材料力学实验指导书.docx
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材料力学实验指导书
实验一金属材料的拉伸试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
（2）
实验二金属材料的压缩试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（5）
实验三纯弯梁的正应力试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（7）
实验四等强度梁试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（11）
实验五同心拉杆试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（16）
实验六弯扭组合变形试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（18）
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实验一金属材料的拉伸试验
一、实验目的
1．测定低碳钢的拉伸时的屈服极限s、强度极限b、延伸率和断面收缩率。
2．测定铸铁的拉伸强度极限b。
3．观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中所出现的各种变形现象，并根据断口情况分析材料的破坏原因。
二、实验设备和仪表
1.电子万能试验机或液压万能试验机
2.游标卡尺
三、试件
标准拉伸试件一般由工作部分、过渡部分和夹持部分三部分组成，如图1-1
所示。
图中工作部分的长度l0称为标距，lc称为平行长度。
为得到合理的实验结果，试样各部分有一定的加工要求，一般地，工作部分必须有一定的光滑度，以使之受均匀分布的轴向应力作用；过渡部分必须有适当的倒角以降低由于截面的变化而导致的应力集中；两端较粗的夹持部分应有适当的粗造度以便夹紧试件。
图1-1圆截面试件
考虑到试件尺寸和形状对材料塑性性质的影响，国标GB6397-86对试件的尺
寸和形状分别作了标准化规定：
对于圆形截面的试件，加工成
l0
10d0或
l05d0
；对于矩形截面试件，加工成
l011.3
A0
或
l05.56
A0
的标准试件或
比例试件。
此外，对于圆截面试件其平行长度加工尺寸
lc还应不小于l0
d0；矩
形截面试件的l不小于l0
0.5d0。
四、实验原理及方法
低碳钢属塑性材料，在拉伸实验过程中，其
P
l曲线如图1-2所示，大致
可分为四个阶段：
弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。
实验刚开始，由于试件和卡头之间存在空隙，因而曲线的开始阶段为一曲线
（图1-2OO段），这一阶段的曲线形状只与试件的装载情况有关，在数据处理
时一般将其剔除。
（1）弹性阶段随载荷缓慢增加，测力指针匀速移动，曲线呈现一段斜直
P
EA
线OA，直线的斜率反映了材料单位长度的抗拉性能（
l
l）该阶段的变形
与载荷呈线性关系。
弹性阶段过后，进入屈服阶段
BC，以初始瞬时效应之后
（）屈服阶段
2
测力指针无规则波动时所指向的最小载荷作为材料的屈服极限
Ps。
此阶段曲线呈
2/23
接近水平线的小锯齿形线段，表明载荷有小的波动但变形加快，材料进入塑性阶段。
此时，如果试件表面光洁度较高，还可看见45°方向的滑移线。
图1-2低碳钢拉伸曲线
（3）强化阶段屈服阶段BC过后，进入强化阶段CD。
此阶段材料因塑性变形使其内部的晶粒结构，恢复了对变形的抵抗能力，载荷又会有所上升，变形量也随之加大。
（4）颈缩阶段在载荷达到最大载荷Pb以前，变形在试件标距范围内基本
上是沿长度均匀变化的。
当载荷达到材料的极限载荷Pb时，试件的某一局部会发生显著变形，出现“颈缩”现象，主动针迅速倒退，试件被拉断。
材料的极限
载荷Pb可由从动针位置读出。
铸铁属脆性材料，拉伸时P-l曲线（图1-3）没有直线部分，变形小，无屈服和颈缩现象，试件很快达到最大载荷而突出断裂，其拉伸强度极限远小于低碳钢的强度极限。
