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材料力学实用教材doc
内容简介
为适应实验技术的发展和实验设备的更新，本书把材料力学实验分为材料的力学性能实验、电测实验、综合性和设计性实验和光弹性实验四个部分。
材料的力学性能实验主要是破坏性实验，其中包括材料拉伸弹性模量测定的机测实验；电测实验部分主要为电测实验方法和配合更新的实验设备所做的常用的电测实验，其中包括用电测方法测定拉伸弹性模量和泊松比的实验；综合性和设计性实验主要介绍复合材料的基本实验方法、电测实验的应用和残余应力的测试技术；光弹性实验主要介绍光学实验的基础知识。
本书可作为高等学校工科本科材料力学课程的配套教材，作为不单独开设实验课学校使用，也可用于开放实验室，作为独立开课的学校选用。
前言
为提高本科大学生的实验技能和工作实践能力，适应教育部关于工科高等学校基础课力学实验教学，也为力学实验课独立开课作准备，编写了这本教材。
全书共分五章和附录。
第一章为绪论，阐述材料力学实验的任务和地位以及今后的发展方向。
第二章主要讲述材料力学实验所需的材料试验机的结构和原理，尤其把最新的电子万能材料试验机的操作纳入本教材，把传统的由人操作材料试验机的操作方式改为由人和计算机共同控制材料试验机的方式，真正能够达到严格按国家标准进行实验。
另外详细介绍了材料力学性能测试的实验方法和几种破坏性实验。
第三章主要介绍电测实验方法，也主要根据学校自己研制的多功能电测实验装置的性能，编写所能做的实验及操作方法。
如果力学实验单独开课，这些实验也可增加由学生从自己粘贴应变计到设计电测桥路，到最后实现实验的目的。
第四章为综合性和设计性实验，这些实验主要把学生在前一阶段所学的知识应用到实际测试中，真正做到提高学生的动手能力。
第五章简单地描述光弹性实验，让学生了解更多的实验方法，拓宽实验知识。
本书承宋显辉副教授和刘禹钦高级实验师审阅和指导，在此表示衷心的感谢。
武汉理工大学力学实验中心的李守信、朱京扬、吴向春、周丽、张红旗、谢建雄等教师参加了本书部分内容的编写工作。
限于编者的水平，教材可能有欠妥之处，恳请广大师生和读者批评指正。
编者
2004年5月
目 录
第一章 绪论
§1-1材料力学实验的任务和地位
§1-2材料力学实验的发展
第二章材料的力学性能实验
§2-1 液压式万能材料试验机
§2-2 机械式万能材料试验机
§2-3 电子万能材料试验机
§2-4 扭转试验机
§2-5 引伸计
§2-6 金属的拉伸实验
§2-7 金属的压缩实验
§2-8 拉伸弹性模量（E）的测定
§2-9 扭转实验
§2-10冲击实验
§2-11疲劳实验
第三章电阻应变测量技术
§3-1概述
§3-2电阻应变计
§3-3电阻应变仪
§3-4测量电桥的接法
§3-5弯曲正应力实验
§3-6拉伸弹性模量（E）及泊松比（μ）的测定
§3-7剪切模量（G）的测定
§3-8弯扭组合变形主应力的测定
第四章综合性和设计性实验
§4-1复合材料的拉伸实验
§4-2电阻应变计的粘贴实验
§4-3电阻应变计灵敏系数K的测定
§4-4弯扭组合变形下的空心管的内力测定
§4-5力传感器的制作
§4-6压杆临界压力的测定
§4-7偏心拉伸实验
§4-8规定非比例延伸强度（Rp0.2）的测定（方法一）
§4-9规定非比例延伸强度（Rp0.2）的测定（方法二）
§4-10钻盲孔法测量残余应力
§4-11动态应变测量（方法一）
§4-12动态应变测量实验（方法二）
第五章光弹性实验
§5-1光测弹性仪
§5-2光弹性实验（演示）
