廣州大學城建學院
建築工程系編寫
二零零四年六月
內容提要
本書為《材料力學》理論教學的配套教材——材料力學基本實驗指導書。書中主要介紹了低碳鋼和鑄鐵材料的拉伸和壓縮實驗，以及合金鋼梁的彎曲正應力電測實驗，包括實驗目的、實驗裝置、實驗原理，實驗方法與步驟以及思考題等內容。書中還介紹了有關儀器和裝置的使用。
前言材料力學實驗是材料力學課程的重要組成部分。材料力學中的一些理論和公式是建立在實驗、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。
本書是根據廣州大學城建技術學院開設的材料力學實驗內容和實驗儀器裝置情況而編寫的，由低碳鋼和鑄鐵材料的拉伸、壓縮實驗，合金鋼梁的純彎曲正應力電測實驗，以及相關儀器和裝置的介紹組成。
編寫時主要參考了劉鴻文、呂榮坤的《材料力學實驗》、曹以柏、徐溫玉的《材料力學測試原理及實驗》，王紹銘等的《材料力學實驗指導》，以及其他院校的有關實驗教學資料。
由於水平和時間有限，本書難免有不足和錯誤，望廣大讀者給以批評指正。
學生實驗須知
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。
目錄實驗一低碳鋼和鑄鐵的拉伸實驗
實驗二低碳鋼和鑄鐵的壓縮實驗
實驗三純彎曲梁正應力分布電測
附錄a 液壓式萬能試驗機簡介
附錄b 球鉸式引伸儀
附錄c 電阻應變測量技術及dh3818靜態應變測量儀簡介
實驗一低碳鋼和鑄鐵的拉伸實驗
一、 實驗目的
（1） 測定低碳鋼的彈性模量e、屈服極限σs、強度極限σb、延伸率δ和斷面收縮率ψ。
（2） 測定鑄鐵的強度極限σb。
（3） 觀察低碳鋼拉伸過程中的彈性、屈服、強化、頸縮、斷裂等物理現象。
（4）熟悉材料實驗機和其它儀器的使用。
二、 實驗裝置
（1） we-30型萬能材料試驗機。
（2） 游標卡尺。
（3） 球鉸式引伸儀。
三、 試件介紹
由於試件的形狀和尺寸對實驗結果有一定的影響，為便於互相比較，應按統一規定加工成標準試件。按國家有關標準的規定，拉伸試件分為比例試件和非比例試件兩種。在試件中部，用來測量試件伸長的長度，稱為原始標距（簡稱標距）。
比例試件的標距l0與原始橫截面面積a0的關係規定為
1.1）
式中係數k的取值為5.65時為短試件，取11.3時為長試件。
對直徑為d0的圓截面試件，短試件和長試件的標距l0分別為5 d0和10 d0。非比例試件的l0和a0不受上述關係限制。本實驗採用圓截面的長試件，即l0=5 d0.
四、實驗原理及方法
常溫下的拉伸實驗可以測定材料的彈性模量e、屈服極限、強度極限、延伸率和斷面收縮率等力學效能指標，這些引數都是工程設計的重要依據。
（1）低碳鋼彈性模量e的測定
由材料力學可知，彈性模量是材料在彈性變形範圍內應力與應變的比值，即
1.2）
因為, ,所以彈性模量e又可以表示為
1.3)
式中：e—材料的彈性模量，，
p—實驗時所施加的荷載，a－以試件直徑的平均值計算的橫截面面積，
l0——引伸儀標距，試件在載荷p作用下，標距l0段的伸長量。
可見，在彈性變形範圍內，對試件作用拉力p，並量出拉力p引起的標距內伸長，即可求得彈性模量e，實驗時，拉力p值由試驗機讀數盤示出，標距l0＝50㎜（不同的引伸儀標距不同），試件橫截面面積a可算出，只要測出標距段的伸長量，就可得到彈性模量e。
在彈性變形階段內試件的變形很小，標距段的變形（伸長量）需用放大倍數為200倍的球鉸式引伸儀來測量。為檢驗荷載與變形之間的關係是否符合胡克定律，並減少測量誤差，實驗時一般用等增量法載入，即把載荷分成若干個等級，每次增加相同的載荷,逐級載入。為保證應力不超過彈性範圍，以屈服載荷的70％～80%作為測定彈性模量的最高載荷pn。
此外，為使試驗機夾緊試件，消除試驗機機構的間隙等因素的影響，對試件應施加乙個初始載荷p0（本實驗中p0＝2.0kn）。
實驗時，從p0到pn逐級載入，載荷的每級增量均為。對應每級載荷pi，記錄相應的伸長，與之差即為變形增量，它是引起的變形（伸長）增量。在逐級載入中，如果得到的基本相等，則表明與p為線性關係，符合胡克定理。
完成一次載入過程，將得到的一組資料，按平均法計算彈性模量，即
1.4)
其中，，為變形增量的平均值；200為測量變形時的放大係數。
（2）屈服極限、強度極限的測定
測定彈性模量後繼續載入使材料達到屈服階段，進入屈服階段時，載荷常2有上下波動，其中較大的載荷稱上屈服點，較小的稱下屈服點。一般用第乙個波峰的下屈服點表示材料的屈服載荷,它所對應的應力即為屈服極限。
