长江大学工程技术学院

《材料力学》实验教学大纲

实验名称：材料力学试验

学    时：8学时

学    分：0.5学分

适用专业：土木工程本科

执 笔 人：王昊

审 定 人：杨金招

一、实验的目的与任务：

材料力学是一门研究构件承载能力的科学，而材料力学试验是材料力学教学的一个重要的实践性环节。因为我们在对构件的强度、刚度和稳定性进行理论分析时，往往是首先根据试验所观察的现象，提出相应的假设，然后再利用有关的力学和数学知识推证出结论，这些结论的正确性如何还必须通过试验来验证。还有我们在解决工程设计中的强度、刚度等问题时，首先要知道反映材料力学性能的参数，而这些参数也必须靠材料试验来测定。此外，对工程中一些受力和几何形状比较复杂的构件，难以用理论分析解决时，更需要用试验方法寻求解答。因此，试验不仅是理论的基础，同时又促进了材料力学理论的发展。学生通过试验这一教学环节，培养他们动手操作，用所学知识解决实际问题的能力，特别是通过全方位的开放试验教学模式，培养他们的创新意识和主动出击获取知识的能力。

二、教学基本要求

1)   在试验课前，按着试验内容，充分预习本试验的目的、要求，初步了解有关试验机、仪器、仪表的使用方法和操作规程，根据试验内容写出本次的试验预习报告。

2)   学生必须按约定的试验时间准时进入试验室，不得无故旷课。严格遵守试验课纪律和试验室的一切规章制度，整个试验要求严肃认真、安静有序。

3)    在做试验时，应严格遵守操作规程，切实注意试验设备和人身安全；注意试验设备的最大负载和仪器的量程，在没有弄清试验装置的操作要领之前，请不要操作，以免发生意外；若发现试验设备、仪器出现故障或异常现象时，应立即停止操作，关闭电源，并报告指导教师及时处理。

4)    试验教学是培养学生动手能力的一个重要环节，因此试验小组成员要分工合作，尽量确保每人都能动手完成所有的试验环节。

5)    试验前清点试验所用设备、仪器及有关工具。试验结束时，应立即将试验机复原，把试验用仪器、仪表、工具清理后如数放回原处。学生将原始试验记录数据交试验指导教师审阅，经指导教师审阅合格并签字后，方可离开试验室。

三、试验项目与类型

四、实验教学内容及学时分配

实验一    低碳钢、铸铁的拉伸与压缩试验(2学时)

1.目的要求

1)   了解试验设备—万能材料试验机的构造和工作原理，掌握其操作规程及使用时的注意事项。

2)   测定低碳钢的屈服极限(流动极限)σs,强度极限σb、伸长率、断面收缩率。

3)   测定铸铁的强度极限b。

4)   观察以上两种材料在拉伸过程中的各种现象，并利用自动绘图装置绘制拉伸图    （P一曲线）。

5)   比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸时的机械性质。

2.  方法原理

1)   为了检验低碳钢拉伸时的机械性质，应使试样轴向受拉直到断裂。

2)   铸铁属脆性材料，轴向拉伸时，在变形很小的情况下就断裂，故测定其抗拉强度极限。

3.   主要试验仪器及材料

1)   量具：游标卡尺、钢尺、分规。

2)   设备：万能材料试验机。

3)   材料：低碳钢及铸铁试样。

4.   掌握要点

1)   掌握试样直径的测量方法。

2)   试验时应保证全部待测载荷均在此范围之内。就本次试验来说，也就是须保证屈服载荷Ps和极限载荷Pb均在该范围之内。

3)   通过观察应对所学知识，掌握材料的应力-应变过程。

4)   掌握试验机的原理及操作。

5.   试验内容

1)   低碳钢试样的拉伸试验

A.   测定试样的截面尺寸

B.   试样标距长度l0之间用分划器等分10格或20格，并刻出分格线，以便观察变形分布情况，测定延伸率。

C.   根据低碳钢的强度极限，估计加在试样上的最大载荷，据此选择适当的机器量程。

D.   试车正常后，正式试验开始，自动绘制拉伸图。

E.   计算屈服极限、强度极限、延伸率和断面收缩率。

2)   灰铸铁试样的拉伸试验

灰铸铁试样是在非常微小的变形情况下突然断裂的，断裂后几乎测不到残变形。对灰铸铁只需测定它的强度极限。 

实验二    材料的弹性模量E及泊松比μ的测定(2学时)