§5-3等色线、等倾线图的描绘
§5-4材料条纹值的测定
参考资料
附 录
附录I 误差理论和数据处理
附录Ⅱ 材料力学实验性能试验的国家标准简介
附录Ⅲ 实验报告
第一章 绪 论
§1-1材料力学实验的任务和地位
材料力学实验是力学实验的一个分支，是材料力学的重要组成部分。
力学实验一般分为以下三种类型：
1、前瞻性实验：
引导力学学科的发展。
2、础性实验：
支持和建立新的力学理论，检验和修正已有的力学理论。
3、应用性实验：
为工程设计规范制定提供依据。
一、材料力学实验的任务
1、面向生产为生产服务。
根据正规生产过程，科学设计的程序应该是：
首先了解工况、外载荷、设计范围等；其次是选料、设计尺寸、强度核算和应力分析；然后试生产、现场实测、事故分析，经过长期观察，最后才能投产。
材料力学试验在这儿扮演了主要角色。
2、面对新技术新方法的引入，研究新的测试手段。
近二十年来由于光学的大发展，光电子学，光纤的发展，产生了很多新的光测法，概括可称为“光力学”。
还有疲劳、断裂、细微尺度力学实验等。
3、面向材料力学，为材料力学的理论建设服务。
材料力学的一些理论是以某些假设为基础的，例如杆件的弯曲理论就以平面假设为基础。
用实验验证这些理论的正确性和适用范围，有助于加深对理论的认识和理解。
至于对新建立的理论和公式，用实验来验证更是必不可少的。
实验是验证、修正和发展理论的必要手段。
二、材料力学实验的地位
1、是材料力学中新的理论及计算方法提出的必要前提，用新的理论，计算方法所得的结果要经过实验验证。
2、能解决许多理论工作无法解决的工程实际问题。
某些情况下，例如因构件几何形状不规则或受力复杂等，应力计算并无适用理论。
这时，用诸如电测、光弹性等实验应力分析方法直接测定构件的应力，便成为有效的方法。
对经过较大简化后得出的理论计算或数值计算，其结果的可靠性更有赖于实验应力分析的验证。
3、是材料力学发展的三大支柱（新的理论，计算方法，力学实验）之一。
§1-2材料力学实验的发展
一、历史回顾
从发展史来看，力学实验的发展与理论发展不同。
理论往往是有一个体系，并不断发展和完善的。
而力学实验就不同了，它的方法都借助于物理基础、新概念和新技术，经过再创造使之为力学服务，它不断更新，形成许多种相对独立的方法，如光弹性、电阻应变测量、云纹、声发射等。
因此，由于力学实验的多体系、相对独立性、困难性、交叉性、渗透性和无界性，所以要讲材料力学实验的发展史是很困难的。
大家一般只知道力学实验近几十年的情况，对它的过去往往不甚了解。
其实，力学实验历史是很悠久的，可以说与理论平行。
实验与实践是一样的，不过一个在实验室，一个在现场。
在材料力学方面又何尝不是如此，如果没有现场实验作为基础，我们的祖先怎可能在没有理论体系的情况下，造出那么多出色的建筑，如塔、宫殿、赵州石桥等，至今犹存。
材料力学实验的发展在西方有记载的首先要算达.芬奇（DaVinci），他既是艺术家、科学家，又是工程师，实验工作者，他做了梁的弯曲试验。
以后就是伽利略（Galileo），在他25岁时受聘比萨大学当教授，他做过悬臂梁试验和拉伸强度试验。
他是数学家、天文学家，又是实验力学工作者。
再以后就是虎克（Hooke），他在1678年发表弹簧论文，从而产生了虎克定律，给弹性力学奠定了理论基础。
以后马里沃特（Mariotte）的简支梁试验，伯努里（Bernoulli）的悬臂梁试验，欧拉（Euler）的稳定试验，库仑（Coulumb）的剪切试验，还有泊松（Poisson），圣维南（St.Venant），柯西（Cauchy），纳维（Navier）等。
