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材料力学指导书

《材料力学与工程力学》

《材料力学、工程力学》

实验指导书

曾豪华编

广东技术师范学院机电学院

前言

材料力学实验是材料力学课程必不可小的重要组成分。

材料力学中的一些理论和公式是建立在实验、观察、推理、假设的基础上。

它们的正确性还必须由实验来验证。

学生通过实验，用理论解释、分析实验结果，又以实验结果来证明理论，互相验证，以达到巩固理论知识和学会试验方法的双重目的。

本书是根据我系开设的材料力学实验内容和现有的仪器设备情况在原有的工程力学实验指导书的基础上修改编写的，由实验仪器和设备简介、基本实验两部分组成。

该书共有六个基本实验和与之对应的讨论思考题、供学生讨论思考，即要求机类学生必须完成六个基本实验。

其它专业类学生也可根据各自专业的要求和需要选做。

由于时间仓促、加上本人的水平有限，难免有错漏之处，恳请老师和同行们批评指正。

编者

2005年3月18日

学生实验须知

1.实验前，必须预习实验指导书中相关的内容，了解本次实验目的、要求及注意事项。

2.按预约实验时间准时进入实验室，不得无故迟到、早退、缺席。

3.进入实验室后，不得高声喧哗和擅动仪器设备。

4.保持实验室整洁，不准在机器、仪器及桌上涂写，不准乱丢纸屑，不准随地吐痰。

5.实验中，严格遵守操作步骤和注意事项。

实验时，仪器设备发生故障，学生要立即报告指导教师，及时检查，排除故障后，方能继续实验。

6.实验过程中，学生不按仪器操作规程操作、损坏仪器设备者，将按学校《损坏仪器赔偿》规定处理。

7.实验过程中，同学要相互配合，认真测取数据的记录实验数据。

8.实验结束后，应将仪器、工具清理摆正。

不得将实验室的工具、仪器、材料等携带出实验室。

9.实验完毕，实验数据须指导教师认可，盖章后方能离开实验室。

10.有些实验报告只给实验报告纸，实验报告格式由学生自行拟定。

实验报告要求做到字迹端正、绘图清晰、表格简明。

实验报告纸不够用时，可自行增加纸张。

目　录

封面………………………………………………………………………………………1

前言………………………………………………………………………………………2

学生实验须知……………………………………………………………………………3

目录………………………………………………………………………………………4

第一部分：

实验仪器和设备的简介……………………………………………………5

§１－１　ＷＥＷ－600B微机液压万能材料试验机…………………………………...5

§１－2　ＷＥ－30型液压式万能材料试验机………………………………………14

§１－3　QY-1型坏铰式引伸仪…………………………………………………………19

§１－4　WNJ-500微机控制扭转试验机……………………………………………….22

§１－5　JNSG-14型教学用扭转试验机……………………………………………….24

§１－6　RXJ-300液晶显示冲击试验机………………………………………………..29

§１－7　电测法的原理与静态电阻应变仪………………………………………….44

第二部分：

基本实验……………………………………………………………………...50

实验一低碳钢、铸铁的位伸和压缩实验…………………………………………….50

实验二弹性模量E的测定…………………………………………………………….53

实验三扭转实验……………………………………………………………………….56

实验四剪切弹弹性模量G的测定……………………………………………………57

实验五冲击实验………………………………………………………………………….60

实验六纯弯曲正应力的电测实验……………………………………………………….63

第一部分：

实验仪器和设备的简介

§1-1WEW-600B微机液压万能材料试验机

一、概述

本机主要用于金属材料的拉伸、压缩、弯曲及剪切等试验，也可用于水泥、混凝土、木材等非金属材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验。

本机采用计算机进行数据处理，具有力、变形自动跟踪测量、最大负荷峰值保持和加荷速率显示等功能；具有多种控制方式、曲线形式可选择，能迅速准确地实现负荷伸长的数字标定；检验时每档具有过载保护功能、满载保护及位置保护。

试验数据能任意存取并可实现数据和曲线的再分析，包括局部放大和数据再编辑、试验条件（试样环境、测试）可编程，能自动求出材料的力学性能指标，并打印出完整的试验报告和曲线，断裂延伸率手动测量和自动测量；同时可以配置多个电子引伸计，以满足不同材料对引伸计的标距要求，每一个界面（窗口）都具有在线帮助功能。

