许重复加载的试验除外） ，观察各部分变化是否正常。如果正常、再正式加载并 开始记录。记录者及操作者均须严肃认真、一丝不苟地进行工作。试验完毕，要检查数据 是否齐全，并注意清理设备，把借用的仪器归还原处。 三、三、实验报告实验报告 实验报告是实验者最后的成果，是实验资料的总结。报告包括下列内容： 1 实验名称，实验日期，实验人员姓名，同组成员名单。 2 实验目的及原理。 3使用的机器、仪表应注明名称、型号、精度（或放大倍数）等。其它用具也应写 清，并绘出装置简图。 4实验数据及处理数据要正确填入记录表格内，注明测量单位，如厘米或毫米，牛 顿
11、或千牛顿。此外，还要注意仪器的精度。在正常状况下，仪器所给出的最小读数，应当 在允许误差范围之内。换言之，仪器的最小刻度应当代表仪器的精度。如：百分表的最小 刻度是 0.01mm，其精度即百分之一毫米。应按误差分析理论对数据进行处理。表格均应整 洁，书写清晰，使人容易看出全部测量结果的变化情况和它们的单位及准确度。实验中所 用仪器的度盘若是用工程单位制标定的，数据整理时一律使用国际单位制。 5计算在材料力学试验中，用计算器计算，精度足够。但须注意有效数字的运算法 则。工程上一般取 34 位有效数字。 6图线表示结果注意事项，除根据测得的数据整理并计算出试验结果外，一般还要 采用图表或曲线来表达
12、试验的结果。先建立坐标系，并注明坐标轴所代表的物理量及比例 尺。将试验的坐标点用记号“。 ”或“.” 、 “” 、 “”表示出来。当联接曲线时，不要用 直线逐点连成折线，应该根据多数点的所在位置，描绘出光滑的曲线。例如图 1（a）即为 不正确的描法，图 1（b）为正确的描法。 3 P P 0 0 (a)不正确描法 图 11 (b)正确描法 7试验的总结及体会，对试验的结果进行分析，说明其优缺点之所在、精度是否满 足要求等。对误差加以分析，并回答教师指定的思考题。 13 误差分析及数据处理简介误差分析及数据处理简介 一、误差的概念及分类一、误差的概念及分类 实验中，依靠各种仪表、量具测量某个物理
13、量时，由于主客观原因，总不可能测得该 物理量的真值，即在测量中存在着误差。若对实验数据取舍和误差分析得当，则一方面可 以避免不必要的误差，另一方面可以正确地处理测量数据，使其最大限度地接近真值。 测量误差根据其产生原因和性质可以分为系统误差、过失误差和随机误差。实验时， 必须明确自己所使用的仪器、量具本身的精度，创造好的环境条件，认真细致地工作，这 样就可使误差控制在最小程度。 二、系统误差的消除与增量法二、系统误差的消除与增量法 分析实验中的具体情况，可以尽可能地减小甚至消除系统误差。常用的方法有： 1、对称法：材力实验中所采用的对称法包括两类：对称读数例如拉伸试验中， 试件两侧对称地装上引
14、伸仪测量变形，取其平均值就可消去加载偏心造成的影响（球铰式 引伸仪构造本身减弱了这种影响） ；再如，为了达到同样目的，可在试件对称部位分别贴 应变片。 加载对称在加载和卸载时分别读数， 这样可以发现可能出现的残余应力应变， 并减小过失误差。 2、校正法：经常对实验仪表进行校正，以减小因仪表不准所造成的系统误差。如根 据计量部门规定，材料试验机的测力度盘（相对误差不能大于 1%）必须每年用标准测力计 （相对误差小于 0.5%）校准；又如电阻变应仪的灵敏系数度盘，应定期用标准应变模拟仪 进行校准。 3、增量法（逐级加载法） ：当需测量某根杆件的变形或应变时，在比例极限内，载荷 由 P1牛顿增加到
