材料力学实验教案.docx
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材料力学实验教案
材料力学实验教案
实验一 低碳钢的拉伸实验
一、实验名称
低碳钢的拉伸实验。
二、实验目的
1．测定低碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、伸长率δ和断面收缩率Ψ；
2．观察低碳钢拉伸过程中的弹性变形、屈服、强化和缩颈等物理现象；
3.熟悉材料试验机和游标卡尺的使用。
三、实验设备
1．手动数显材料试验机
2．MaxTC220试验机测试仪
3．游标卡尺
四、试样制备
低碳钢试样如图所示，直径d=10mm，测量并记录试样的原始标距L0。
五、实验原理
1.材料达到屈服时，应力基本不变而应变增加，材料暂时失去了抵抗变形的能力，此时的应力即为屈服极限σs。
2.材料在拉断前所能承受的最大应力，即为强度极限σb。
3.试样的原始标距为L0，拉断后将两段试样紧密对接在一起。
量出拉断后的长度L1，伸长率为拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，即
4.拉断后，断面处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比为断面收缩率，即
式中A0—试样原始横截面积；A1—试样拉断后断口处最小横截面积。
六、实验步骤
1．调零。
打开力仪开关，待示力仪自检停后，按清零按钮，使显示屏上的按钮显示为零。
2．加载。
用手握住手柄，顺时针转动施力使动轴通过传动装置带动千斤顶的丝杠上升，使试样受力，直至断裂。
3．示力。
在试样受力的同时，装在螺旋千斤顶和顶梁之间的压力传感器受压产生压力信号，通过回蕊电缆传给电子示力仪，电子示力仪的显示屏上即用数字显示出力值。
4．关机。
实验完毕，卸下试样，操作定载升降装置使移动挂梁降到最低时关闭力仪开关，断开电源。
七、数据处理
1.记录相关数据
参数
原始直径
断口直径
原始标距
拉断后标距
长度（mm）
do=10mm
d1=
Lo=
L1=
2.计算伸长率δ和断面收缩率Ψ
3.在应力应变图中标出屈服极限σs和强度极限σb
八、应力应变图分析
低碳钢的拉伸过程分为四个阶段，分别为弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段。
1.弹性变形阶段：
在拉伸的初始阶段，应力和应变的关系为直线，此阶段符合胡克定律，即应力和应变成正比；
2.屈服阶段：
超过弹性极限后，应力增加到某一数值时，应力应变曲线上出现接近水平线的小锯齿形线段，此时，应力基本保持不变，而应变显著增加，材料失去了抵抗变形的能力，锯齿线段对应的应力为屈服极限；
3.强化阶段：
经屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形，必须增加拉力，强化阶段中最高点对应的应力为材料所能承受的最大应力，即强度极限；
4.缩颈阶段：
当应力增大到最大值之后，试样某一局部出现显著收缩，产生缩颈，此后使试样继续伸长所需要的拉力减小，最终试样在缩颈处断裂。
九、实验作业
1．说明测定屈服极限σs、强度极限σb、伸长率δ和断面收缩率Ψ的实验原理及拉伸实验的实验步骤；
2.根据实验过程中记录的数据，计算材料的伸长率δ和断面收缩率Ψ；
3.在应力应变图中标出屈服极限σs和强度极限σb；
4.对应力应变图进行分析。
实验二 测定材料弹性模量E
一、实验名称
测定材料的弹性模量。
二、实验目的
1．掌握测定Q235钢弹性模量E的实验方法；
2．熟悉CEG-4K型测E试验台及其配套设备的使用方法。
三、实验设备及仪器
1．CEG-4K型测E试验台
2．球铰式引伸仪
四、主要技术指标
1.试样：