断口平直、粗糙、且垂直于轴线。
图1-3铸铁拉伸曲线
五、实验步骤
1．打标距l0:
（1）低碳钢：
在试件中段取l0=5d0或10d0（d0为名义直径），
用冲子打两个标记。
（2）铸铁：
不打标距。
2．用游标卡尺在试件中和两端三个地方互相垂直的两个方向各测量一次，
以其各点平均走私的最小值计算初始横截面面积A0。
3．根据试件横截面面积和材料的大致强度极限，估算出实验所需的最大载
荷，选择相应的液压式试验机测力度盘和摆铊。
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4．安装试件。
先将试件安装在上夹头上，调节下夹头使之移动到合适位置，再把试件下端夹在下夹头中夹紧。
缓慢加载，观察测力指针转动的情况，以检查
试件是否已夹牢，如打滑应重新安装。
5．开动试验机使试件缓慢匀速加载，随时观察测力指针的移动情况及拉伸
过程中各种物理现象。
对于低碳钢试件，当测力指针不动或倒退时，说明材料开始屈服，记录初始瞬时效应之后指针各次摆动时的最低值，作为材料的屈服载荷
Ps。
再继续加载，直至试件断裂后停机，由被动针读出最大载荷Pb。
对铸铁试
件，拉断后记下最大载荷Pb。
6．试件拉断后，取下试件，观察断口。
将断裂试件的两端靠紧、对齐，用
游标卡尺测出低碳钢试件断裂后的标距长度l1及断口处的最小直径d1（一般从相互垂直方向测取两次，取平均值）。
7．实验完毕，仪器设备恢复原状，清理现场，并检查实验记录是否齐全，
请指导教师签字后离开。
六、实验结果处理
1．低碳钢拉伸：
（1）根据测得的屈服载荷Ps和极限载荷Pb计算材料相应的屈服极限和强度
极限：
s
Ps
b
Pb
A0
A0
式中A0为试件的初始横载面面积。
（2）根据拉伸前后试件的标距长度l0、l1和横截面面积A0、A1，计算出低碳钢的延伸率和截面收缩率：
l1
l0
100%
A0
A1
100%
l0
A0
Pb
b
2．铸铁拉伸：
根据测得的强度载荷Pb计算机铸铁的强度极限A0
3．按规定格式写出实验报告。
实验报告应书写工整，报告中各类曲线和简
图应用铅笔绘制，线条和图注清晰、简洁。
七、注意事项
1．试件安装要仔细，防止偏斜或夹入部分过短。
2．试件安装完毕后，不得再启动控制下夹头的按钮，以免使下夹头对试件
加载，损坏试件或电机。
八、思考题
1．由实验现象和结果比较低碳钢和铸铁的力学性能有何不同？
2．材料相同而标距不同的两种试件其s、b、、是否相同？
为什么？
3．低碳钢试件处于屈服阶段时，载荷为什么不能再增大？
4．试从不同的断口特征说明金属的两种基本破坏形式。
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实验二金属材料的压缩试验
一、实验目的
1．测定压缩时铸铁的强度极限b并与拉伸实验作比较。
2．观察铸铁在压缩过程中所出现的各种变形和破坏现象，分析其破坏原因。
二、实验设备和仪表
1．电子万能试验机或液压万
能试验机
2．游标卡尺
三、试件
国标GB7314-87推荐了四种
压缩试件；圆柱体、正方柱体、矩
形板和带凸耳板。
本实验采用图
2-1所示的圆柱体试样。
测定σs和σb时（即塑性材料），直径
d0与高度h0应满
足关系h0=2.5～3.5
d0；只测定σb时（即脆性材料），
图2-1
圆柱体压缩试件
d0的试样。
d0的大小为
～
。
述因素，国标
可使用h0～
GB7314-87
=12
10
20mm
规定，压缩试件采用l0
2.5~3.5d0的圆柱形试件（如图2-1）。
四、实验原理及方法
低碳钢是典型的塑性材料，其压缩时
的Pl曲线如图2－2所示。
在屈服阶段以后，试样横截面面积会不断增大，抗压能力不断提高，因而测不到压缩强度极限。
铸铁是典型的脆性材料，在压缩时并
无屈服阶段，其
P
l曲线如图－
所示，
23
当对试件加至极限载荷Pb时，试件在压缩
变形很小时就突然发生剪断破坏，断面与
试件轴线的夹角大约为45o～55o，这是由
图2-2低碳钢压缩曲线
于脆性材料的抗剪强度低于抗压强度。
此
时，测力主动针迅速回零，由从动针可读出
Pb值，于是即可确定铸铁的强度极
限。
一般地，铸铁受压与拉伸有明显的差别，压缩时P
