工程力學教研中心編
前言材料力學實驗是材料力學課程的重要組成部分。科學史上許多重大發明是依靠科學實驗而得到的，材料力學中的一些理論和公式也是建立在實驗、觀察、推理、假設的基礎上，它們的正確性還必須由實驗來驗證。學生通過做實驗，用理論來解釋、分析實驗結果，又以實驗結果來證明理論，互相印證，以達到鞏固理論知識和學會實驗方法的雙重目的。
材料力學實驗包括以下三個方面的內容。
一、測定材料的力學性質。材料的力學性質通常是通過拉伸、壓縮、扭轉、斷裂韌性測試等試驗來測定的。通過這些試驗，學會測量材料力學效能的基本方法。
在工程上，各種材料的力學效能是設計構件時不可缺少的依據。
二、驗證理**式的正確性。在理論分析中，將實際問題抽象為理想模型，並做出某些科學假設（如彎曲中的平截面假定等），使問題簡化，從而推出一般性結論和公式，這是理論研究中常用的方法。但是這些假設和結論是否正確，理**式能否應用於實際之中，必須通過實驗來驗證。
三、實驗應力分析。在工程實踐中，很多構件的形狀和受載情況比較複雜，單純依靠理論計算不易得到正確的結果，必須用實驗的方法來了解構件的應力分布規律，從而解決強度問題，這種辦法稱為實驗應力分析。目前實驗應力分析的方法很多，這裡只介紹應用較廣的電測法。
實驗須知
1．實驗前必須預習實驗指導書中相關的內容，了解本次實驗的目的、要求及注意事項。
2．按預約實驗時間準時進入實驗室，不得無故遲到、早退、缺席。
3．進入實驗室後，不得高聲喧嘩和擅自亂動儀器裝置，損壞儀器要賠償。
4．保持實驗室整潔，不准在機器、儀器及桌面上塗寫，不准亂丟紙屑，不准隨地吐痰。
5．實驗時應嚴格遵守操作步驟和注意事項。實驗中，若遇儀器裝置發生故障，應立即向教師報告，及時檢查，排除故障後，方能繼續實驗。
6．實驗過程中，若未按操作規程操作儀器，導致儀器損壞者，將按學校有關規定進行處理。
7．實驗過程中，同組同學要相互配合，認真測取和記錄實驗資料；
8．實驗結束後，將儀器、工具清理擺正。不得將實驗室的工具、儀器、材料等物品攜帶出實驗室。
9．實驗完畢，實驗資料經教師認可後方能離開實驗室。
10．實驗報告要求字跡端正、繪圖清晰、**簡明、實驗結果正確。
目錄一、基礎實驗4
實驗一低碳鋼和鑄鐵拉伸實驗4
實驗二低碳鋼和鑄鐵壓縮實驗13
實驗三扭轉試驗16
實驗四切變模量g的測定24
實驗五梁的彎曲正應力實驗27
實驗六主應力實驗30
實驗七壓杆穩定實驗33
二、綜合實驗37
實驗一低碳鋼和鑄鐵拉伸實驗37
實驗二低碳鋼和鑄鐵壓縮實驗39
實驗三扭轉試驗42
實驗四切變模量g的測定44
實驗五梁的彎曲正應力實驗45
實驗六主應力實驗52
實驗七壓杆穩定實驗56
實驗報告57
一、基礎實驗
實驗一拉伸實驗
拉伸實驗是檢驗材料機械效能的最基本的實驗。
一、實驗目的
1．了解試驗裝置——萬能材料試驗機的構造和工作原理，掌握其操作規程及使用時的注意事項。
2．測定低碳鋼的屈服極限(流動極限)σs,強度極限σb、伸長率、斷面收縮率。
3．測定鑄鐵的強度極限b。
4．觀察以上兩種材料在拉伸過程中的各種現象，並利用自動繪圖裝置繪製拉伸圖 （p一曲線）。
5．比較低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）拉伸時的機械性質。
二、實驗裝置和量具
1．量具：游標卡尺、鋼尺、分規。
2．裝置：萬能材料試驗機。
圖1-1 液壓式萬能材料試驗機外形圖
下面將萬能材料試驗機的構造、工作原理及操作規程介紹如下：
在材料力學實驗中，最常用的機器是萬能材料試驗機。它可以做拉伸、壓縮、剪下、彎曲等試驗，故習慣上稱它為萬能材料試驗機，簡稱為全能機。全能機有多種型別。
這裡僅對常用的兩種型別介紹如下：
1）we——10型液壓擺式萬能材料試驗機
we—10型液壓擺式萬能材料試驗機的外形如圖1—1，它的構造原理示意圖如圖
圖1-2 液壓擺式萬能材料試驗機原理示意圖
（1）加力部分在試驗機的底座上，裝有兩根固定立柱2，立柱支承著固定橫樑3及工作油缸4。當開動油幫浦電動機後，電動機帶動油幫浦5，將油箱裡的油，經送油閥23送至工作油缸4，推動其工作活塞6，使上橫樑7、活動立柱8和活動平台9向上移動。如將拉伸樣裝於上夾頭10和下夾頭11內，當活動平台向上移動時，因下夾頭不動，而上夾頭隨著平台向上移動，則試樣受到拉伸；如將試樣裝於平台的承壓座12內，平台上公升時，則試樣受到壓縮。
做拉伸實驗時，為了適應不同長度的試樣，可開動下夾頭的電動機使之帶動蝸桿、蝸桿帶動蝸輪、蝸輪再帶動絲杆，可控制下夾頭上、下移動，調整適當的拉伸空間。