本机适用于大专院校、厂矿企业、质量监督部门。

二、主要技术指标

型号与规格：

WEW-600B；测量范围：

12-600（KN）；

量程：

10、20、50、100（%）；示值精度：

±1（%）（满量程的20%以上）；

拉伸空间：

0～820（mm）；压缩空间：

0～820（mm）；

圆试样夹持直径：

Ф13～Ф26、Ф26～Ф40（mm）;扁试样夹持厚度：

0～30（mm）;

扁试样夹持宽度：

80（mm）;剪切试样直径：

Ф10（mm）;

弯曲支滚间距：

100～560（mm）;活塞行程：

250（mm）;

油泵电机功率：

1.5（KW）;丝杠电机功率0.75（KW）;

主机外形尺寸：

970×600×2350（mm）;

油源外形尺寸：

620×590×1200（mm）;重量：

2300（Kg）。

三、试验机对环境的要求

本机应安装在清洁无腐蚀介质、无电磁干扰，远离易产生火花干扰或产生冲击振动源的试验室。

其环境温度20±10度，相对湿度不大于80%，电网电压波动不超过额定电压的±5%，并有良好的接地线，底座及机架水平度不超过0.2%m,要留有便于操作各维修的空间和安装辅助设施的位置。

四、安装

试验机安装在清洁干燥、温度均匀的房间内，并注意所需的空间，然后确定安装位置。

使用电源电压应在AC380V±10%的范围之内。

试验机主机安装需找好水平。

找水平时将0.02/1000框式水平仪靠边在丝杠上，按两个丝杠上的位置及方向找，水平度不大于0.01/1000。

不水平时，可以机座下面加垫铁调整。

产品仪表工作台置于主机工作台左侧，将数显仪表后面板各输入、输出接口插上，并使其接触良好。

五、上横梁位置调整

在上横梁和试台中间由四根立杠联结，当用下横梁升降调整空间仍不能满足试验要求时，利用调整卡环在立杠环形槽的位置，也可对试验空间进行调整。

具体步骤如下：

1、增加试验空间（调高）

（1）用手动送油阀向主油缸供油，使试台上横梁上升150mm左右。

（2）分开试台下卡环的搬把，使卡环离开立杠上的环形槽。

（3）在下横梁上等高垫块升下横梁使垫块接近上横梁。

（4）开回油阀使台下降，直到立杠的一个环形槽全部露出并高于试台为止；将上下卡环卸下，卡在新露出环形槽内。

注意试台上销钉应与卡环上的两半孔上下对齐。

（5）升试台至试台上下环接触；合上试台下的卡环，调节结束。

2、缩小试验空间（调低）

（1）开送油阀上横梁与试台上升15~20mm分开试台下的下卡环搬把。

（2）在下横梁上放上垫块，升下横梁至垫块将接触上横梁。

（3）开回油阀，使试台下降至可以拿出试台上的上卡环，并拿出上卡环，将上卡环放在立杠上的上一个环形槽内。

（4）升试台至下卡环可以卡在试台下立杆上的环形槽内为止，卡上下卡环，调整结束。

注：

利用卡环调整空间要注意两个丝杠上的导向套位置。

导向套应随横梁的调整而调整，不可忽略。

六、其它

1.油的规格选用

在液压传动中，应采用优良的等粘度矿物油。

油内应不含水、酸及其他混合物，在常温应不分解、不变稠，注入机器前油液必须经过过滤，发现油液浑或不清洁时，应及时更换。

采用《GB443-84》N68机械油或N68液压油，注油量约50升。

2、初次运转及试车

检查电机旋转方向与油泵旋转方向的箭头所指示的方向是否一致，不一致时调整三相电源输入接线。

规定旋向：

顺时针旋向，（面对电机外壳后壳后风罩，顺时针旋转；否则，调相。

）试验机钳口卡板与横梁的滑动面，因试验时承受较大压力又在互相移动中，二者极易磨损，本机新机出厂前已放入专用润滑油。

在试验时，如发现该部位有摩擦现象，应将钳口卡板卸下将磨损部位修光再涂上专用润滑油，再重新装上即可。

3、安全装置

试验机设有过载保护装置，负荷超过额定荷载的5%时自动停机，确保整机安全；行程开关用以限制试台的极限位置。

4、主机结构（见附图）

主机由机座、油缸、活塞、上横梁、立柱、丝杠、试台、升降电机、液压自动夹具等组成。

液压控制系统有油箱、高压油泵、油路板组、送油阀、回油阀、工作油缸及活塞等组成。

其中油路板组由溢流节流和开关单向节流单元组成。

溢流节流单元是控制负荷、加荷速率的关健单元，试验可根据实际需要调整高速送油阀用以控制流量和压力。

油液由油管输入工作油缸，在压力油的作用下，工作活塞向上顶起立柱和上横梁，和下横梁形成位移对试样进行加荷。

本机具有技术先进，系统可靠、响应快、间隙小、噪音低、加载平稳等特点。

5、电控原理

WEW系列试验机均由高档微机进行控制、数据处理及测量。

执行单元采用模块设计，选用INTEL，MOTOROL，DEVICES等公司电子器件。

系统工作可靠，测量精度高，抗干扰能力强。

●负荷测量单元

选用高精度负荷传感器，配以超低噪声、高精度、低漂移、高分瓣率的测量卡，确保在整个测量范围内的示值准确度。

●变形测量单元

变形测量单元由应变式电子引伸计配以高精度、低漂移、高分辨率的测量卡。

在

测量过程中自动切换量程，以确保示值的准确度和试样特性曲线的连续性。

并配有多种规格，满足不同试样对标距及变形量的要求。

●位移测量单元

采用位移传感器联接于试台实现，可准确测量横梁的位移，亦可用

于夹具间试样变形的测量。

6、测试开始与终止

1、测试前的准备工作,夹持试样。

试样的夹持方法如下：

●开机，按下电源开关按钮、按下油泵启动开关、启动油泵电机，调整

送油阀旋钮移动试台置于适当位置；通过手动控制盒上的按钮控制升降电机，带动丝杠移动下横梁于适当位置；调好夹持空间后，按手动控制盒上的按钮控制上、下夹头的“紧”按钮将试样夹紧。