15、P2、P3Pi。在测量仪表上，便可以读出各级载荷所对应的读数 A1、 A2、A3Ai。A=AiAi-1称为读数差。各个读数的平均值就是当载荷增加 P（一般 载荷都是等量增减）时的平均变形或应变。 增量法可以避免某些系统误差的影响。如材料试验机如果有摩擦力 f（常量）存在， 则每次施加于试件上的真实力为 P1f ，P2f 。再取其增量 P（P2+f）（P1+f） P2P1 ，摩擦力 f 便消去了。又如某试验者读引伸仪时，习惯于把数字读得偏高。如果 采用增量法，而试验过程中自始至终又都是同一个人读数，个人的偏向所带来的系统误差 也可以消除掉。 试验过程中，记录人员如果能随时将读数差算出，还可以消去
16、由于实验者粗心所致的 4 过失误差。 材料力学实验中，一般采用增量法。 三、实验数据整理的几条规定三、实验数据整理的几条规定 1、读数规定 1） 、从仪表或量具上读出的标度值是试验的原始数据，一定要认真对待，如实地记录 下来，不得进行任何加工整理。 2） 、表盘读数一般读到最小分格的 1/10，其中最后一位有效数字是可疑数字。 2、数据取舍的规定 明显不合理的实验结果通常称为异常数据。例如：外载增加了，变形反而减小；理论 上应为拉应力的区域测出为压应力等。这种异常数据往往由过失误差造成，发生这种情况 时必须首先找出数据异常的原因，再重新进行测试。对于明显不合理数据产生的原因也应 在实验报告中进
17、行分析讨论。 3、实验结果运算的规定 1） 、实验结果运算必须遵循有效数字的计算法则。 加减法运算时，各位所保留的小数点后的位数应与各数中小数点后位数最少的相 同。例如：8.346+0.0072+13.49 应写为 8.44+0.01+13.4921.94 而不应算成 21.9332。 乘除法时，各因子保留的位数以有效数字最少的为准，所得积或商的准确度不应高 于准确度最低的因子。 大于或等于四个数据计算平均值时，有效数增加一位。 2） 、实验结果必须用国际单位制表示。 3） 、对于理论值的验证实验，应计算实验值和理论值之间的相对误差。 相对误差= 100% 对理论值为零的误差，计算时采用绝对误
18、差。 理论值实验值 理论值 5 第二章第二章 主要仪器设备介绍主要仪器设备介绍 21 液压式万能试验机液压式万能试验机 该机为 WE 系列试验机，能给试件（或模型）施加的最大载荷通常为 50KN、100KN、 300KN、600KN、1000KN 和 2000KN 等多种，能兼作拉伸、压缩、剪切和弯曲等多种试验并 广泛应用于材料试验中。其组成结构可分为四大部分。主要由加载部分、测力部分、自 动绘图器和操作面板共四部分组成。其外形如图 21，结构原理如图 22 所示。 19.测力度盘 20.主力指针 21.从动指针 25.摆杆 26.摆锤 18.小横梁 16.工作油缸 15.活动立柱 14.大横
19、梁 13.上压板 12.下压板 11.支座 10.活动平台 9.上夹头 8.试件 7.下夹头升降按扭 6.下夹头 5.固定立柱 4.蜗杆 2.下夹头升降电动机 1.底座 37.自动绘图器 32.进油阀 33.回油阀 38.停止按扭 39.启动按扭 油管 40.绘图笔 27.螺杆 图 21 液压式万能试验机外形图 19.测力度盘 20.主动针 21.从动针 22.推杆 23.支点 24.平衡铊 25.摆杆 26.摆锤 32.进油阀 33.回油阀 34.油箱 35.油泵 36.电动机 18.小横梁 17.工作活塞 16.工作油缸 15.活动立柱 14.大横梁 13.上压板 12.下压板 11.支座
