材料力學試驗目錄
閱讀：520發布時間：2022-2-27
材料力學實驗目錄
**部分 基本實驗
一、 材料的基本力學性能實驗
實驗一 材料在軸向拉伸、壓縮、扭轉時的力學性能
二、 材料彈性常數的測定
實驗二 工程材料彈性常數E、μ的測定
實驗三 鋼材切變模量G的測定
三、 梁應力與變形實驗
實驗四 直梁彎曲實驗
實驗五 梁變形實驗
四、 組合變形實驗
實驗六 偏心拉伸實驗
實驗七 彎扭組合實驗
**部分 演示實驗
實驗八 薄壁圓筒壓縮失穩演示實驗
實驗九 光彈性演示實驗
實驗十 疲勞演示實驗
實驗十一 主動控制阻尼減緩演示實驗
第三部分 綜合實驗
實驗十二 薄壁復合梁實驗 1
**部分 基本實驗
實驗一 材料在軸向拉伸、壓縮、扭轉時的力學性能
一、實驗要求
1. 測定低碳鋼在拉伸時的屈服極限、強度極限、延伸率和斷面收縮率；
2. 觀察低碳鋼和鑄鐵在拉伸時的各種現象；
3. 觀察低碳鋼和鑄鐵在壓縮時的各種現象；
4. 觀察低碳鋼和鑄鐵在扭轉時的各種現象;
5. 觀察試件的斷口特征，分析其破壞原因，建立強度概念。
二、實驗儀器和設備
1. 微機控制電子試驗機；
2. 劃線機；
3. 引伸儀；
4. 游標卡尺。
三、實驗課安排
1、讓學生做出低碳鋼標準試件的拉伸應力——應變曲線，以加深對塑性材料在拉伸時四個階段力學性能特點的認識；
2、教師采用現場演示、講解與學生觀察、討論相結合的講授方法，使學生了解不同類型材料在拉伸、壓縮、扭轉時的不同力學性能；
3、集中分析斷口特點，使學生認識其破壞原因，從而建立強度概念。
2
實驗二 工程材料彈性常數的測定 ——電測法測鋼材彈性模量E和泊松比μ
——引伸儀測鋁材彈性模量E
一、實驗目的
1.電測法測量鋼材彈性模量E和泊松比μ；
2.用引伸儀測鋁材彈性模量E；
2.驗證單向拉伸虎克定律；
3.學習電測法的基本原理。
二、實驗儀器和設備
1. 微機控制電子試驗機
2. 電阻應變儀
3. 引伸儀
4. 游標卡尺
三、試件
中碳鋼矩形截面試件，材料的屈服極限360MPa。
矩形截面鋁試件，材料的屈服極限280MPa。
試件
實驗裝置
四、實驗原理和方法
電測法測定鋼材彈性常數E、μ, 一般采用比例極限內的拉伸試驗。材料在比例極限內服從虎克定律，其關系式為：
0APEii?ΔΔ=ε =μεε′
用引伸儀測鋁材的彈性常數E，要求**地測量試件標距內的變形。其關系式為： AllPE?Δ?= 3
五、思考題
1. 如果試件上的應變片位置及角度貼得不準，對試驗結果有無影響？
2. 電測法測彈性模量E，提出*佳布片方案？
3. 本實驗的數據處理方法有什么優缺點？有無其他處理方法？
4
實驗三 鋼材切變模量的測定
一． 實驗目的
1．測定鋼材的切變模量G；
二． 實驗設備和器材
1．微機控制電子試驗機；
2．扭角儀；
3．電阻應變儀；
4．百分表,游標卡尺。
三． 試件
中碳鋼圓軸試件，直徑d = 40mm, σs= 360MPa
四． 實驗方法
1．扭角儀測切變模量G
測量扭轉角的裝置如圖所示
實驗原理 G =pITLΦ
實驗扭轉角為：φ = bδ
δ——百分表桿移動距離
b——百分表桿觸點至試件軸的距離
2.電測法測切變模量G
實驗原理 G =0452εpWT?