●试样夹持在上下钳口内，应保证两端各有2/3部分被夹持。

●夹持引伸计，依材料的性质在试验项中选择好变形测量方式，将其对应的引伸计夹

持在试样的中间部分。

●试验过程：

关闭回油阀、监视速率显示，开启送油阀进行加荷，使速率显示基本稳定在一定范围内。

此时试样的负荷值、变形量及试验速率分别在负荷、变形、速率显示窗上显示，直至试验结束。

试验结束后，按手动控制盒上、下夹头的“松”按钮，取下试样。

再按开启回油阀、关闭送油阀或按OFF开关停运油泵电机，使试台停止移动。

（1）测试正常结束

依测试条件中的试验结束条件而定；是断裂结束、还是非断裂结束，结束后；大约等2秒钟，此时用户通过试验数据输出与显示，观看其实验结果。

（2）测试中止

由于人为因素，如试样未夹持好或引伸计忘夹持等等，此时可以进行

以下的任一操作而终止测试。

7、操作注意事项

●使用前请详细阅读说明书。

●在使用计算机时，请不要将来历不明或与本机无关的软盘在此机进行

读写（或拷贝）；预防计算机病毒感染，否则会造成系统瘫痪。

●在开机前必须检查计算机与主机的连接线，插头、插座、电源插头是否正确。

●正确选择夹具，不得超载。

●启动HT软件，不得关闭计算机电源；退出HT软件、退出Windows后才允许关闭计算机电源，否则将造成系统软件破坏。

●突遇停电请马上关掉所有电源，待确认供电稳定后再开机。

●本机运行后切勿离开岗位。

8、仪器的保养

●定期检查计算机中的数据文件，若太多，用软盘做备份（最好两份）将其删除，确保硬盘有足够的空间。

●液压系统每1年更换一次液压油，采用N68机械油，更换前先将油过滤，其精度须小于10μm。

●对滑动零部件加润滑油，对易锈件涂防锈油。

●预防高温、过湿、灰尘、腐蚀性介质、水等侵入本机。

●定期检查，保持零部件的完整性。

●每年周期检定一次。

●经常保持清洁防止锈蚀。

●记录使用情况。

9、常见故障及排除方法

序号

故障现象

故障原因

排除方法

1

活塞不升起

电机反转

调换三相电源接线

送油阀未开或加油阀未旋紧

关加油阀、开送油阀

缓冲活塞研死

更换或修复零部件

2

油泵输油不稳定

油路内有空气

反复开车升降活塞

油液粘度过大或过稀、太脏

更换粘度合适的清洁油

有渗漏现象

找出漏油处予以排除

3

油压达不到最大负荷

缓冲活塞研死或有脏物

清洗或研磨相应零件

油液粘度不够，间隙跑油过多

增添汽缸油，减少溢流现象

有漏油处

清除漏油

回油开关杆与阀口不吻合

将回油针加以研磨后旋紧

4

负荷显示不动

接口插头未接触好

重新插好相应的插头

系统软件有问题

重新安装Windows和相应的测试软件

打印无输出

打印驱动程序有故障

重新安装打印驱动程序

§1-2液压万能材料试验机

液压式万能材料试验机构造如下图2-1所示。

一、构造原理

1、加力系统

开动液压油泵电动机带动液压油泵29工作，关闭回油阀23，打开送油阀34，液压油泵29将油箱28里的液压油通过油管30，16送入工作液压油缸11，从而推动工作活塞12、小横梁14、拉杆13和工作台7上升。