20、 10.活动平台 9.上夹头 8.试件 7.下夹头升降按扭 6.下夹头 5.固定立柱 4.蜗杆 3.蜗轮 2.下夹头升降电动机 1.底座 渗油管(3) 回油管(2) 进油管(1) 29.拉杆 30.测力活塞 27.齿轮 28.螺杆 31. 测力油缸 图 22 液压式万能试验机原理图 6 一、构造原理一、构造原理 1、加载部分 在机器底座 1 上，装有两个固定立柱 5，它支承着大横梁 14 和工作油缸 16。开动电 动机 36，带动油泵 35，将油液从油箱 34 吸入工作油泵，经油泵的出油管送到进油阀 32 内，当进油阀手轮 32 打开时，油液经进油管（1）进入工作油缸 16 内，通过油压推动工
21、 作活塞 17，由活塞顶起小横梁 18，再由小横梁 18 带动活动立柱 15 和活动平台 10 上升。 若将试件两端装在上下夹头 9、6 中，因下夹头 6 固定不动，当活动平台 10 上升时，试 件便受到拉力。若把试件放在活动平台的下压板 12 上，当活动平台 10 上升时，由于上 压板 13 固定不动，试件与上压板 13 接触后，便受到压力，产生压缩变形。把弯曲试件 放在两支座 11 上，当试件隋活动平台上升并碰到上夹头后，便产生弯曲变形。一般试验 机在输油管路中都装有进油阀门 32 和回油阀门 33。 进油阀门用于加载， 控制进入工作油 缸中的油量，以便调节试件变形速度。回油阀门用于卸载，
22、打开时，可将工作油缸中的 压力油流回油箱，活动平台由于自重而下落，回到原始位置。 根据拉伸的空间不同，可启动下夹头升降电动机 2，转动底座中的蜗轮 3，使蜗杆 4 上下移动，以调节下夹头 6 的升降位置。注意当试件已夹紧或受力后，不能再开动下夹 头升降电动机 2。否则，就要造成下夹头对试件加载，以致损伤机件，烧毁电机 2。 2、测力部分 主要由测力度盘 19、指针、回油管 2、测力油缸 31、工作油缸 16、摆锤 26、拉杆 29 等组成。加载时，工作油缸 16 中的压力油推动活塞 17 的力与试件所受的力随时处于 平衡状态。由于回油管（2）将工作油缸 16 和测力油缸 31 联通，工作油缸内
23、油压通过回 油管（2）传到测力油缸并推动测力活塞 30 向下。通过拉杆 29 使摆锤 26 绕支点 23 转动 而抬起，同时摆上的推杆 22 推动螺杆 28，螺杆 28 又推动齿轮 27，齿轮 27 又带动主动 针 20 旋转。这样操作者便可从测力度盘 19 上，读出试件受力的大小。 如果增加或减少摆锤的质量，当指针旋转同一角度时，所需的油压也就不同。即指 针在同一位置所指示出的载荷大小与摆锤重量有关。一般试机有 A、B、C 三种锤重，测 力度盘上也相应地有三种刻度，分别表示三种测力范围。例如 300KN 万能机有 060KN、 0150KN 和 0300KN 三种刻度。实验时，要根据试件所需
24、载荷的大小，选择合适的测 力度盘，并在摆杆上挂上相应重量的摆锤即可。 加载前，测力针应指在度盘上的“零”点，否则必须加以调整。调整时，先开动电 动机 36，将活动平台 10 升起 510 毫米左右，然后移动摆杆上的平衡铊 24，使摆杆保 持铅直位置。转动螺杆 28 使主动针 20 对准“零”点，然后轻轻按下测力度盘中央的弹 簧按钮并把从动针拨到主动针右边附近即可。 为何要先升起活动平台才调整零点的原因，为何要先升起活动平台才调整零点的原因， 是由于活塞、小横梁、活动立柱、活动平台和试件等有较大的重量。这部分重量必须消是由于活塞、小横梁、活动立柱、活动平台和试件等有较大的重量。这部分重量必须消