我国是一个文明古国，有记载的是墨子经下篇记有：
“发均悬轻而发绝，不均也，均其绝也莫绝。
”又说“衡木加重焉而不挠极胜重也。
若校交绳无加焉而挠极不胜重也。
”墨子这个拉伸与弯曲试验比伽利略要早2000年。
二、材料力学实验的现状
我国材料力学方面的论文多偏重于经典理论和方法，缺乏有根据的计算和实验验证，虽然理论做的很细很巧，但不能说是一个完美的科学成果。
突破实验和计算这两个薄弱环节应该是我国材料力学工作更上一层楼的急迫任务。
材料力学方面的科研成果如果缺乏实验验证就是个不完整的成果，不仅是做零星的、个别的实验，而要做大量的、系统的实验。
三、材料力学实验的发展特点
1.速度快。
光弹用了100年才完善，电测用了20多年就完善了，全息、散斑、云纹干涉用了不到10年左右就很成熟了。
2.相互渗透。
1960年全息干涉发展以后被引用到光弹性中来称为全息光弹性，用于云纹法称为全息云纹等。
3.材料力学实验中的新方法与其他学科交叉。
比如断裂力学实验，生物力学实验，复合材料力学实验等。
四、材料力学实验的发展趋势
1.实验技术向广度和深度发展。
广度：
例如日益广泛地应用电阻应变测量技术，使得从真空到高压，从深冷到高温，从静态到高频条件下的应变，都可获得有效的测量数据。
又如把经典方法和新兴科学技术结合起来（全息干涉法，全息光弹性法，散斑干涉法，声发射技术等），不断增加测试手段，扩大了测量和应用范围，或提高了测试精度。
深度：
开展宏观和微观相结合的实验研究，深入探索失效机理和各种影响材料强度因素的规律性。
2.实验装备的自动化。
在实验数据的采集、处理、分析和控制方面实现计算机化。
如大型动载实验，已能做到实时的数据处理，大大缩短试验周期，及时提供准确的试验分析数据和图表。
即使是多年来难以实现自动化的光弹性仪，也已出现多种光弹性自动测试装置的方案。
3.随着计算机及有限元分析和其他数值分析方法的应用，材料力学实验正朝着实验与计算相结合，物理模型与数学模型相结合的方向发展。
第二章 材料的力学性能实验
§2-1 液压式万能材料试验机
测定材料的力学性能的主要设备是材料试验机。
常用的材料试验机有拉力试验机、压力试验机、扭转试验机、冲击试验机、疲劳试验机等。
能兼作拉伸、压缩、剪切、弯曲等多种实验的试验机称为万能材料试验机。
根据加力的性质可分为静荷试验机和动荷试验机。
供静力实验用的万能材料试验机有液压式、机械式、电子式等类型。
下面将着重介绍这三种类型的万能材料试验机。
图2－1液压式万能材料试验机结构简图
为介绍液压式万能材料试验机，现以国产WE系列为例。
图2-1为这一系列中最常见的WE-100A、300、600试验机的结构简图。
现分别介绍其加载系统和测力系统。
一、加载系统
在底座1上由两根固定立柱5和固定横梁12组成承载框架。
工作油缸13固定于框架上。
在工作油缸的工作活塞14上，支承着由上横梁15、活动立柱10和活动平台8组成的活动框架。
当油泵35启动时，油液通过送油阀16，经送油管17进入工作油缸，把工作活塞连同活动平台一同顶起。
这样，如把试样安装于上夹头7和下夹头6之间，由于下夹头固定，上夹头随活动平台上升，试样将受到拉伸。
若把试样置放于两个承压垫板11之间，或将受弯试样置放于两个弯曲支座9上，则因固定横梁不动而活动平台上升，试样将分别受到压缩或弯曲。
此外，实验开始前如欲调整上、下夹头之间的距离，则可开动调位电机3，驱动螺杆4，便可使下夹头上升或下降。
但调位电机不能用来给试样施加拉力。
二、测力系统