Q235钢，如图所示，直径d=10mm，标距L=100mm。
2.载荷增重ΔF=1000N（砝码四级加载，每个砝码重25N，初载砝码一个，重16N，采用1：
40杠杆比放大）
五、实验原理
实验时，从F0到F4逐级加载，载荷的每级增量为1000N。
每次加载时，记录相应的长度变化量，即为ΔF引起的变形量。
在逐级加载中，如果变形量ΔL基本相等，则表明ΔF与ΔL为线性关系，符合胡克定律。
完成一次加载过程，将得到ΔL的一组数据，实验结束后，求ΔL1到ΔL4的平均值ΔL平，代入胡克定律计算弹性模量。
即
备注：
引伸仪每格代表0.001mm。
六、实验步骤及注意事项
1．调节吊杆螺母，使杠杆尾部上翘一些，使之与满载时关于水平位置大致对称。
2．把引伸仪装夹到试样上，必须使引伸仪不打滑。
注意：
对于容易打滑的引伸仪，要在试样被夹处用粗纱布沿圆周方向打磨一下。
引伸仪为精密仪器，装夹时要特别小心，以免使其受损。
采用球铰式引伸仪时，引伸仪的架体平面与试验台的架体平面需成45°左右的角度。
3．挂上砝码托。
4．加上初载砝码，记下引伸仪的初读数。
5．分四次加等重砝码，每加一次记录一次引伸仪的读数。
注意：
加砝码时要缓慢放手，以使之为静载，防止砝码失落而砸伤人、物。
6．实验完毕，先卸下砝码，再卸下引伸仪。
七、数据记录及计算
1.原始数据记录
分级加载
初载
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
引伸仪读数
L0=
L1=
L2=
L3=
L4=
2.计算
（1）各级形变量的计算
分级加载
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
平均值
形变量
ΔL1=
ΔL2=
ΔL3=
ΔL4=
ΔL平=
（2）材料面积的计算
（3）弹性模量的计算（弹性模量单位MPa）
八、实验作业
1．说明测定弹性模量E的实验原理、步骤及注意事项；
2．根据实验过程中记录的原始数据，计算材料的弹性模量E。
实验三 低碳钢和铸铁的扭转实验
一、实验名称
低碳钢和铸铁的扭转实验。
二、实验目的
1．测定低碳钢的剪切屈服极限
及剪切强度极限
；
2．测定铸铁的剪切强度极限
；
3．观察比较两种材料扭转变形过程中的各种现象及其破坏形式，并对试件断口进行分析。
三、实验设备及仪器
1．扭转试验机
2．游标卡尺
四、试样制备
低碳钢和铸铁试样如图所示，直径d=10mm，分别测量并记录试样的原始标距L0。
五、实验原理
扭转实验是将材料制成一定形状和尺寸的标准试样，置于扭转试验机上进行的，利用扭转试验机上面的自动绘图装置可绘出扭转曲线，并能测出金属材料抵抗扭转时的屈服扭矩
和最大扭矩
。
通过计算可求出屈服极限
及剪切强度极限
。
其中：
六、实验步骤
1．测量试件标距；
2．选择试验机的加载范围，弄清所用测力刻度盘；
3．安装试样，调整测力指针；
4．实验测试。
开机缓慢加载，注意观察试件、测力指针和记录图，记录主要数据，在低碳钢扭转时，有屈服现象，记录测力盘指针摆动的最小扭矩为屈服扭矩Ts，直至实验结束记录最大扭矩Tb；
5．铸铁在扭转时无屈服现象，直至实验结束记录最大扭矩Tb；
6．关机取下试件，将机器恢复原位。
七、数据记录及处理
1.原始数据记录
材料
直径d0（mm）
标距L0（mm）
屈服扭矩Ts（Nm）
最大扭矩Tb（Nm）
低碳钢
10
铸铁
10
——————
2.计算
（1）抗扭截面系数Wt的计算（单位mm3）
（2）低碳钢的屈服极限
及剪切强度极限
的计算（单位MPa）
（3）铸铁剪切强度极限
的计算（单位MPa）
八、绘制断口示意图并分析破坏原因
（a）低碳钢断口示意图（b）铸铁断口示意图
破坏原因分析：