l曲线上虽然没有屈服
阶段，但曲线明显变弯，断裂时有
明显的塑性变形，且压缩强度极限
远远大于拉伸时的强度极限。
由于试件承受压缩时，上下两
端面与压头之间有很大的摩擦力，
使试件两端的横向变形受到阻碍，
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故压缩后试件呈鼓形，且导致测得的抗压强度比实际的偏高，试件越短，这种影响越明显。
但如果试件过长，又容易产生失稳现象，因此抗压能力与试件尺寸
l0/d0有关。
由此可见，压缩试验是有条件性的，在相同条件下，才能对不同材
图2-3铸铁压缩曲线料的性能进行比较。
实验时，在试件两端面涂以润滑剂，以减少摩擦力的影响。
当试件两端面稍有不平行时，利用试验机上球形垫板自动调节，保证压力通过试件的轴线。
五、实验步骤
1．用游标卡尺在试件中点和两端三个地方互相垂直的两个方向各测量一次，
以其各点平均直径的最小值计算初始横截面面积A0，再测量试件高度h0。
2．根据估计的最大载荷选择试验机量程。
3．把压缩试件放置于试验机的两个承压垫板之间，并对准轴线进行安装。
4．开动试验机，当试件与上支撑垫接近时，应减慢活动台上升的速度，以免突然加载。
试件受力后，要控制加载速度，使载荷缓慢匀速增加。
加载至试件
断裂后卸载，记录极限载荷Pb。
5．实验完毕，仪器设备恢复原状，清理现场，检查实验记录是否齐全，并请指导教师签字后离开。
六、实验结果处理
1．根据实验记录，铸铁的压缩实验的强度极限b可由下式得到：
b
Pb
A0
式中A0为试件的初始横载面面积。
2．画出试件的破坏形状图，并分析其破坏原因。
3．按规定格式写出实验报告。
实验报告应书写工整，报告中各类曲线和简
图应用铅笔绘制，线条和图注清晰、简洁。
4．实验后，试件上若有冶金缺陷（如分层、汽泡、夹渣及缩孔等），应在实
验记录及报告中注明。
七、注意事项
1.压缩实验时必须加用垫块。
2．压缩过程中，不要靠近试件观看，以防试件破坏时碎屑飞出伤人。
试件
破坏后，应及时卸载，以免压碎。
八、思考题
1.为什么铸铁试件沿着与轴线越成45o～55o的倾斜面破坏？
2.铸铁压缩时应力—应变曲线和拉伸时有何不同？
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实验三纯弯梁的正应力试验
一、实验目的：
1、测定梁在纯弯曲时某一截面上的应力及其分布情况。
2、观察梁在纯弯曲情况下所表现的虎克定律，从而判断平面假设的正确性。
3、实验结果与理论值比较,验证弯曲正应力公式σ=My/Iz的正确性
4、。
测定泊松比μ。
二、实验梁的安装示意图
1.纯弯梁的正应力的分布规律实
验装置
其装置如图3-1所示。
2.纯弯梁的安装与调整：
在如图3-1所示位置处，将9.拉
压力传感器安装在8.蜗杆升降机构上
拧紧，将2.支座（两个）放于如图所示
的位置,并对于加力中心成对称放置,
将纯弯梁置于支座上,也称对称放置,
图3-1纯弯梁实验安装图
将4.加力杆接头（两对）与6.加力杆
（两个）连接,分别用3.销子悬挂在纯
弯梁上,再用销子把11.加载下梁固定
于图上所示位置,调整加力杆的位置
两杆都成铅垂状态并关于加力中心对
称。
摇动7.手轮使传感器升到适当位置，将10.压头放如图中所示位置,压头的
尖端顶住加载下梁中部的凹槽,适当摇动手轮使传感器端部与压头稍稍接触。
检
查加载机构是否关于加载中心对称,如不对称应反复调整。
3.纯弯梁的贴片：
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5＃、4＃分别位于梁水平上、下平面的纵向轴对称中心线上，1＃片位于梁的中性层上,2＃、3＃片分别位于距中性层和梁的上下边缘相等的纵向轴线上,6＃片与5＃片垂直，如图3-2所示
图3-2纯弯梁贴片图
三、实验原理
图3-3为试样受力图为了测量应变随试样截面
高度的分布规律，应变片的粘贴
位置如图3.2所示。
这样可以测
图3-3纯弯梁受力图
量试件上下边缘、中性层及其他
中间点的应变，便于了解应变沿
截面高度变化的规律。
表3-1原始参数表
材
弹模
几何参数
应变片参数
应变仪灵敏
灵敏系数
电阻值
料
