材料力學(xué)實驗指導(dǎo)書

材料力學(xué)

實驗指導(dǎo)書

班級___________

姓名___________

學(xué)號___________

土木工程學(xué)院

實驗規(guī)則及要求

一、做好實驗前的準(zhǔn)備工作

1、實驗前認(rèn)真預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書及有關(guān)理論知識，明確實驗?zāi)康?，掌握實驗原理?/p>

2、對實驗中所用儀器、實驗裝置等應(yīng)了解其工作原理及操作注意事項。

3、必須清楚地知道本次實驗需記錄的數(shù)據(jù)項目及其數(shù)據(jù)處理方法。

二、嚴(yán)格遵守實驗室的規(guī)章制度

1、課程規(guī)定的時間準(zhǔn)時進(jìn)入實驗室，保持實驗室整潔、干凈、不得抽煙。

2、未經(jīng)許可不可隨意動用實驗室內(nèi)的機(jī)器，儀器，等一切設(shè)備。

3、作實驗時應(yīng)嚴(yán)格按操作規(guī)程操作機(jī)器，儀器，及設(shè)備如發(fā)生事故應(yīng)及時報告，不得

擅自處理。

4、實驗結(jié)束后應(yīng)將所用機(jī)器，儀器，及設(shè)備擦拭干凈，并恢復(fù)到止常狀態(tài)。

三、認(rèn)真做好實驗

I、接受老師預(yù)習(xí)情況的抽查，仔細(xì)聽指導(dǎo)教師對實驗內(nèi)容的講解。

2、實驗時要認(rèn)真嚴(yán)肅、互相配合、嚴(yán)格按實驗步驟，方法逐步進(jìn)行。

3、實驗過程中，要密切觀察實驗現(xiàn)象，記錄好全部所需實驗數(shù)據(jù)，并交指導(dǎo)教師審閱。

四、實驗報告的一般要求

實驗報告是對所完成的實驗結(jié)果整理成書面形式的綜合資料。通過實驗報告的書寫，培

養(yǎng)學(xué)習(xí)者準(zhǔn)確有效地用文字來表達(dá)實驗結(jié)果。因此，要求學(xué)習(xí)者在自己動手完成實驗的基礎(chǔ)

上，用自己的語言扼要地敘述實驗日的、原理、步驟和方法，所使用機(jī)器，儀器，及設(shè)備的

名稱及型號，數(shù)據(jù)處理、問題討論等內(nèi)容，獨立寫出實驗報告，并做到字跡端正。

五、繪圖清晰、表格簡明

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實驗一低碳鋼的拉伸實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

1、觀察低碳鋼在拉伸過程中的各種現(xiàn)象，了解試件變形隨荷載的變化規(guī)律。

2、測試低碳鋼在拉伸過程中的幾個力學(xué)性能指標(biāo)：屈服極限G、強(qiáng)度極限。b、斷后延

伸率8和斷面收縮率平。

3、了解拉伸實驗的原理和方法，掌握萬能試驗機(jī)的操作要領(lǐng)。

二、實驗儀器設(shè)備

電子式萬能試驗機(jī)、游標(biāo)卡尺、拉伸試件。

三、實驗原理與方法

1、電子萬能試驗機(jī)：（圖1一1）是雙空間式的，其移動橫梁與上橫梁之間的空叵為拉

伸實驗空間，移動橫梁與下橫梁之間的空間為壓縮實驗空間。在拉伸空間安裝有拉伸夾具，

在壓縮空間安裝有壓縮夾具和彎曲夾具。測力傳感器、引伸計、光電編碼器、數(shù)據(jù)采集電路

（與控制系統(tǒng)集成在一起）組成測量系統(tǒng)，測力傳感器用于測量實驗載荷，引伸計用于測量

試件的變形，光電編碼器用于測量橫梁移動的位移。各個測量信號均經(jīng)過數(shù)據(jù)采集電路送入

計算機(jī)存儲、處理和顯示。伺服電機(jī)的輸出功率經(jīng)減速器、同步齒形傳動帶傳遞給滾珠絲杠，

然后滾珠絲杠帶動移動橫梁升降將實驗載荷施加到試件上。伺服控制器與伺服電機(jī)和光電編

碼器組成閉環(huán)控制系統(tǒng),控制移動橫梁的運動。伺服控制器向上經(jīng)過控制電路與計算機(jī)玦系，

最終由計算機(jī)實現(xiàn)對可移動橫梁的運動進(jìn)行控制，包括位置、速度等。

圖1一1基本構(gòu)造和原理示宜圖

1.立柱：2.拉伸夾具：3.拉伸試件：4.移動橫梁：5.測力傳感器：6.壓縮夾具：

7.彎曲夾具：8.下橫梁；9.同步齒形傳動帶；10.帶輪；11.光電編碼器：12.伺服電機(jī)；

13.上橫梁：14.滾珠絲杠；15.引伸計；16.手控鍵盤：17.減速機(jī)