25、除，不应反映到试件荷载的读数中去除，不应反映到试件荷载的读数中去，只有这样才能避免测力读数的误差。而要消除自，只有这样才能避免测力读数的误差。而要消除自 重必须工作油缸里要有一定的油压先将它们升起才能消除，这部分油压并未用来给试件重必须工作油缸里要有一定的油压先将它们升起才能消除，这部分油压并未用来给试件 加载，只是消除升起部分的重量。加载，只是消除升起部分的重量。 3 3、绘图部分、绘图部分 在试验机上，连有一套附属装置，可以在实验过程中，自动地画出试件所受载荷与 变形之间的关系曲线，这种装置称为自动绘图器。自动绘图器 37 装在测力度盘的右边， 由绘图笔，导轨架、滚筒、擎线和坠铊等组成。绘
26、图纸卷在滚筒上，水平螺杆运动方向 为力坐标 P ，滚筒转动方向为变形坐标L 。试件受力时，绘图笔便会自动地把拉伸图 （PL）曲线描绘在绘图纸上。由于线图的精确度较差，所以它绘出的图形只能作定 性的示范，不能当作定量分析。 4 4、操作部分、操作部分 7 该部分主要由进油阀 32、回油阀 33、启动按钮 39、停止按钮 38、电源开关等组成。 进油阀的作用是将油箱里的油送至工作油缸。进油阀门开得大，表示压力油送到工作油 缸里的速度快，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 证荷载指针均匀地转动。回油阀的作用主要是使试件卸载，实验完毕后，须打开回油阀， 使工作油缸里的油流回
27、油箱。万能试验机的具体操作方法如下： 二、操作规程二、操作规程 1、检查机器：检查试件夹头形式和尺寸是否与试件相配合；各保险开关是否有效； 自动绘图器是否正常；进油阀与回油阀是否关紧。 2、选择度盘：根据试件的大小估计所需的最大载荷，选择适当的测力度盘。配置相 应的摆锤，调节好回油缓冲器。 3、指针调零：打开电源，开动油泵电动机，检查机器运转是否正常。关闭回油阀， 拧开进油阀，缓慢进油。当活动平台上升少许（约 10mm）后，便关闭进油阀。移动平衡 铊使摆杆保持垂直。然后调整指针指零。 4、 安装试件： 做压缩试验时必须保持试件中心受力， 将试件放在下夹板的中心位置。 安装拉伸试件时，须开动下夹
28、头的升降电动机，调整下夹头位置，夹头应夹住试件全部 头部。 注意事项：注意事项： 试件夹紧后，不得再开动下夹头升降电机，否则要烧坏电机试件夹紧后，不得再开动下夹头升降电机，否则要烧坏电机 。 5、进行试验：启动油泵电动机，操纵进油阀。注视测力度盘，慢速加载 。操纵机器 必须专人负责，坚守岗位，如发生机器声音异常，立即停机。 6、还原工作：试验完毕，关闭进油阀，打开液压夹具，取下试件。拧开回油阀，缓 慢回油，将活动平台回到初始位置，将一切机构复原，停机。 8 2 22 2 多功能组合实验台多功能组合实验台 本实验台是将多个单项材料力学实验集中在一个试验台上进行，是一套小型组合实 验装置。用时稍加
29、准备，并转动旋转臂，切换到各个实验的相应位置后，然后拧紧固定。 即可进行梁的弯曲正应力试验、弯扭组合试验、偏心拉伸试验、材料弹性模量 E 和泊松 比以及剪变模量 G 的测定、悬臂梁、复合梁、叠合梁、三角形桁架内力测试等多种实 验。 该装置主要由基座平台、圆管固定支座、简支支座、固定立柱、旋转臂、加载手轮、 荷载传感器、拉压接头、数字测力仪及各种试件组合而成。其构造如图 23 所示。 图 23 多功能组合实验台 使用方法： （1）打开数字测力仪电源并进行调零，根据实验需要，安装试件或更换拉压接头，转 动旋转臂到各个实验的相应位置。 （2）检查试件、支座、拉压接头的相应位置是否对中、对准，是否符合