1． 目的要求

1)   用电测方法测定低碳钢的弹性模量E及泊松比µ；

2)   验证虎克定律；

3)   掌握电测方法的组桥原理与应用。

2． 方法原理

1)   测定材料弹性模量E一般采用比例极限内的拉伸试验，材料在比例极限内服从虎克定律，其荷载与变形关系为： ；

2)   材料在受拉伸或压缩时，不仅沿纵向发生纵向变形，在横向也会同时发生缩短或增大的横向变形。由材料力学知,在弹性变形范围内，横向应变εy和纵向应变εx成正比关系,这一比值称为材料的泊松比。

3． 主要试验仪器及材料

1)   电子拉力试验机。

2)   静态电阻应变仪。

3)   游标卡尺。

4)   平板试件及应变片。

4． 掌握要点

掌握电测方法的组桥原理与应用。

5． 试验内容

1)   在试件中间截面沿纵向轴线及其垂直方向分别贴三个电阻应变片；在温度补偿块上贴一个电阻应变片。

2)   将试件夹于试验机的下夹头，用半桥接桥方法,把三个工作片及补偿片接至电阻应变仪。

3)   用游标卡尺测量试件截面积尺寸，分别测量试样标距的两端和中间截面积尺寸，计算截面积面积，取三次的平均值作为初始横截面面积。

4)   载荷调零和重设标距。

5)   使试件上夹头夹紧后，开始加载。

6)   每加一次载荷，持荷30秒，读出并记下各测点的应变数值和载荷数值。

7)   第一遍测试结束后，再按上述操作步骤重新开始试验，共做四次。

8)   将后三次的测试结果代入有关公式进行计算，用最小二乘法求出E，μ。

实验三    剪切试验(2学时)

1． 目的要求

测定低碳钢的剪切强度极限。并观察试样破坏情况。

2． 方法原理

实际工程中的铆钉、销钉、键等联接件，都直接承受剪切。此种联接件主要承受剪切和挤压变形，还伴随有弯曲作用，受力情况比较复杂。因此，在工程设计中对于上述联接件都是直接从剪切试验中测取金属材料的实际剪切强度极限来作为强度计算的依据。

3． 主要试验仪器及材料

1)   万能材料试验机

2)   剪切器

3)   自动绘图器

4)   试样

4． 掌握要点

低碳钢的剪切强度极限的计算。

5． 试验内容

1)   测量试样截面尺寸。

2)   选择试验机及所用量程。

3)   安装剪切器及试样，测读破坏载荷。加载过程中利用自动绘图器观察大致的载荷—变形关系，结合示力指针前进情况，粗略地判定试样开始进入全面屈服时的载荷。

4)   试验完毕，做好常规的清理工作。

5)   结合试验结果再根据公式算出低碳钢的剪切强度极限；绘出试件断口形貌并进行分析。

实验四    扭转试验(2学时)

1． 目的要求

1)   测定低碳钢的剪切屈服极限及剪切强度极限，测定铸铁的剪切强度极限。

2)   观察并比较低碳钢及铸铁试件扭转破坏的情况。

3)   了解扭转试验机的大致构造和试验原理。

2． 方法原理

扭转试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，利用它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各项性能指标。

3． 主要试验仪器及材料

1)   扭转试验机一台。

2)   游标卡尺、直钢尺各一把。

3)   低碳钢、铸铁试件若干。

4． 掌握要点

结合试验现象的观察，弄清低碳钢和铸铁的屈服及破坏的形式和原因。

5． 试验内容

1)   测量试件直径。

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)   试验测试。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，直至试验结束记录最大扭矩Tb和最大扭转角。

5)   铸铁在扭转时无屈服现象，直至试验结束记录最大扭矩Tb和最大扭转角。

6)   关机取下试件，观察试验后的试件并比较试验前的试件有何变化，将机器恢复原位。

五、考核办法

本课程试验不作为单独课程进行考核；试验教学部分应占课程总成绩但比例20%；在课程考试笔试中，试验内容占考试内容的比例不超过５%。每次试验，预习占0.1、操作占0.3、试验纪律占0.1、试验报告占0.5;本课程最后成绩＝试验成绩*0.2＋课程考试成绩*0.8。