由于電子萬能試驗機(jī)采用了閉環(huán)控制，加載過程和數(shù)據(jù)采集都是在計算機(jī)的控制下完成

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的，因此可以選擇不同的參數(shù)控制方式進(jìn)行實驗。參數(shù)控制方式是指以應(yīng)力（或我荷）、位

移、應(yīng)變等諸實驗參數(shù)中的某一個作為加載控制因素。例如，位移控制就是設(shè)定的橫梁的運

動速度（通常是恒定速率的），讓試驗機(jī)按照設(shè)定的橫梁速度和方向?qū)υ嚰M(jìn)行加載。

2、拉伸試件：圖1—2試件的尺寸和形狀對材料的塑性性質(zhì)影響很大。為了能正確地比

較各種材料的力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB228—87）將試件尺寸列表如下

表1—1試件基本參數(shù)

試件原始標(biāo)距長度“mm原始橫截面積Admm2原始電徑

長10()

圓形截面785410

短50

圖1一3低碳鋼拉伸實驗時F-\L曲線

3、低碳鋼拉伸過程中的四個階段：如圖1一3

（1）彈性變形階段（0-A）、這一階段試樣的變形完全是彈性的，全部卸掉荷載后，試樣

將恢復(fù)其原長。

（2）塑性屈服階段（B/-B）、載荷不增加而變形急劇增大，材料失去抵抗變形的能力，

產(chǎn)生屈服。對手未經(jīng)過加工的低碳鋼材料來說，屈服強(qiáng)度是其應(yīng)用時的強(qiáng)度極限。

（3）強(qiáng)化階段（B-D）、繼續(xù)加載，材料繼續(xù)產(chǎn)生變形，這一階段，低碳鋼材料重新恢復(fù)

了抵抗變形的能力。

（4）頸縮階段（D-E）。試樣伸長到一定程度后，荷教讀數(shù)反而逐漸降低。此時可以看到

試樣某一段內(nèi)橫橄血血積顯著地收縮，出現(xiàn)“頸縮”的現(xiàn)象，一直到試樣被拉斷。

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四、實驗步驟

1、開機(jī)：試驗機(jī)一一＞打印機(jī)一一＞計算機(jī)

注意：每次開機(jī)后，需要預(yù)熱10分鐘，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再進(jìn)行試驗工作。若剛剛關(guān)機(jī),

需要再開機(jī)，至少保證1分鐘的時間間隔。

2、測量試件尺寸

測量試件直徑do,定于圓試件在計算長度內(nèi)在兩端及中部二處用游標(biāo)卡尺測量，每?

處都要在兩個相互垂直的方向上量出直徑，取其平均直徑最小截面處的平均直徑作為試件的

直徑。

2、確定計算長度Lo

在試件中間等粗的細(xì)長部分內(nèi)，量取計算長度4=E)0mm并劃線；劃線時應(yīng)盡量輕微。

3、安裝試件

將試件裝入夾具，注意避免試件放斜或歪曲并夾持牢固。

4、進(jìn)入試驗界面一聯(lián)機(jī)一試樣錄入一參數(shù)錄入一開環(huán)一試驗開始

5、加載

在加載實驗過程中，總的要求是緩慢、均勻、連續(xù)地進(jìn)行加載。要注意觀察拉伸過程四

個特征階段的各種現(xiàn)象并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù).當(dāng)試件被拉斷后立即停機(jī)，并取卜.試件。

6、記錄實驗數(shù)據(jù)

斷后標(biāo)距L的測最：測晟匕時將試件斷裂后的兩端在斷口處緊密地對接起來，盡最使

其軸線位于一條軸線上，直接測量原始標(biāo)距兩端即得L值。

斷口處最小直徑力的測量：將試件斷裂后的兩端在斷口處緊密地對接起來，盡量使其

軸線位于一條軸線上，在頸縮最小處兩個相互垂直的方向上測量其直徑取二者的算術(shù)平均值

然后計算值4/值。

五、思考題

I.從實驗得到的低碳鋼拉伸曲線圖來看，它可以分為哪兒個階段？

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實驗二鑄鐵的拉伸和壓縮實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

I、測定鑄鐵拉伸時的強(qiáng)度極限和壓縮時鑄鐵的強(qiáng)度極限.

2、比較低碳鋼與鑄鐵的拉伸機(jī)械性能和破壞形式。

3、觀察鑄鐵壓縮時的變形和破壞現(xiàn)象。

二、實驗儀器設(shè)備

1、萬能試驗機(jī)