低碳钢材料的抗剪能力低于抗拉（压）能力，低碳钢扭转时沿最大切应力的作用面发生断裂，为切应力作用而剪断，因此，其破坏断面与曲线垂直，见图（a）所示；铸铁材料的抗拉强度较低，铸铁扭转时沿最大拉应力的作用面发生断裂，由应力状态可知，纯剪切最大拉应力作用的主平面与X轴夹角为45°，因此，铸铁圆形试件破坏断面与轴线成45°螺旋面，如图（b）所示。
九、实验作业
1．说明测定低碳钢剪切屈服极限
、剪切强度极限
及铸铁剪切强度极限
的实验原理及步骤；
2．根据实验过程中记录的原始数据，计算低碳钢的剪切屈服极限
、剪切强度极限
及铸铁的剪切强度极限
；
3．绘制低碳钢和铸铁的断口示意图，并分析其破坏原因。
实验四 矩形截面梁纯弯曲正应力的电测实验
一、实验名称
矩形截面梁纯弯曲正应力的电测实验
二、实验目的
1．学习使用电阻应变仪，初步掌握电测方法；
2．测定矩形截面梁纯弯曲时的正应力分布规律，并与理论公式计算结果进行比较，验证弯曲正应力计算公式的正确性。
三、实验设备
1．WSG－80型纯弯曲正应力试验台
2．静态电阻应变仪
四、主要技术指标
1．矩形截面梁试样
图1试样受力情况
材料：
20号钢，E=208×109Pa；
跨度：
L=600mm，a=200mm，L1=200mm；
横截面尺寸：
高度h=28mm，宽度b=10mm。
2．载荷增量
载荷增量ΔF=200N（砝码四级加载，每个砝码重10N采用1：
20杠杆比放大），砝码托作为初载荷，F0=26N。
3．精度
满足教学实验要求，误差一般在5%左右。
五、实验原理
如图1所示，CD段为纯弯曲段，其弯矩为
，则
，
。
根据弯曲理论，梁横截面上各点的正应力增量为：
（1）
式中：
y为点到中性轴的距离；Iz为横截面对中性轴z的惯性矩，对于矩形截面
（2）
由于CD段是纯弯曲的，纵向各纤维间不挤压，只产生伸长或缩短，所以各点均为单向应力状态。
只要测出各点沿纵向的应变增量
，即可按胡克定律计算出实际的正应力增量
。
（3）
在CD段任取一截面，沿不同高度贴五片应变片。
1片、5片距中性轴z的距离为h/2，2片、4片距中性轴z的距离为h/4，3片就贴在中性轴的位置上。
测出各点的应变后，即可按（3）式计算出实际的正应力增量
，并画出正应力
沿截面高度的分布规律图，从而可与
（1）式计算出的正应力理论值
进行比较。
六、实验步骤及注意事项
1．开电源，使应变仪预热。
2．在CD段的大致中间截面处贴五片应变片与轴线平行，各片相距h/4，作为工作片；另在一块与试样相同的材料上贴一片补偿片，放到试样被测截面附近。
应变片要采用窄而长的较好，贴片时可把试样取下，贴好片，焊好固定导线，再小心装上。
3．调动蝶形螺母，使杠杆尾端翘起一些。
4．把工作片和补偿片用导线接到预调平衡箱的相应接线柱上，将预调平衡箱与应变仪联接，接通电源，调平应变仪。
5．先挂砝码托，再分四次加砝码，记下每次应变仪测出的各点读数。
注意加砝码时要缓慢放手。
6．取四次测量的平均增量值作为测量的平均应变，代入（3）式计算可得各点的弯曲正应力，并画出测量的正应力分布图。
7．加载过程中，要注意检查各传力零件是否受到卡、别等，受卡、别等应卸载调整。
8．实验完毕将载荷卸为零，工具复原，经指导老师检查方可关闭应变仪电源。
七、数据处理
1．计算弯曲梁截面各点处的理论正应力增量
（1）记录测点的位置
测点编号
1
2
3
4
5
测点至中性轴的距离y（mm）
14
7
0
7
14
（2）计算矩形横截面对中性轴z的惯性矩Iz
（3）根据公式直接计算各点的理论正应力增量
测点编号
1
2
3
4
5
理论正应力增量（MPa）
2．计算弯曲梁截面各点处的实际正应力增量
（1）各测点原始数据记录
测点
初载
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
1应变仪读数
ε0=
ε1=
ε2=
ε3=
ε4=
2应变仪读数
ε0=
ε1=
ε2=
ε3=
ε4=