通過電測法可測出450方向的正應變045ε
實驗貼片:在試件表面貼直角電阻應變花（如下圖）。
－45°
＋45°
測量方法：四分之一橋；二分之一橋；全橋。 5
實驗四 直梁彎曲實驗
一. 實驗目的：
1. 用電測法測定純彎梁橫截面上的正應變分布，并與理論計算結果進行比較。
2. 驗證純彎理論的兩個假設；
3. 學習電測法的多點測量。
二. 實驗設備：
1. 微機控制電子試驗機；
2. 電阻應變儀。
三． 實驗試件：
本實驗所用試件為中碳鋼矩形截面梁，其橫截面設計尺寸為h×b
=(50×30)mm2 ( 圖1 ), 材料的屈服極限σs= 360MPa, 彈性模量E=210GPa。
圖1 實驗裝置圖
四.實驗原理：
梁受純彎曲時（見圖1），根據平面假設和單向受力假設，其橫截面上的正應力為線性分布，距中性層為 y 處的正應力和正應變分別為：
ZIyMy?=)(σ ZIEyMy??=)(ε 6
實驗采用電測法，在梁純彎曲段某一橫截面A—B的不同高度（梁的頂面、底面、中性層及距中性層±15mm）處粘貼縱向電阻應變片（見圖1），并在梁的上下表面處粘貼橫向應變片。
實驗加載方案采用增量法，分別測得上述各點在載荷增量△P作用下的應變增量Δεi 。
五.思考題：
1.本次實驗采用的夾具有何要求？
2.按擬定好的加載方案，如何用互補半橋接線法測定*大彎曲正應變？
3.在試件A-B截面的上表面和下表面（圖1），沿縱軸方向分別再貼上R1’和R5’兩個應變片，按擬定好的加載方案，如何用全橋接線法測*大彎曲正應變？
4．如果已有兩個溫度補償片，在僅有R1和R1’或僅有R5和R5’兩個應變片的情況下，如何用全橋接線法組成對橋測量電路？請畫出接線圖。
5．安裝試件時應當注意什么問題？
7
實驗五 梁變形實驗
（1）簡支梁實驗
（2）懸臂梁實驗
（1）簡支梁實驗
一、 實驗目的：
1、簡支梁在跨度中點承受集中載荷P，測定梁*大撓度和支點處轉角，并與理論值比較；
2、驗證位移互等定理；
3、測定簡支梁跨度中點受載時的撓曲線（測量數據點不少于7個）。
P
fmax
θ
二、 實驗設備：
1、簡支梁及支座；
2、百分表和磁性表座；
3、砝碼、砝碼盤和掛鉤；
4、游標卡尺和鋼卷尺。
三、 試件及實驗裝置：
中碳鋼矩形截面梁，=sσ360MPa，E=210GPa。
實驗裝置圖 8
四、 實驗原理：
1、簡支梁在跨度中點承受集中載荷P時，跨度中點處的撓度*大；
2、梁小變形時，簡支梁某點處的轉角)(θθtg≈；
3、驗證位移互等定理部分請參照理論課教材的相關內容，自行確定實驗方案；
五、 思考題：
1、簡支梁非支點處的轉角是否可以通過本實驗測出？為什么？
2、驗證位移互等定理時，是否可在梁上任選兩點進行測量？
3、在測定梁撓曲線時，如果要求百分表不能移動，能否測出撓度曲線？怎樣測？
9
（2） 懸臂梁實驗
一. 實驗目的：
利用貼有應變片的懸臂梁裝置，確定黑色砝碼的質量m。
二.實驗設備：
1.懸臂梁支座；
2.電阻應變儀；
3.白色砝碼兩個，黑色砝碼一個，砝碼盤和掛鉤。
4.游標卡尺和鋼卷尺。
三.實驗試件及裝置：
中碳鋼矩形截面梁，屈服極限бs=360MPa,彈性模量E=210GPa。
RB
RA
mg
圖（1）實驗裝置示意圖
四.實驗原理：
在某一橫截面的上下表面A點和B點分別沿縱向粘貼電阻應變片。
加載方案采用重復加載，要求重復加載次數n≥4。ΔP = mg 。
由梁的彎曲正應力公式導出黑色砝碼重量mg的計算公式
lWEmgz?Δ?=ε