六、实验教学指导书和参考书

1.   《材料力学》 苏翼林编著，高等教育出版社2001.6

2.   《材料力学》 孙训芳编著，高等教育出版社2002.8

3.   《材料力学》刘鸿文主编 高等教育出版社  2007.8

4.   《工程力学教程Ⅰ》范钦珊主编  高等教育出版社 2005.7

5.   《力学与工程技术的进步》薛明德主编 高等教育出版社 2008.5

 

第二篇：中南大学基础力学实验答案

基础力学实验绪论

1.基础力学实验一般分为材料的力学性质测定，实验静态应力测试实验，振动和动应力测试实验，综合性测试实验。

2.在力学实验测量中，对于载荷不对称或试件几何性质不对称时，为提高测量精度，常采用对称测量法。

3.若载荷与其对应的响应值是线性关系，则载荷增量与其对应的响应值增量也是线性关系。（正确）

4.对于任何测量实验，加载方案均可采用增量法。（错误）

5.载荷与变形的关系为ΔL=FL/EA

简支梁各阶固有频率的测量实验

1.简支梁横向振动固有频率若为f1=20HZ，则f3=180HZ。(f1:f3=1:9)

2.共振相位判别法判断共振时，激振信号与振动体振动位移信号的李萨如图是正椭圆。

3.共振相位判别法判断共振时，激振信号与振动体速度信号的李萨如图是斜线。

4.共振相位判别法判断共振时，激振信号与振动体加速度信号的李萨如图是正椭圆。

5.物体的固有频率只有一个。（错误）

6.物体的共振频率就是物体的固有频率。（错误）

压杆稳定测试实验

1.关于长度因数μ，正确说法是：其它条件相同时约束越强，μ越小

2.关于柔度λ，正确的说法是：其它条件相同时压杆越长，λ越大

3.关于压杆稳定性，正确的说法是：要让欧拉理论可用，应使压杆的柔度进尽可能大

4.在以下所列的仪器设备中，压杆稳定实验所需要的是：压杆稳定试验台数字测力仪计算机

5.两端球形铰支的压杆，其横截面如下图所示，该压杆失稳时，横截面对中性轴的惯性半径i=0.577mm（i=h/sqrt(12)=2/sqrt(12)=0.577mm)

6.已知某理想中心压杆的长度为l，横截面的惯性矩为l，长度因数为μ，材料的弹性模量为

为E，则其欧拉临界力Fcr=

7.已知某理想中心压杆的长度为l，横截面的惯性半径为i，长度因数为μ，则该压杆的柔度λ=μl/i

8.两端铰支的细长压杆，若在其中点加一个铰支座，以约束该截面的水平位移，则增加该约束后压杆的欧拉临界力是原来的4倍。

弯扭组合变形实验

1.在弯扭组合实验中，圆轴下表面测点处包含横截面和径向截面的应力状态为

          2.在弯扭组合实验中，圆轴中性轴测点处包好横街面和径向截面的应力状态为

3.粘贴温度补偿片的元件应选择与被测试件相同的材料

4.粘贴温度补偿片的元件应与被测试件的线膨胀系数相同

5.为了测定实验圆轴表面的主应力，直角应变花可否沿任意方向粘贴？为什么？

答：可以。

因为应力圆是点圆外，主应力的大小和主单位的位置都是唯一的，因此不论直角应变花沿哪个方向粘贴，只要测出平面应力状态下的三要素，那么就可以计算出主应力的大小和主平面的方位。

6.在弯扭组合表型的电测实验中，在圆轴的同一个横截面的外表面处布置三个直角应变花，起重A和B位于上下表面处，C位于水平直径的一个端点处，每一个直角应变花夹在中间的一个应变片都与轴线方向重合，应变花中的每一个应变片都用一个数字来命名，如下图所示：