2、游標(biāo)卡尺

三、實驗原理與方法

鑄鐵的拉伸：鑄鐵是施性料，其拉伸圖如圖2-1,在拉伸過程中不產(chǎn)生屈服和頸縮現(xiàn)象,

在沒有明顯的塑性變形下很快達(dá)到最大載荷Fb而突然斷裂。并且端口平齊。所以只能測得

拉伸時的的強(qiáng)度極限。整個拉伸過程中變形極小，伸長最不足試件原長的0.5%,而延伸率

則更小。

圖2“鑄鐵的拉伸（壓縮）曲線圖

鑄鐵的壓縮：壓縮實驗是研究材料性能常用的實驗方法。對鑄鐵、鑄造合金、建筑材料

等脆性材料尤為合適。通過壓縮實驗觀察材料的變形過程、破壞形式，并與拉伸實驗進(jìn)行比

較，可以分析不同應(yīng)力狀態(tài)對材料強(qiáng)度、塑性的影響，從而對材料的機(jī)械性能有比較全面的

認(rèn)識。當(dāng)試件受壓時，其上下兩端面與試驗機(jī)支撐之間產(chǎn)生很大的摩擦力，使試件兩端的橫

向變形受到阻礙，故壓縮后試件呈鼓形。摩擦力的存在會影響試件的抗壓能力甚至破壞形式。

為了盡最減少摩擦力的影響，實驗時試件兩端必須保證平行，并與軸線垂直，使試件受軸向

壓力。另外。端面加工應(yīng)有較高的光潔度。

鑄鐵為脆性材料，其壓縮曲線在開始時接近于直線，與縱軸之夾角很小，以后曲率逐漸

增大，最后至破壞，因此只能確定其強(qiáng)度極限，計算公式如下：

°b=FdAo

鑄鐵試件受壓力而縮短，表明有很少的塑性變形的存在。當(dāng)載荷達(dá)到最大值時，試件即

破壞，并在其表面上出現(xiàn)了傾斜的裂縫，鑄鐵受壓后的破壞是突然發(fā)生的，是脆性材料的特

性。鑄鐵試件壓縮時，在達(dá)到最大載荷Pb前出現(xiàn)較明顯的變形然后破裂，此時試驗方值迅

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速減小，鑄鐵試件最后略呈鼓形，斷裂面與試件軸線大約呈45度。

壓縮試件為圓柱形，如圖2?2所示，不宜太高，否則，容易壓方，也不宜太短，否則試

件上下端面與實驗機(jī)承壓座之間產(chǎn)生摩擦力，對試件的承壓力產(chǎn)生影響，一般試件規(guī)定為1

WhOW3,通常脆性材料hO/dO=2。

w

d。

圖2-2鑄鐵的壓縮前后形狀

四、實驗步驟

I、鑄鐵的拉伸實驗步驟

參考低碳鋼的拉伸實驗步驟。

2、鑄鐵的壓縮實驗步驟

（1）用游標(biāo)卡尺測量試件的高度的和直徑而取互相垂直方向直徑的平均值作為試件的

直徑。

（2）將試件置于試驗機(jī)承壓部位。在試件沒有受力時進(jìn)行調(diào)整。

（3）開機(jī)進(jìn)行實驗，一直到試件破壞（注意低碳鋼不能壓到破壞，壓到45KN時即停

止實驗）。

（4）鑄鐵記錄最大荷載居。

（5）卸去載荷，取出破壞試件。

（6）打印出實驗曲線。

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實驗三彎曲正應(yīng)力實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

1、測定梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力大小和分布規(guī)律。

2、驗證純彎曲梁的正應(yīng)力計算公式。

二、實驗儀器與設(shè)備

1、組合實驗臺中純彎曲梁實驗裝置

2、應(yīng)變綜合參數(shù)測試儀

3、游標(biāo)卡尺、鋼板尺

三、實驗原理與方法

在純彎曲條件下，根據(jù)平面假設(shè)和縱向纖維間無擠壓的假設(shè)，可得到梁橫截面上任一點

的正應(yīng)力。，計算公式為

（J=--------

Iz

式中：M為彎矩

〃為橫截面中性軸的慣性矩

Yi為所求應(yīng)力點至中性軸的距離

為了測量梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律，在梁的純彎曲段沿梁側(cè)面不同高

度，平行于軸線貼有應(yīng)變片?（如圖3-1）。

拉

實驗可采用半橋單臂、公共補償、多點測量方法。加載采用增量法，即每增加等量的載

荷AP,測出各點的應(yīng)變增量△。災(zāi),，然后分別取各點應(yīng)變增量的平均值將實測應(yīng)

力值與理論應(yīng)力值進(jìn)行比較，以驗證彎曲正應(yīng)力，計算公式：

b實j=EXxio-6

四、實驗步驟

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I、將試件安裝在試驗臺上。擬定加載方案，調(diào)整好實驗加載裝置。

2、按實驗要求接好線，檢測整個測試系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)。

3、加載，均勻緩慢加載至初初載荷P。記下各點應(yīng)變的初始讀數(shù)；然后分級等量加載,

增加?級載荷，依次記錄各點應(yīng)變片的應(yīng)變值一?，直到最終我荷。

4、做完實驗后，卸指載荷，關(guān)閉電源，整理好所用儀器設(shè)備，清理實驗現(xiàn)場，將所用

儀器設(shè)備復(fù)原。

表3—1試件相關(guān)數(shù)據(jù)

應(yīng)變片至中性層距離（mm）梁的尺寸和有關(guān)參數(shù)

Yi20寬度b=20mm

高度h=40mm

Y210

丫30跨度L=450mm