（2）測力部分裝在試驗機上的試樣受力後，它受力大小，可在測力盤上直接讀出。試樣受了載荷的作用，工作油缸內的油就具有一定的壓力。這壓力的大小與試樣所受載荷的大小成比例。
而測力油管將工作油缸與測力油缸14聯通，則測力油缸就受到與工作油缸相等的油壓。此油壓推動測力活塞15，帶動測力拉桿，使擺桿21和擺錘16繞支點轉動。試樣受力愈大，擺的轉角也愈大。
擺桿轉動時，它上面的推桿便推動水平齒條17，從而使齒輪帶動測力指標旋轉，這樣便可從測力度盤上讀出試樣受力的大小。擺錘的重量可以調換，一般試驗機可以更換三種錘重，故測力度盤上也相應有三種刻度，這三種刻度對應著機器的三種不同的量程。we—10型萬能試驗機有0～20kn、0～60kn、0～
100kn三種測量量程。
（3）操作步驟
①載入前，測力指標應指在度盤的「零」點，否則必須加以調整。調整時，先開動油幫浦電動機，將活動平台公升起3～5mm左右，然後稍旋動擺桿上的平衡鉈20，使擺桿保持鉛直位置，再轉動水平齒條使指標對準「零」點。其所以先公升起活動平台才調整零點的原因，是由於上橫樑、活動立柱8和活動平台等有相當大的質量，要有一定的油壓才能將它公升起。
但是這部分油壓並未用來給試樣載入，不應反映到試樣載荷的讀數中去。
②選擇量程，裝上相應的錘重。再一次按①方法，校準「零」點。調好回油緩衝器的旋鈕，使之與所選的量程相同。
③安裝試樣。壓縮試樣必須放置墊板。拉伸試樣則須調整下夾頭位置，使拉伸區間與試樣長短適應。注意：試樣夾緊後，絕對不允許再調整下夾頭，否則會造成燒毀下夾頭電動機的嚴重事故。
④調整好自動繪圖儀的傳動裝置和筆、紙等。
⑤檢查送油、回油閥，一定要注意它們均應在關閉位置。
③開動油幫浦電動機，緩緩開啟送油閥，用慢速均勻載入。
③實驗完畢，立即停車取下試樣。這時關閉送油閥，緩慢開啟回油閥，使油液洩回油箱，於是活動平台到原始位置。最後將一切機構復原，並清理機器。
（4）注意事項
①開車前和停車後，送油閥、回油閥一定要在關閉位置。載入、解除安裝和回油均應緩慢進行。載入時要求測力指標勻速平穩地走動，應嚴防送油閥開得過大，測力指標走動太快，致使試樣受到衝擊作用。
②拉伸試樣夾住後，不得再調整下夾頭的位置，以使帶動下夾頭公升降的電動機燒壞。
③機器運轉時，操縱者必須集中注意力，中途不得離開，以免發生安全事故。
④試驗時，不得觸動擺錘，以免影響試驗讀數。
⑤在使用機器的過程中，如果聽到異聲或發生任何故障應立即停車（切斷電源），進行檢查和修復。
三、實驗原理
1．為了檢驗低碳鋼拉伸時的機械性質，應使試樣軸向受拉直到斷裂，在拉伸過程中以及試樣斷裂後，測讀出必要的特徵資料（如；ps、pb、l1、dl）經過計算，便可得到表示材料力學效能的四大指標： s、b、、。
2．鑄鐵屬脆性材料，軸向拉伸時，在變形很小的情況下就斷裂，故一般測定其抗拉強度極限b。
四、實驗試樣
試樣的各部分名稱如圖
l—4。
夾持部分用來裝入試驗
機夾具中以便夾緊試樣，過
渡部分用來保證標距部分能均勻受力，這兩部分的形狀和尺寸，決定於試樣的截面形狀和尺寸以及機器夾具型別。
標距10是待試部分，也是試樣的主體，其長度通常簡稱為標距，也稱為計算長度。
試樣的尺寸和形狀對材料的塑性性質影響很大。為了能正確地比較材料的機械性質，國家對試樣尺寸作了標準化規定。
拉伸試樣分比例試樣和非比例試樣兩種。比例試樣系按公式計算而得。式中10為標距，a0為標距部分原始截面積，係數 k通常為5.
65和11.3（前者稱為短試樣，後者稱為長試樣）。據此，短、長圓形試樣的標距長度10分別等於5d010d0。
非比例試樣的標距與其原橫截面間無上述一定的關係。
根據國家標準（gb228—76）將比例試樣尺寸列表如下：
表中d0表示試樣標距部分的原始直徑，，分別表示標距長度l0為d0的10倍或5倍的試樣伸長率。
常用試樣的形狀尺寸、光潔度等可查國家標準gb228—76中的附錄
一、二。
五、實驗方法及步驟
1．低碳鋼試樣的拉伸實驗
1）測定試樣的截面尺寸——圓試樣測定其直徑d0的方法是：在試樣標距長度的兩端和中間三處予以測量，每處在兩個相互垂直的方向上各測一次，取其算術平均值，然後取這三個平均數的最小值作為d0；矩形試樣測三個截面的寬度b與厚度a，求出相應的三個a0，取最小的值作為a0。a0的計算精確度：
當a0≤100mm2時a0取小數點後面一位，當a0＞100mm2時a0取整數。所需位數以後的數字按四捨五入處理。
材料力學實驗指導書
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