加载时，开动油泵电机，打开送油阀16，油泵把油液送入工作油缸13顶起工作活塞14给试样加载；同时，油液经回油管18及测力油管33（这时回油阀19是关闭的，油液不能流回油箱34），进入测力油缸32，压迫测力活塞31、使它带动拉杆27向下移动，，从而迫使摆杆28和摆锤29连同推杆25绕支点偏转。
推杆偏转时，推动齿杆24作水平移动，于是驱动示力盘的指针齿轮，使示力指针23绕示力度盘22的中心旋转。
示力指针旋转的角度与测力油缸活塞上的总压力（即拉杆27所受拉力）成正比。
因为测力油缸和工作油缸中油压压强相同，两个油缸活塞上的总压力成正比（活塞面积之比）。
这样，示力指针的转角便与工作油缸活塞上的总压力，亦即试样所受载荷成正比。
经过标定便可使指针在示力度盘上直接指示载荷的大小。
试验机一般配有重量不同的摆锤，可供选择。
对重量不同的摆锤，使示力指针转同样的转角，所需油压并不相同，即载荷并不相同。
所以，示力度盘上由刻度表示的测力范围应与摆锤的重量相匹配。
以WE－300试验机为例，它配有A、B、C三种摆锤。
摆锤A对应的测力范围为0～60kN，A＋B对应0～150kN，A＋B＋C对应0～300kN。
开动油泵电机，送油阀开启的大小可以调节油液进入工作油缸的快慢，因而可用以控制增加载荷的速度。
开启回油阀19，可使工作油缸中的油液经回油管18泄回油箱34，从而卸减试样所受载荷。
实验开始前，为消除活动框架等的自重影响，应开动油泵送油，将活动平台升高10mm左右。
然后调节测力部分的平衡铊26，使摆杆28保持垂直位置，并使示力指针指在零点。
试验机上一般还有自动绘图装置。
它的工作原理是，活动平台上升时，由绕过滑轮的拉绳带动滚筒20绕轴线转动，在滚筒圆柱面上构成沿周线表示位移的坐标；同时齿杆24的移动构成沿滚筒轴线表示载荷的坐标。
这样，实验时绘图笔21在滚筒上就可自动绘出载荷－位移曲线。
当然，这只是一条定性曲线，不是很准确的。
三、操作规程和注意事项
1、根据试样尺寸和材料，估计最大载荷，选定相应的示力度盘和摆锤重量。
需要自动绘图时，事先应将滚筒上的纸和笔装妥。
2、先关闭送油阀和回油阀，再开动油泵电机。
待油泵工作正常后，开启送油阀将活动平台升高约10mm，以消除其自重。
然后关闭送油阀，安装好试样，调整示力度盘指针使它指在零点。
3、安装拉伸试样时，可开动调位电机3以调整下夹头位置，试样安装好后就不能再启动调位电机。
4、缓慢开启送油阀，给试样平稳加载。
应避免油阀开启过大进油太快。
实验进行中，注意不要触动摆杆或摆锤。
5、实验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。
破坏性实验先取下试样，再缓缓打开回油阀将油液放回油箱。
非破坏性实验，自然应先开回油阀卸载，才能取下试样。
§2-2机械式万能材料试验机
机械式万能材料试验机是一种靠机械传动加力和测力的专用设备，这种试验机也可作拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验。
现以ZDM型号的试验机为例介绍机械式万能试验机。
其结构简图如图2-2所示。
一、加载系统
由底座4、两个固定立柱6和上横头16组成承力固定框架。
框架中间装有活动台12，在活动台的上空间可分别进行拉伸、压缩、弯曲、剪切等实验。
这种试验机可分别用电动和手摇装置加载。
用电动加载时要先将离合器手柄10置于“慢速”位置，再开启电动机1、通过无级变速器2带动底座中的涡轮蜗杆3转动。
通过螺杆5带动活动台12和下夹头15沿导轨14向下或向上移动，试件装夹在上夹头和下夹头中间，活动台向下移动使试样受拉伸，向上移动使试样受压缩。