（1）如果要测定该横截面上的弯矩的值，最简单的方法是测量哪一个或最少哪几个应变片

     的应变值？

答：2；5

（2）如果要测定该横截面上扭矩的值（不计弯曲切应力的影响），最简单的方法是测量哪一个或最少哪几个应变片的应变值？

答：7；9

纯弯曲实验

1.在纯弯梁电测实验中施加初始荷载的目的是预热仪器、消除接触缝隙。

2.在纯弯梁电测实验中才用分级加载的目的是消除电阻应变仪的初读数造成误差。

3.在纯弯梁电测实验中温度补偿片的作用是消除环境温度的变化对测试结果准确性的干扰。

4.在纯弯梁电测实验中测点读数“调零”的工作应该在加初始荷载后进行。

5.在纯弯梁电测实验中能正确检查实验结果的“线性”规律的是同一测点的线应变在不同载荷作用下的比例关系、不同测点的线应变在同一级载荷作用下的沿梁高方向上的分布规律、受拉和受压区测点线应变的正负关系和对称性、中性层处测点的线应变是否等于零。

6.在以下所列的仪器设备中，纯弯梁电测实验所需要的是电阻应变仪；预调平衡箱；弯扭试验台。

7.纯弯曲电测实验的实验装置如下图所示，C界面上的剪力Fs=0；弯矩M=1/2Fa

8.图示矩形截面梁的惯性矩Iz=bh³/12;弯曲截面系数Wz=bh²/6。

9.在正弯矩的作用下弯曲正应力沿梁高的分布规律是。

10.中性层处测得的纵向线应变不为零的原因是中性层处的应变片粘贴的位置不准确。

金属材料的拉压力学性能测定实验

1.对于没有屈服阶段的塑性材料通常用( ) 来表示该材料的名义屈服极限，则正确的名义屈服极限的图为：（3）

2.测定E的实验中施加初级荷载的目的是 预热仪器 和 消除接触缝隙

3.测定E的实验中，试件两端施加的荷载 应控制在比例极限内

4.材料拉压力学性能实验需要哪些仪器、设备和工具？

答：钢板尺、游标卡尺、电子万能试验机、计算机

5.低碳钢拉伸时的力学行为分为 弹性阶段屈服阶段强化阶段局部变形阶段 四个阶段

6.低碳钢拉伸的三个重要强度指标为 比例极限屈服极限强度极限

7低碳钢拉伸的两个重要塑性指标为 伸长率断面收缩率

8.低碳钢拉伸需要测量的数据有： 加载前和破坏后试件的标距加载前试件的横截面直径&破坏后断口的最小直径试件两端的荷载试件在荷载作用下的变形量屈服极限荷载强度极限荷载

9.低碳钢压缩需要测量的数据有： 加载前试件的横截面直径时间两端的荷载时间在荷载作用下的变形量屈服极限荷载

10.铸铁拉伸需要测量的数据有： 加载前试件的横截面直径试件两端的荷载强度极限荷载

11.铸铁压缩需要测量的数据有： 加载前试件的横截面直径试件两端的荷载强度极限荷载

12.低碳钢拉伸时的应力应变曲线为：（1）

   铸铁拉伸时的应力应变曲线为：（3）

   铸铁压缩时的应力应变曲线为：（4）

13.低碳钢拉伸至破坏时断口的形状为（A）

   铸铁拉伸至破坏时断口的形状为（C）

   铸铁压缩至破坏时的断口形状为（D）  

14.材料应力应变曲线中的应力又称为名义应力，它是由试件受到的轴向拉力除以 加载前试件横截面的初始面积 得到的

15.低碳钢拉伸时的名义应力比试件横截面上的实际应力大 （错误）

16.低碳钢拉伸时用名义应力替代实际应力偏于安全的 （正确）

金属材料扭转力学性能测定实验

1.扭转实验需要使用的仪器设备工具有： 游标卡尺扭转试验机

2.材料的拉压弹性模量E、切变模量G和横向变形因素（泊松比）v 之间的关系是:

3.实心圆轴直径a，该圆轴横截面的极惯性矩Ip=πd4/32 扭转截面系数Wp=πd3/16

4.扭转实验测定中切变模量G采用 增量法 减少测量误差

5.每一级测定切变模量的计算公式是

6.铸铁圆轴受图示外力偶的作用至破坏，则断口的大致位置为（1-1线）

7.对于低碳钢的扭转实验

 扭转至破坏后的断口的形状为[D]

导致扭转破坏的原因为：横截面上的切应力超过了          

材料抗剪强度

8.对于铸铁的扭转实验.

扭转至破坏后的断口形状为

导致扭转破坏的原因为：45°的斜截面上拉应力超过

了材料的抗拉强度