30、要求，若达到 要求，拧紧固定。 （3）缓慢转动加载手轮，便可对试件施加拉力或压力（顺时针旋转施加压力，逆时针 旋转施加拉力） 。力的大小由数字测力仪显示，单位为“N” ，数字前显示“”号表示压 力，无“”号表示拉力。荷载大小根据各实验的具体要求来确定。 注意事项注意事项 ： 1 1 、切勿超载，所加荷载不得超过各实验的规定要求，最大不超过、切勿超载，所加荷载不得超过各实验的规定要求，最大不超过 5000 N 5000 N ，否则将 ，否则将 损坏荷载传感器损坏荷载传感器 。 9 第三章第三章 基本实验部分基本实验部分 3 31 1 拉伸试验拉伸试验 一、目的一、目的 1、 测定低碳钢的屈服极限
31、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、 观察拉伸过程中的各种现象（屈服、强化、颈缩、断裂特征等） ，并绘制拉伸图（P L 曲线） ； 4、 比较塑性材料和脆性材料力学性质特点。 二、原理二、原理 将划好刻度线的标准试件，安装于万能试验机的上下夹头内。开启试验机，由于油压作 用，便带动活动平台上升。因下夹头和蜗杆相连，一般固定不动。上夹头在活动平台里，当 活动平台上升时，试件便受到拉力作用，产生拉伸变形。变形的大小可由引伸仪测得，力的 大小通过指针直接从测力度盘读出，PL 曲线可以从自动绘图器上得到。 低碳钢是典型的塑性材料，试样依次经过弹性、屈服、强化和颈缩四
32、个阶段，其中前三 个阶段是均匀变形的。 用试验机的自动绘图器绘出低碳钢和铸铁的拉伸图（如图 31） 。对于低碳钢试件，在 比例极限内，力与变形成线性关系，拉伸图上是一段斜直线（试件开始受力时，头部在夹头 内有一点点滑动，故拉伸图最初一段是曲线） 。 低碳钢的屈服阶段在试验机上表现为测力指针来回摆动， 而拉伸图上则绘出一段锯齿形 线，出现上下两个屈服荷载。对应于 B点的为上屈服荷载。上屈服荷载受试件变形速度和 表面加工的影响， 而下屈服荷载则比较稳定， 所以工程上均以下屈服荷载作为计算材料的屈 服极限。屈服极限是材料力学性能的一个重要指标，确定 Ps时，须缓慢而均匀地使试件变 形，仔细观察。 (
33、a) 低碳钢拉伸图 图 31 (b) 铸铁拉伸图 试件拉伸达到最大荷载 Pb以前，在标距范围内的变形是均匀分布的。从最大载荷开始便产 生局部伸长的颈缩现象；这时截面急剧减小，继续拉伸所需的载荷也减小了。试验时应把测 力指针的副针（从动针）与主动针重合，一旦达到最大荷载时，主动针后退，而副针则停留 在载荷最大的刻度上，副针指示的读数为最大载荷 Pb 。 铸铁试件在变形极小时，就达到最大载荷 Pb，而突然发生断裂。没有屈服和颈缩现象， 是典型的脆性材料（拉伸曲线见图 31） 。 10 三、仪器设备三、仪器设备 1.液压式万能试验机、2.划线器、3.游标卡尺。 四、试件四、试件 试件一般制成圆形或矩
34、形截面，圆形截面形状如图 32 所示，试件中段用于测量拉伸 变形，此段的长度L0称为“标距” 。两端较粗部分是头部，为装入试验机夹头内部分，试件 头部形状视试验机夹头要求而定，可制成圆柱形（图 32a） 、阶梯形（图 32b） 、螺纹形 （图 32c） 。 (b) (c) (a) d d0 d0 L0 L0 L0 图 32 试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果会有影响。为了避免这种影响，便于各种材料 力学性能的数值互相比较， 所以对试件的尺寸和形状国家都有统一规定， 即所谓 “标准试件” ， 其形状尺寸的详细规定参阅国家标准金属拉伸试验试样GB/T63971986。标准试件的直 径为 d0，则