（GPa）
（
）
（
）
（
系数K仪
）
b
cm
h
cm
acm
（Ω）
K片
碳钢
210
2.0
4.0
10.0
2.00
120
2.0
由材料力学可知，矩形截面梁受纯弯时的正应力公式为
M
y
式中：
M为弯矩；
理
y为中性轴至欲求应力点的距离；
Iz
bh3
）
Iz（
12
为横截面对z轴的惯性矩。
本实验采用逐级等量加载的方法，每次增加等量的载荷⊿
P，测定各点相应
的应变增量一次，即：
初载荷为零，最大载荷为4kN，等量增加的载荷⊿P为500N。
分别取应变增量的平均值（修正后的值）实，求出各点应力增量的平均值实。
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实E
理
My
实
Iz
把测量得到的应力增量实与理论公式计算出的应力增量理加以
比较，从而可验证公式的正确性，上述理论公式中的M按下式求出：
E
P横
M1Pa
纵A纵
2
材料力学中还假设梁的纯弯曲段是单向应力状态，为此在梁上（或下）表面横向粘贴6＃应变片，可测出ε，可由（ε横/ε纵）计算得到μ，从而验证梁弯曲时近似于单向应力状态。
四、实验步骤
1.确认纯弯梁截面宽度b=20mm,高度h=40mm,载荷作用点到梁两侧支点距离c=100mm。
2.将传感器连接到BZ2208-A测力部分的信号输入端，将梁上应变片的公共线接至应变仪任意通道的A端子上，其它接至相应序号通道的B端子上，公共补偿片接在公共补偿端子上。
检查并纪录各测点的顺序。
3.打开仪器，设置仪器的参数，测力仪的量程和灵敏度设为传感器量程、灵
敏度。
4.本实验取初始载荷P0=0.5KN（500N），Pmax=2.5KN（2500N），
P=0.5KN（500N），以后每增加载荷500N，记录应变读数εi，共加载五级，然后
卸载。
再重复测量，共测三次。
取数值较好的一组，记录到数据列表中。
5.实验完毕，卸载。
实验台和仪器恢复原状。
五、实验结果
（1）求出各测量点在等量载荷作用下，应变增量的平均值
测。
（2）以各测点位置为纵坐标，以修正后的应变增量平均值
实
为横坐标，
画出应变随试件截面高度变化曲线。
（3）根据各测点应变增量的平均值
实，计算测量的应力值
实
E
实。
（4）根据实验装置的受力图和截面尺寸，先计算横截面对
z轴的惯性矩Iz，
再应用弯曲应力的理论公式，计算在等增量载荷作用下，各测点的理论应力增量
M
y
理
值
IZ
。
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（7）比较各测点应力的理论值和实验值，并按下式计算相对误差
e
理实
理
100%
在梁的中性层内，因理0,理0，故只需计算绝对误差。
（8）比较梁中性层的应力。
由于电阻应变片是测量一个区域内的平均应变，粘贴时又不可能正好贴在中性层上，所以只要实测的应变值是一很小的数值，就可认为测试是可靠的。
六、实验记录表格
表3-2测点位置
测点编号
1
2
3
4
5
测点至中性层的距离
y（mm）
表3-3
实验记录
载荷
应变仪读数ε[单位：
μ（10-6）]
泊松比
P（N）ε1
△ε1ε2
△ε2
ε3△ε3
ε4△ε4
ε5
△ε5ε6
△ε6μ=ε6/ε5
-500
—
—
—
—
—
—
-1000
-1500
-2000
-2500
—
—
—
—
—
—
实
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表3-4
实验结果
测点编号
1
2
3
4
5
应变修正值
实
应力实验值
实（
E
实）
My
应力理论值
理（
Iz）
理
实100%
误差
e
理
）
（
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实验四等强度梁试验
一、实验目的：
1、学习应用应变片组桥，检测应力的方法
2、验证变截面等强度实验
3、掌握用等强度梁标定灵敏度的方法
4、学习静态电阻应变仪的使用方法
二、实验梁的安装示意图
图4—1等强度梁安装图
1.等强度梁的正应力的分布规律实验装置其装置如图4-1所示。
2.等强度梁的安装与调整：
在如图4-1所示位置处，将6.拉压力传感器安装在5.蜗杆升降机构上拧紧，