五.思考題：
1.如果要求只用梁的A點或B點上的電阻應變片，如何測黑色砝碼的質量？
2.如果要求梁A點和B點上的電阻應變片同時使用，如何測黑色砝碼的質量？
3.比較以上兩種方法，分析哪種方法實驗結果準確？
4.如果懸臂梁因條件所限只能在自由端端點處安裝百分表，如何測得懸臂梁自由端受載時的撓曲線。（要求測量點不少于5點）
10
實驗六 偏心拉伸實驗
一、實驗目的
1．測*大正應變maxε
2．測中碳鋼材料的彈性模量E
3．測構件的偏心距e
4．進一步學習電測方法
二、實驗設備
1．微機控制電子試驗機；
2．電阻應變儀；
3．游標卡尺。
三、試件
中碳鋼矩形截面試件，（如圖所示）。
截面的名義尺寸為h×b = (7.0×30)mm2 ，σS = 360MPa。
四、實驗原理
在外載荷作用下，試件承受偏心拉伸，偏心距為e。在試件兩側面的a點和b點處分別沿試件縱向粘貼應變片Ra和Rb ,則：
εa =εp +εM +εt
εb =εp -εM +εt
式中： εp——軸力P產生的應變
εM——彎距M產生的應變
εt——溫度t產生的應變
通過不同的組橋方式即可將式中的εp+εM、εp及εM值分離出來，進一步求得*大正應變maxε，彈性模量E和偏心距e值。
思考題
1．材料在單向偏心拉伸時，分別有哪些內力存在。
2．用不同的組橋方式測εP時，哪種方式測量精度高。 11
實驗七 彎扭組合試驗
一． 實驗目的
1． 用電測法測定平面應力狀態下一點處的主應力大小和主平面的方位；
2． 測定彎扭組合變形桿件中，分別由彎矩和扭矩引起的應變，并確定該截面上彎矩、扭矩的數值；
3． 學習電阻應變花的應用。
二． 實驗儀器和設備
1． 微機控制電子試驗機；
2． 電阻應變儀 ；
三． 試驗裝置
彎扭組合試驗裝置如圖所示，中碳鋼材料屈服極限sσ＝360MPa，彈性模量E＝206GPa，泊松比μ＝0.28。
實驗裝置圖
四． 實驗原理
圓軸試件的一端固定，另一端通過一拐臂（l1＝150mm）承受集中荷載P，圓軸處于彎扭組合變形狀態，在軸某一橫截面A－B(l2＝150mm)的上、下兩點沿0°和±45°方向貼電阻應變片。
本次實驗采用三軸直角應變花，沿θa＝－45°、θb＝0°、θc＝+45°粘貼，測得以上三個方向的線應變值，根據材料力學公式：12
αγαεεεεεα2sin22cos22xyyxyx+?++= （1）
可求得εx、εy、γxy。
再根據廣義虎克定律、主應力計算公式和主平面方位角計算公式，即可得到某點處主應力的大小和主平面的方位。
構件受彎矩M和扭矩MT作用，其表面的任一點皆為平面應力狀態。
任一截面彎矩、扭矩的測試方法如下：
彎矩測量
以某截面上應力*大的上點或下點作為測量點。因為軸向應力бx由彎矩M引起，故應利用沿X方向的應變片，由于
бx＝EεX＝M／WZ
故 M＝EWZε0
式中ε0的測量可用1/4橋接法，也可采用半橋接法。
扭矩測量
剪應力τxy是扭矩MT引起的，MT應通過τxy來測量。由式(1)可知γxy與ε±45°有關，故測MT時應利用沿±45°方向的應變片。
γxy的測量可按半橋或全橋組橋。
五、思考題
如果要求一次加載同時測出作用在A-B截面上的彎矩和扭距，如何實現。
13
**部分 演示實驗
實驗八 薄壁圓筒壓縮失穩演示實驗
一、實驗目的：
1、觀察薄壁圓筒受壓時變形特點；
2、分析薄壁圓筒受壓破壞的原因，加深對穩定性問題的認識。
二、實驗設備：
1、微機控制電液伺服試驗機；
三、實驗課安排：