35、标距 L010d0或 L05d0，d0一般取 10mm 或 20mm。矩形截面试件标距 L 与横截面 面积 A 的比例为 L0=11.3A或 L0=5.65A。 五、低碳钢的拉伸试验步骤五、低碳钢的拉伸试验步骤 1、测量试件尺寸 用游标卡尺在试件标距长度 L0范围内，测量两端及中间等三处截面的直径 d0 ，在每一 处截面垂直交叉各测量一次，三处共需测量六次。取三处中最小一处之平均直径 d0作为计 算截面面积 A0之用（要求测量精度精确到 0.02mm） 。 在试件的标距长度内，用划线器划出 100mm 的两根端线作为试件的原长 L0 2、选择度盘：根据试件截面尺寸估算最大荷载(Pmax=A0b
36、)，并选择合适的测力度盘。 配置好相应的砣（摆锤） ，调节好相应回油缓冲器的刻度。 3、指针调零：打开电源，按下(绿色) 油泵启动按钮，关闭回油阀（手感关好即可，不用拧 得太紧） ，打开进油阀（开始时工作油缸里可能没有液压油，需要开大一些油量，以便压力 油快速进入工作油缸，使活动平台加速上升） 。当活动平台上升 510mm 左右，便关闭进油 阀（如果活动平台已在升起的合适位置时，则不必先打开进油阀，仅将进油阀关好即可；如 果活动平台升得过高，试件无法装夹，则需打开回油阀，将活动平台降到合适的位置并关好 即可） 。 移动平衡锤使摆杆保持铅垂 （铅垂的标准是摆杆右侧面和标示牌的刻画线对齐重合） 。
37、 然后轻轻地旋转螺杆使主动针对准度盘上的零点， 并轻轻按下测力度盘中间的从动针拨钩拨 动从动针与主动针靠拢，并使从动针靠在主动针的右边。同时调整好自动绘图器，装好纸和 笔并打下绘图笔。 4、安装试件： 先将试件安装在试验机上夹头内，再开动下夹头升降电机（或转动下夹头升降手轮）使 其达到适当的位置，然后把试件下端夹紧，夹头应夹住试件全部头部。 5、检查： 先请指导教师检查以上步骤完成情况，并经准许后方可进行下步实验。 6、进行试验： 用慢速加载（一般进油阀顺手转 23 下，即 1 圈左右） ，缓慢均匀地使试件产生变形。 当指针转动较快时，关小一些进油量，指针转动较慢时，增大一些进油量。 11 7
38、、在试件受拉的过程中注意观察测力指针的转动和自动绘图器上的 PL 曲线的轨 迹。当测力指针倒退时（有时表现为指针来回摆动，说明材料已进入屈服阶段，注意观察屈 服现象，此时不要增加油量也不要减少油量，让材料慢慢屈服，并抓住时机，记录屈服时的 最小载荷 Ps（下屈服点） ，也就是指针来回摆动时的最小值。 8、当主动针开始带动从动针往前走，说明材料已过屈服阶段，并进入强化阶段。这时 可以适当的再增大一些进油量， 即用快一点的速度加载。 在载荷未达到强度极限之前把载荷 全部卸掉，重新加载以观察冷作硬化现象，继续加载直至试件断裂。在试件断裂前，注意指 针移动，当主动针往回走，此时材料已进入颈缩阶段，注意