可通过转动手轮8来调节加载速度，手轮上的标刻值是指下夹头的移动速度，其速度范围为5～30mm/min。
注意只有在电动机运转的情况下，才能通过手轮调节加载速度。
为了防止随便转动手轮8，平时应该用锁紧手柄9将手轮卡紧，以免损坏机件。
需要手动
图2－2机械式万能材料试验机结构简图
慢速加载时，将离合器手柄10调到“手动”位置，再摇动手柄7使下夹头移动。
如果需要快速调整上下夹头之间的距离，要先将离合器手柄10调到“快速”位置，这时电动机1和小电动机13同时工作，它们带动螺杆5较快转动，从而使下夹头快速移动。
开启小电动机13要注意两点：
第一，它的功率很小，只能空载运行。
第二，它的速度很快要注意及时停机，防止上下夹头冲撞而损坏电动机。
二、测力系统
试件安装在上下夹头之间，载荷通过AB和CE两级杠杆系统17传递，带动摆锤23绕支点转动而抬起。
AB杠杆有两个支点，试样受拉时，以A为支点，B脱离；试样受压时，会自动以B为支点，A点脱离。
从而无论试样受拉还是受压CE杠杆的动作均一致，摆锤也总向一个方向摆动，推动水平齿杆22移动，在示力度盘20上便可读出试件承受的拉力或压力大小。
这种试验机的摆锤分A、B、C三种，对于100KN的试验机，对应的测力范围分别为0～20kN、0～50kN、0～100kN。
上夹头及杠杆系统的重量由平衡铊18来平衡。
实验开始前调整平衡铊使摆杆19保持垂直，示力指针21对准零点。
由于这种试验机的结构特点，零点不易变更，所以无须经常调整零点。
三、操作步骤和注意事项
1、根据要求准备好相应的试件夹头。
检查离合器、调速手轮和有关保险开关是否在正确位置上。
2、估算所需的最大载荷，选择测力度盘，配置相应的摆锤。
调节摆杆垂直，调整指针零点。
3、安装试样。
如果夹头距离不合适，就要开机调整活动台到合适位置，停机后再装夹试样。
对于拉伸试验，要把上下夹头鎖紧。
4、调整安装好绘图系统以及笔和纸等。
5、正式试验加载：
手动加载：
先把离合器手柄置于“手动”位置，再摇动手柄加载。
电动加载：
要将离合器手柄置于“慢速”位置，然后开动电动机1加载。
需要时可通过调速手轮8来变更加载速度。
6、实验完毕，立即停机。
取下试件，一切复原。
7、注意事项：
（1）为了使离合器的齿轮很好啮合，将离合器手柄向“手动”位置调节的同时，要转动手摇加载手柄。
（2）必须在加载电动机运转的条件下，转动调速手轮，才能实现电动加载调速。
（3）要使电动机改变运转方向，必须先停机，然后再换向。
（4）试验机运转时，操作者不得擅自离开，不得触动摆锤，有异常现象或发生任何故障，必须立即停机。
（5）小电动机13只能用于快速调节活动台的升降，严禁用于加载或卸载。
§2-3 电子万能材料试验机
电子万能材料试验机是采用各类传感器进行力和变形检测，通过微机控制的新型机械式试验机。
由于采用了传感技术、自动化检测和微机控制等先进的测控技术，它不仅可以完成拉伸、压缩、弯曲、剪切等常规试验，还能进行材料的断裂性能研究以及完成载荷或变形循环、恒加载速率、恒变形速率、蠕变、松弛和应变疲劳等一系列静、动态力学性能试验。
此外，它还具有测量精度高、加载控制简单、试验范围宽等特点，以及提供较好的人机交互界面，具备对整个试验过程进行预设和监控，直接提供试验分析结果和试验报告，试验数据和试验过程再现等优点。
现以Instron5882电子万能材料试验机（见图2-3）为例，简单介绍其构造原理和使用方法（见图2－4）。
该机采用全数字化控制，配备载荷传感器、电子引伸计、光电位移编码器等传感器，机械加载部分采用直流伺服控制系统控制预应力滚珠丝杠带动横梁移动。