承压座9上放压缩试样，试样受压；两个压滚支座8上放弯曲试样，试样产生弯曲变形；上夹头6与下夹头3之间装夹拉伸试样，试样受拉。

对于不同长度的拉伸试样，可移动工作台位置，调整装夹空间。

2、测力绘图系统

工作液压油缸11中的油压与试样受力成正比。

油管31、15连通测力液压油缸26和工作液压油缸11，使测力液压油缸26和工作液压油缸11的油压相等，从而使测力液压油缸26的油压也与试样受力成正比。

测力液压油缸26的油压推动测力活塞27向下移动，拉动连杆35，使摆锤25、摆杆24和推杆21（三件固联在一起）绕支点转动，推动蜗杆19水平移动，且位移大小与试样受力成正比，通过蜗轮带动主动指针18转动在度盘20上示力。

一般试验机配有三个量程，度盘20上也就有三圈刻度，通过摆杆24上挂有不同的摆锤来调整。

摆杆24上只装有A摆锤时，读刻度盘20的里圈刻度；同时装有A、B两摆锤时，读中圈刻度；同时装有A、B、C三摆锤时，读外圈刻度。

从动指针39为自动记录最大的载荷用。

自动绘图装置可绘出力一伸长的曲线或力一变形曲线（F-△L图）。

在蜗杆19带动指

针转动的同时，也带动绘图笔38沿绘图圆筒37的轴线方向移动画线，画线量表示试样受力的大小。

试样受力变形的同时，工作台7同步上升，通过坠线40和线坠36带动绘图圆筒37转动，绘图笔38沿绘图圆筒37圆周方向的画线量表示试样变形的大小。

二、工作步骤和注意事项

1、开机前检查。

检查油箱28里的液压油是否足够（透过油窗可以看见油即为足够），加油阀23和送油阀34是否处于关闭位置，各电路开关是否有效，绘图装置是否能正常绘图。

2、选择量程。

按估计载荷的1.5~2倍选择试验机的量程。

挂上相应的摆锤，调好缓冲阀（油箱28上方即可见缓冲阀。

只用A摆锤时，使阀上的字母A对准刻线；同时用A、B两摆锤时，使B对准刻线；同时用A、B、C三摆锤时，使C对准刻线）。

3、接通电源，检查试机。

打开电源开关32，指示灯17亮，表示电源接通。

按下液压油泵开关33的“启动”按钮（绿色）开动液压油泵29，行缓慢后较快地打开送油阀34，使工作台7上升一段距离（50mm左右）。

按下液压油泵开关33的“关闭”按钮（红色）停机，关闭送油阀34，缓慢地打开回油阀23，便工作台7回到原位再关闭回油阀23，以检查机器转动是否正常。

应注意：

送油阀关闭时不要拧得太紧，以免损坏。

4、调零。

开动液压油泵29，拧开送油阀34，使工作台7上升10mm左右，再关闭送油阀34，以消除实验机系统自重的影响。

调节平衡铊22，使摆杆24的边线与标定刻线相重合，调整主动指针18指零。

从动指针39要放在能被主动指针18带动的位置。

5、安装试样。

压缩试样应放在合适的承压座9上，并注意对中；弯曲试样应放在调好距离的压滚支座上8上；拉伸试样应根据其形状和尺寸选择相应的夹头，先将试样装在上夹头6上，通过升降工作台调整夹头的位置，使下夹头3夹紧式样。