39、观察试件颈缩现象，这时可以适 当地减少一些进油量。当听到断裂声时，立即关闭进油阀当听到断裂声时，立即关闭进油阀，并记录从动针指示的最大载荷 Pb 。 9、结束工作 取下试件，并关闭电源。将试件重新对接好。用游标卡尺测量断后标距长 L1（即断后的 两个标记刻画线之间的距离） 。和断口处的直径 d1。 （在断口处两个互相垂直方向各测量一 次） ，最后观察断口形状和自动绘图器上的拉伸曲线图是否与理论相符。 注意事项：注意事项： （1 1）试件夹紧后，不得再开动下夹头的升降电机。否则要烧坏电机）试件夹紧后，不得再开动下夹头的升降电机。否则要烧坏电机。 （2 2）开始加载要缓慢，防止油门开得过大，引起载
40、荷冲击突然增加，造成事故。）开始加载要缓慢，防止油门开得过大，引起载荷冲击突然增加，造成事故。 （3 3）进行试验时，必须专人负责，坚守岗位，如发生机器声音异常，立即停机。）进行试验时，必须专人负责，坚守岗位，如发生机器声音异常，立即停机。 （4 4）试验结束后，切记关闭进油阀，取下试件，打开回油阀）试验结束后，切记关闭进油阀，取下试件，打开回油阀, , 并关闭电源。并关闭电源。 六、铸铁的拉伸试验六、铸铁的拉伸试验 试验步骤与低碳钢基本相同，但拉伸图没有明显的四个阶段，只有破坏荷载 Pb，而且数 值较小，变形也不大。因此加载时速度一定要慢，进油阀不要开得过大，断裂前没有任何预 兆，突然断裂，
41、是典型的脆性材料。最后观察断口形状和自动绘图器上的拉伸曲线图是否与 理论相符。其断口形状与低碳钢有何不同。 请教师检查试验记录。 七、数据处理七、数据处理 根据材料的屈服载荷 Ps和最大载荷 Pb，计算屈服极限s和强度极限b； 0 A P s s 0 A P b b 根据试件试验前后标距长度及断面面积计算： %100 0 01 L LL %100 0 01 A AA 八、思考题八、思考题 1、从试件的破坏断口及其拉伸图上，反应了两种材料的哪些异同？为什么将低碳钢的 极限应力jx定为s，而将铸铁的定为b？ 12 3 32 2 压缩试验压缩试验 一、目的一、目的 1、 测定压缩时低碳钢的屈服极限s
42、和铸铁的强度极限b。 2、 观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏情况。 二、仪器设备二、仪器设备 1、液压式万能试验机 2、游标卡尺 三、试件三、试件 低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成圆柱形 （图 33） 。 其直径 d0与高 h0之间 比例应控制在31 0 0 d h 。即高度不能太大以避免试件在试验中发生挠曲现象。但 h0也不能 太小，由于上下垫板发生摩擦，也影响试验结果。由于摩擦阻止了靠近垫板部分的金属的横 向变形，因而试件变形后如（图 34）所示形成鼓形，越靠近垫板变形越小。这种摩擦力 的影响，试件越小影响越大。所以需要在试件两端面涂上润滑剂（润滑 图 33 图 34 图 35
43、油或石蜡） ，以减小摩擦。同时在安放试件时要放在压板的中心，并使用导向装置（图 3 5） ，使试件仅承受轴向压力。 四、操作步骤：四、操作步骤： 1 1、低碳钢、低碳钢 （1）测量尺寸：测量试件的高度和直径，直径取试件的上、中、下三处，每处垂直交叉 各测量一次，取最小值来计算截面面积 A0 。 （2）选测度盘：根据试件的截面大小估算量程，并选好测力度盘，挂好相应的铊。 （3）指针调零：按下启动按钮，随即关闭回油阀，拧开进油阀，将活动平台提升一小段， 便关闭进油阀。然后检查摆杆是否垂直，如果不垂直，调节平衡铊，使摆杆保持垂直。最后 将指针调零，并装好绘图图纸和绘图笔。 （4）安放试件：将试件安放