3应变仪读数
ε0=
ε1=
ε2=
ε3=
ε4=
4应变仪读数
ε0=
ε1=
ε2=
ε3=
ε4=
5应变仪读数
ε0=
ε1=
ε2=
ε3=
ε4=
（2）各测点应变增量的计算
测点
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
平均值
1应变增量
Δε1=
Δε2=
Δε3=
Δε4=
Δε平=
2应变增量
Δε1=
Δε2=
Δε3=
Δε4=
Δε平=
3应变增量
Δε1=
Δε2=
Δε3=
Δε4=
Δε平=
4应变增量
Δε1=
Δε2=
Δε3=
Δε4=
Δε平=
5应变增量
Δε1=
Δε2=
Δε3=
Δε4=
Δε平=
（3）各测点实际正应力增量的计算
测点编号
1
2
3
4
5
实际正应力增量（MPa）
3．计算各测点理论与实际正应力的误差e
测点编号
1
2
3
4
5
误差e
八、实验作业
1．说明矩形梁纯弯曲正应力电测实验的原理、实验步骤及注意事项等；
2．分别计算各测点的理论和实际弯曲正应力增量，验证弯曲正应力公式的正确性；
3．绘制弯曲正应力沿截面高度的分布规律图。
实验五 测定材料切变模量G
一、实验名称
测定材料切变模量G。
二、实验目的
1．掌握测定Q235钢切变模量G的实验方法；
2．熟悉NY-4型扭转测G仪的使用方法。
三、实验设备及仪器
1．NY-4型扭转测G仪
2．百分表
3．游标卡尺
四、主要技术指标
1.试样：
直径d=10mm，标距L0=60-100mm（可调），材料Q235钢。
2．力臂：
长度a=200mm，产生最大扭矩T=4Nm。
3．百分表：
触点离试样轴线距离b=100mm，放大倍数K=100格/mm，用百分表测定扭转的位移。
4.砝码：
4块，每块重5N，砝码托作初载荷，T0=0.26Nm，扭矩增量ΔT=1Nm。
5．精度：
误差不超过5%。
五、实验原理
实验时，从F0到F4逐级加载，扭矩的每级增量为1Nm。
每次加载时，相应的扭转角变化量即为ΔT引起的变形量。
在逐级加载中，如果变形量Δφ基本相等，则表明Δφ与ΔT为线性关系，符合剪切胡克定律。
完成一次加载过程，可计算得到Δφ的一组数据，实验结束后，求Δφ1到Δφ4的平均值Δφ平，代入剪切胡克定律计算弹性模量。
即
六、实验步骤及注意事项
1．桌面目视基本水平，把仪器放在桌上（先不加砝码托及砝码）。
2．调整两悬臂杆的位置，大致达到选定标距，固定左旋臂杆，再固定右旋臂杆，调整右横杆，使百分表触头距试样轴线距离b=100mm，并使表针预先转过十格以上（b值也可不调，按实际测值计算）。
3．用游标卡尺准确测量标距，作为实际计算用。
4．挂上砝码托，记下百分表的初读数。
5．分四次加砝码，每加一次记录一次表的读数，加砝码时要缓慢放手。
6．实验完毕，卸下砝码。
七、数据记录及计算
1.原始数据记录
试样标距为L0=mm。
分级加载
初载
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
百分表读数
S0=
S1=
S2=
S3=
S4=
2.计算
（1）扭转位移的计算
分级加载
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
平均值
形变量
ΔS1=
ΔS2=
ΔS3=
ΔS4=
ΔS平=
（2）扭转角增量的计算
其中：
K为百分表的放大倍数（K=100格/mm）；
b为百分表触头距轴线的距离（b=100mm）。
（3）横截面对圆心极惯性矩Ip的计算
（3）切变模量的计算（单位MPa）
八、实验作业
1．说明测定切变模量G的实验原理、步骤及注意事项；
2．根据实验过程中记录的原始数据，计算材料的切变模量G。
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