顶部装上7.压头。
摇动4.手轮使之降到适当位置，以便不妨碍等强度梁的安装。
将等强度梁如图放置，调整梁的位置使其端部与2.紧固盖板对齐，转动手轮使
6.压头与梁的接触点落在实验梁的对称中心线上。
调整完毕，将1.紧固螺钉（共四个）用扳手全部拧紧。
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3.等强度梁的贴片：
等强度梁实物如图4-2
图2—2等强度梁实物
图4—2等强度梁贴片图
1＃、2＃、3＃片分别位于梁水平上平面的纵向轴对称中心线上，1＃、3＃
片关于2＃片成左右对称分布，如图4-2所示
三、实验原理
1电阻应变测量原理
电阻应变测试方法是用电阻应变片测定构件的表面应变，再根据应变—应力关系（即电阻-应变效应）确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。
这种方法是以粘贴在被测构件表面上的电阻应变片作为传感元件，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，利用电阻应变仪将此电阻值的变化测定出来，并换算成应变值或输出与此应变值成正比的电压（或电流）信号，由记录仪记录下来，就可得到所测定的应变或应力。
2电阻应变片
电阻应变片一般由敏感
栅、引线、基底、覆盖层和粘
结剂组成，图4-3所示为其构
造简图。
3测量电路原理
通过在试件上粘贴电阻
应变片，可以将试件的应变转图4—3电阻应变片基本构造示意图
换为应变片的电阻变化，但是通常这种电阻变化是很小的。
为了便于测量，需将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）信号，再通过电子放大器将信号放大，
然后由指示仪或记录仪指示出应变值。
这一任务是由电阻应变仪来完成的。
而电
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阻应变仪中电桥的作用是将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）信号。
电桥
根据其供电电源的类型可分为直流电桥和交流电桥，下面以直流电桥为例来说明
其电路原理。
3．1电桥的平衡
直流电桥如图4-4所示，电桥各臂R1、R2、R3、R4可以全部是应变片（全桥
式接法），也可以部分是应变片，其余为
固定电阻，如当R1、R2为应变片，R3、R4
接精密无感固定电阻时，称为半桥式接
法。
桥路AC端的供桥电压为E，则在桥
路BD端的输出电压为：
R1
R4
E
R1R3R2R4
E
U
R3R4
（R1R2）（R3R4）
R1R2
由上式可知，当桥臂电阻满足:
图4—4
测量电桥
R1R3=R2R4时，电桥输出电压
U=0，称为电
桥平衡。
3．2电桥输出电压
设起始处于平衡状态的电桥各桥臂（应变片）的电阻值都发生了变化，即
R1R1R1,R2R2R2,R3R3R3,R4R4R4
此时电桥输出电压的变化量为：
U
R1
U
U
U
R4
U
R2
R3
R4
R1
R2
R3
可进一步整理为
R1R2
R1
R2
R3R4
R3
R4
E
U
2
R1
R2
R3R4
2
R3
R4
R1R2
对以下常用的测量电路，该输出电压的变化可作进一步简化：
a）全等臂电桥
14/23
UE（R1R2R3R4）
4R1R2R3R4
在上述电桥中，各桥臂上的应变片的起始电阻值全相等，灵敏系数K也相
同，于是，以RnRnK（n）代入上式，得
KE
U
（
（1）
（2）
（3）
（4））
4
b）半等臂电桥
当R1、R2为起始电阻值和灵敏系数K都相同的应变片，R3、R4接精密无感固
定电阻，此时
U
E（
R1
R2）
KE（
（1）
（2））
4
R1
R2
4
c）1/4电桥
当R1、R2起始电阻值相同，R1为灵敏系数K的应变片，R2、R3、R4接精密无感固定电阻，此时
E
R1
1
U
R1
KE
1
4
4
3．3电桥电路的基本特性
a）在一定的应变范围内，电桥的输出电压
U
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