44、在下夹板的中心位置或压缩实验装置的中心（注意一定要放 在中心，否则偏心受压） 。 （5）加载：如果试件或压缩实验装置离上压板空间较大，有几十厘米空间，此时可以将 进油阀开到较大，让活动平台快速上升。这时右手控制进油阀，左手放在停止按钮上（控制 台面上的红色按钮） ，眼睛看着试件。当试件当试件或压缩实验装置或压缩实验装置离上压板还差离上压板还差 5 5cmcm 时，左手立时，左手立 即按下停止按钮，右手关闭进油阀（顺时针转动手轮） ，直到关闭为止。然后重新启动试验即按下停止按钮，右手关闭进油阀（顺时针转动手轮） ，直到关闭为止。然后重新启动试验 机，顺手转进油阀机，顺手转进油阀 2 23 3 下
45、（下（1 1 圈左右） ，并缓慢而均匀地加载。圈左右） ，并缓慢而均匀地加载。打下绘图笔，转动滚筒，使 绘图笔处于合适的位置。并注意观察测力指针，如果指针转动较快，则关小一些进油量；如 果转动较慢，则开大一些进油量。并注意观察自动绘图器上的 PL 曲线。曲线的开始部 分为一段斜直线，说明低碳钢在弹性阶段，此时力与变形成比例。当测力指针转动速度减慢 或停顿，自动绘图器上的曲线出现拐点时，此时的荷载即为屈服荷载 Ps。记下此荷载。然后 再加大一些进油量，继续加载，一般加到 220KN 即可，停机，此时试件被压成鼓状。如果继 续加载，随着载荷的增大，试件将越压越扁，最后将压成饼形而不破裂（如图 36
46、 所示） 。 2 2、铸铁、铸铁 13 铸铁压缩实验的方法和步骤与低碳钢压缩相同， 但要注意铸铁是脆性材料， 没有屈服点。 从 PL 曲线上可以看出，其压缩图在开始时接近于直线，以后曲率逐渐增大，当载荷达 到最大载荷 Pb时，测力指针停顿并开始往回走，预示试件很快破裂，这时关小一些进油量， 当听到响声后，立即停机（按下红色按钮） ，打开回油阀，关闭进油阀，由从动针可读出 Pb 值。试件最后被破坏（如图 37 所示） ，破裂面与试件轴线约成 45 0角。 图 36 低碳钢压缩 图 37 铸铁压缩 注意事项注意事项： （1 1）当试件或压缩实验装置的顶面与上压板快接触时，进油量一定要小（当试件或压
47、缩实验装置的顶面与上压板快接触时，进油量一定要小（ 进油阀控进油阀控 制 制 在半圈即可） ，否则进油量较大，引起载荷瞬间突然增大，超过试验的最大量程，造成试验在半圈即可） ，否则进油量较大，引起载荷瞬间突然增大，超过试验的最大量程，造成试验 机损坏。机损坏。 （2 2）铸铁压缩时，不要靠近试件探望，以防试件破坏时，碎片飞出伤人铸铁压缩时，不要靠近试件探望，以防试件破坏时，碎片飞出伤人 。 五、数据整理五、数据整理 计算低碳钢的屈服极限和铸铁强度极限 0 A P s s 0 A P b b 式中 A0是试验前试件截面面积。 绘图表示两种材料的变形和断口形状、 从宏观角度分析破坏原因； 比较并说
48、明两种材料 的力学性质特点。 六、思考题六、思考题 1、 试件偏心时对试验结果有何影响？ 2、 为什么不能求得塑性材料的强度极限？ 3、 铸铁拉、压破坏时断口为何不同？ 14 3 33 3 弹性模量弹性模量 E E 和泊松比的测定和泊松比的测定 一、目的一、目的 1、在比例极限内，验证虎克定律，并测定材料的弹性模量 E 和泊松比。 二、仪器设备二、仪器设备 1、多功能组合实验台 2、静态电阻应变仪 3、游标卡尺 三、试件三、试件 矩形长方体扁试件、材料为不锈钢、试件横截面尺寸：h= 32 mm , b = 2.7 mm 四、预习要求四、预习要求 1、预习本节实验内容和材料力学的相关内容。 五、试验原理与方法五、试验原理与方法 本