一、工作原理
在测试系统接通电源后，微机按试验前设定的数值发出横梁移动指令，该指令通过伺服控制系统控制主机内部的伺服电机转动，经过皮带、齿轮等减速机构后驱动左、右丝杠转动，由活动横梁内与之啮合的螺母带动横梁上升或下降。
装上试样后，试验机可通过载荷、应变、位移传感器获得相应的信号，该信号放大后通过A/D进行数据采集和转换，并将数据传递给微机。
微机一方面对数据进行处理，以图形及数值形式在微机显示器上反映出来；另一方面将处理后的信号与初始设定值进行比较，调节横梁移动改变输出量，并将调整后的输出量传递给伺服控制系统，从而可达到恒速率、恒应变、恒应力等高要求的控制需要。
二、操作方法
由于Instron5882电子万能材料试验机采用了全数字化控制技术，因此，其工作过程均通过软件操作来实现。
下面结合常用的Merlin软件来介绍操作方法。
1、依次合上主机、控制器、计算机系统的电源，一般要求预热一会儿。
2、直接点击计算机桌面上的Merlin图标，打开软件，进入试验方法模式，如以前已编好了试验方法，可直接点击进入；如果没有，可点击最下方的Merlin，查找合适的试验法。
3、选定所要的试验方法后，输入相关的试验参数，如：
加载速率、试样尺寸、数据采集模式和所需试验结果等，最后存储方法。
4、安装试样，检查设备的上下限保护是否设置正确。
5、启动试验，并注意观察，若发生意外立即终止试验。
6、试验完成后，存储试验数据，根据需要提供试验分析结果或打印试验报告。
图2－3Instron5882电子万能材料试验机 图2－4电子式万能材料试验机结构简图
1-主机；2－滚珠丝杠；3－活动横梁；4－齿轮传动机构；
5－伺服电机；6－试件；7－光电位移编码器；
8－力传感器；9－电子引伸计；10－点动控制按钮
7、将主机的横梁回位，以免接着试验时，造成软件与主机连接不上。
8、实验完毕，关闭Merlin软件，关闭计算机系统，关闭控制器，关闭主机电源，最后切断总电源。
9、清洁主机，填写设备使用记录。
§2-4 扭转试验机
扭转试验机是专门用来对试样施加扭矩，测定扭矩大小的设备。
它的类型较多，结构形式也各有不同，但一般都是由加载和测力两个基本部分组成，现以NJ－100B型扭转试验机为例说明扭转试验机的结构及工作原理。
这种试验机是采用伺服直流电动机加载、杠杆电子自动平衡测力和可控硅无级调速控制加载速度，具有正反向加载、精度较高、速度宽广等优点。
其外形如图2-6所示，最大扭矩1000Nm，分四级度盘，分别是0～100Nm，0～200Nm，0～500Nm，0～1000Nm。
加载速度0～360/min和0～3600/min两档。
工作空间650mm。
一、加载系统
加载系统见图2-5所示，安装在试验机溜板上的加载机构由六个滚珠轴承支持在机座的导轨上，可以前后滑动。
加载时，打开电源开关，直流电动机13转动，通过减速齿轮箱的两级减速，带动活动夹头11转动，从而对安装在夹头11和夹头9之间的试件施加扭矩。
操作面板的放大图如图2-7所示。
面板上1为电源开关。
加载按钮8一组三个，可控制试验机的正反向加载和停机。
加载速度由速度范围开关2换档、用调速电位器9调节。
二、测力系统
测力机构为杠杆电子自动平衡系统，如图2-5所示。
当试件受扭后，扭矩由固定夹头9传递给测力系统。
电动机正向转动使杠杆18逆时针转动，通过A点将力传
图2－5扭转试验机测力系统示意图 图2－6扭转试验机
递给变支点杠杆16；
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