屈服階段過後，材料進入強化階段，試件又恢復了承載能力。載荷達到最大值時,試件某一區域性的截面明顯縮小，出現「頸縮」現象。這時示力盤的從動針停留在位置，主動針迅速倒退，表明荷載迅速下降，試件即將被拉斷。
這時從動針所示的載荷即為破壞載荷，所對應的應力叫強度極限。
（3）延伸率和斷面收縮率的測定
試件的原始標距為（本實驗取50㎜），拉斷後將兩段試件緊密對接在一起，量出拉斷後的標距長，延伸率應為
1.5）
式中 —試件原始標距，為50㎜，—試件拉斷後標距長度。
對於塑性材料，斷裂前變形集中在緊縮處，該部分變形最大，距離斷口位置越遠，變形越小，即斷裂位置對延伸率是有影響的。為了便於比較，規定斷口在標距**三分之一範圍內測出的延伸率為測量標準。如斷口不在此範圍內，則需進行折算，也稱斷口移中。
具體方法如下：以斷口o為起點，在長度上取基本等於短段格數得到b點，當長段所剩格數為偶數時（見圖1.1a），則由所剩格數的一半得到c點，取bc段長度將其移至短段邊，則得斷口移中得標距長，其計算式為
如果長段取b點後所剩格數為奇數（見圖1.1b），則取所剩格數加一格之半得c1點和減一格之半得c點，移中後標距長為
將計算所得的代入式中，可求得折算後的延伸率。
為了測定低碳鋼的斷面收縮率，試件拉斷後，在斷口處兩端沿互相垂直的方向各測一次直徑，取平均值計算斷口處橫截面面積，再按下式計算面積收縮率
1.6）
式中 a0—試件原始橫截面面積 a1—試件拉斷後斷口處最小面積
五、實驗步驟
（1）試驗機準備。根據估算的最大載荷，選擇合適的示力度盤（量程）和相應的擺錘，並按相應的操作規程進行操作。
（2）測量試件的直徑。在標距兩端及中部三個位置上，沿互相垂直的方向，測量試件直徑，以其平均值計算彈性模量，以其最小值計算強度和斷面收縮率。
（3）安裝試件。
（4）安裝引伸儀（只用於低碳鋼拉伸試驗）
（5）進行預拉（只用於低碳鋼拉伸試驗）。為了檢查機器和儀表是否處於正常狀態，先把荷載預加到略小於pn（測定彈性模量e時最大荷載），然後解除安裝到0～p0之間。
（6）載入。在測定低碳鋼的彈性模量時，先載入至p0，調整引伸儀讀數為零或記錄初始讀數。載入按等增量法進行，記錄每級荷載下的引伸儀讀數，載荷最大加至pn，然後取下引伸儀。
載入應保持勻速、緩慢。測出屈服載荷ps後，可稍加實驗速率，最後直到將試件拉斷，記錄最大載荷pb。對鑄鐵試件，應緩慢勻速載入，直至試件被拉斷，記錄最大載荷pb。
（7）取下試件，將試驗機恢復原狀。觀察試件並測量有關資料。
六、實驗結果的處理
（1）計算屈服極限和強度極限
,其中，為最小直徑。
（2）計算低碳鋼的彈性模量e。
其中，為載荷增量，，為變形增量的平均值；，d為平均直徑。
（3）計算延伸率和斷面收縮率
七、思考題
（1） 由實驗現象和結果比較低碳鋼和鑄鐵的機械效能有何不同？
（2） 試件的形狀和尺寸對測定彈性模量有無影響？
（3） 測定e時為何要加初載荷p0並限制最高載荷pn？使用分級載入的目的是什麼？
（4） 實驗時如何觀察低碳鋼的屈服極限？
（5） 材料相同而標距分別為5 d0和10 d0的兩種試件，其是否相同？為什麼？
八、實驗記錄參考**
表1－1 試件原始尺寸
表1－2 引伸儀讀數記錄
表1－3 實驗資料
表1－4 計算結果
注：1pa＝1n/㎡
實驗二低碳鋼和鑄鐵的壓縮實驗
一、實驗目的
（1）比較低碳鋼和鑄鐵壓縮變形和破壞現象。
（2）測定低碳鋼的屈服極限σs和鑄鐵的強度極限σb。
（3）比較鑄鐵在拉伸和壓縮兩種受力形式下的機械效能、分析其破壞原因。
（4）熟悉壓力實驗機的使用方法。
二、 實驗儀器和裝置
（1）2000kn液壓式壓力試驗機或we-30型萬能材料試驗機。
（2）游標卡尺。
三、 試件介紹
根據國家有關標準，低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試件一般製成圓柱形試件。低碳鋼壓縮試件的高度和直徑的比例為3：2，鑄鐵壓縮試件的高度和直徑的比例為2：1。試件均為圓柱體。
四、實驗原理及方法
壓縮實驗是研究材料效能常用的實驗方法。對鑄鐵、鑄造合金、建築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，並與拉伸實驗進行比較，可以分析不同應力狀態對材料強度、塑性的影響，從而對材料的機械效能有比較全面的認識。
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