實驗課采用教師現場演示、講解與學生參觀、討論相結合的講授辦法，使學生了解試件的不同破壞特點，激發學生對力學學科的興趣。
14
實驗九 光彈性演示實驗
一、實驗目的：
1、參觀平面光彈性實驗裝置，觀察純彎梁的應力場及帶孔拉伸試件的孔邊應力場；
2、參觀近代光學測試裝置，用焦散線法測裂紋**應力強度因子；
3、通過三組演示實驗，直觀了解光測法的基本原理及特點，并加深對局部應力的認識。
二、實驗設備：
1、409-2型光彈儀；
2、激光光源；
3、傅立葉光學鏡片；
4、圖像采集系統。
三、實驗課安排：
實驗課采用教師現場演示、講解與學生參觀、討論相結合的講授辦法，使學生了解不同的實驗測試方法。
15
實驗十 疲勞演示實驗
一、實驗目的：
1、參觀疲勞實驗設備；
2、了解疲勞載荷的特點；
3、了解疲勞強度和疲勞特性曲線的測定方法；
4、觀察金屬材料在交變載荷作用下的破壞特點。
二、實驗設備：
1、懸臂式疲勞試驗機；
2、純彎疲勞試驗機；
3、高頻疲勞試驗機。
三、實驗課安排：
實驗課采用教師現場演示、講解與學生參觀、討論相結合的講授辦法，使學生了解試件在動載荷作用下的力學行為特點，觀察疲勞破壞試件斷口，認識動載荷與靜載荷對構件的不同作用效果。
16
實驗十一 主動控制阻尼減緩演示實驗
一、實驗目的：
1、參觀主動控制阻尼減緩系統實驗裝置；
2、了解梁的長度對梁振動模態的影響；
3、了解利用智能材料控制梁振動的方法及其應用。
二、實驗設備：
1、表面貼有壓電陶瓷的不同長度懸臂梁裝置兩個；
2、控制箱；
3、數據采集系統。
三、實驗課安排：
實驗課采用教師現場演示、講解與學生參觀、討論相結合的講授辦法，使學生了解梁振動的特點以及智能材料的應用。
17
第三部分 綜合性實驗
實驗十二 薄壁復合梁實驗
一、實驗內容
薄壁復合梁的實驗應力與變形分析：
學生可以自行選擇兩種材料的組合形式：搭接、搭接加潤滑油、膠接加鉚接等。自己提出實驗目的和實驗內容、擬定實驗方案，獨立實驗，獨立查閱參考文獻和分析實驗結果。如果對實驗結果不滿意，在分析原因和制定新的實驗方案后，可以多次進行實驗。教師應學生要求，在實驗過程中參與討論，進行必要的指導。
鼓勵學生探討與材料力學理論公式不相符的實驗結果，對材料力學的力學模型，理論公式的精度及適用范圍結合實驗結果進行分析評價，鼓勵學生提出自己的見解，對具體的問題提出改進方案。
二、實驗設備與試件：
1、微控電子實驗機；
2、電阻應變儀與相應的配套設備；
2、鋁合金薄壁矩形截面型材（開口和閉口兩種），中碳鋼板條；
3、上述兩種型材的復合梁（膠接加鉚接）。
鋁合金型材
鋼板型材
三、實驗時間
課內時間一般為４～６學時，**次課集中上，以后約定時間（開放實驗室）。
18
四、考核方式
學生提交試驗小論文一篇。教師根據學生的實驗能力、小論文的深度進行評分。注重學生的動手能力，注重獨立見解。
五、參考文獻
原則上自行查找，下屬文獻僅作舉例。
【1】 單輝祖．材料力學Ⅰ、Ⅱ．北京：高等教育出版社，1999．
深入閱讀梁應力分析，薄壁件分析等內容，領會“實驗觀測——假設——理論推導"的研究技術路線。
【2】 于學進，李文泉．力學在比薩斜塔糾偏中的應用．力學與實踐．2001，23（6）：71-72．
了解解決實際工程難題“問題——分析和方案——失敗——再研究——失敗或部分成功?——成功"的艱難過程。
【3】蔣持平．材料力學教學中的科學思維方式培養．力學與實踐，2001，23（3）：52．小問題329，考慮力學建模的多樣性與精度
19