若要自动绘图，要抬起绘图笔38，在绘图圆筒37上装好记录纸，再放下绘图笔38。

6、加载。

缓慢地打开送油阀34，即可对试样加载；通过送油阀34打开的大小控制加载速度。

加载过程中，不得触动摆锤25和摆杆24。

试验机一旦启动，操作人员就不得离开。

若发现试验机运行不正常或发生故障，应立即按下液压油泵“开关”按钮停机。

7、试样断或裂后，立即停机，由从动指针39读出最大试验力，抬起绘图笔38。

8、结束工作。

关闭送油阀34，取下试样和记录纸，缓慢地打开回油阀23使工作台7慢慢地下降至原来位置；关闭回油阀23，支起摆杆24（摆杆24上只留A摆锤），最后切断电源，清理机器。

§１－3　QY-1型球铰式引伸仪

引伸仪是一种测量试样变形的装置，有机械式、光学式、电阻应变计式等等。

本室所使用的是属于机械式的球铰式引伸仪。

QY---1型球铰式引伸仪

一、仪器结构及原理

球铰式引伸仪结构如图2-2a所示，它是由一个千分表（或百分表、测钢试样变形时应配千分表）和一个变形传递架组成的。

球铰式引伸仪的变形传递架主要由上标距叉7和下标距叉2，球铰杆6、定位弹簧5、表座板11组成。

将千分表10插入表夹12并用装表螺钉13拧紧，即构成球铰式引伸仪（见图2-2a）。

球铰式引伸仪安装在试件8上，是靠引伸仪上、下顶尖螺钉9和1（共四个）来夹紧的。

安装引伸仪时，应先将试件8从上标距叉7和下标距叉2的右侧缺口进入仪器中央，然后拧紧上、下顶尖螺钉9和1，即可完成引伸仪安装。

试件8在力F的作用下，两顶尖螺钉的夹持段AB（即引伸仪标距Lc）的伸长增量为△Lc（见图2-2b）。

此时上顶尖螺钉9的顶尖基本不动，而下顶尖螺钉1的顶尖从原来所在的A点移到A＇点，即△Lc=AA＇。

在下顶尖1移动的同时，下标距叉2绕球铰3（C点）转动角度△a,于是测头座15的触点E下降到E＇，ＥＥ＇等于千分表10的实际所测位移。

EE’/AA’＝EC/AC（2–1）

将ＡＡ＇＝△Lc，EC=2a，AC=a代入式（2-1）并整理，得：

EE＇＝２△Lc（2-2）

可见，球铰式的引伸仪的变形传递架将试件的伸长扩大为原来的2倍。

考虑到千分表10的放大倍数，球铰式引伸仪的放大倍数即为K=2000格/mm,相应的刻度分度值为0.0005mm。

则：

△Lc=△N/K（2-3）。

式中：

△Lc为引申仪标距的伸长增量，单位为mm；△N为引伸仪的读数增量，单位为格。

调节引伸仪的四个顶尖螺钉9和1的左、右位置，可保证试样中心线位于上、下标距叉7和2的对称中心平面上；而下标距叉2因能绕球铰3自由转动。

所以千分表的读数直接表示了试件左、右两侧伸长量的平均值。

二、仪器的装夹步骤及方法：

1、先把试样夹持在试验机上，然后对试样施加负荷使其达到初应力σ。

2、用左手握住球铰式引伸仪（大拇指压在上标距叉的上面，中指及无

名指勾住下标距叉的下面）使小轴的弯曲尾部指向上标距叉；再将整个引伸仪从标距叉的缺口卡入并套在试样上，使上、下标距叉的定位弹簧和左侧顶尖螺钉的顶尖恰好和试样表面接触；再分别轮流拧紧，使顶尖螺钉嵌入试样0.05~0.1mm（螺钉大约旋转1/10~1/5转）,至此便可松手、仪器已安装在试样上了。

3、小轴旋转180°，其弯曲尾部指向下标距叉；使表座与下标距叉之间有一间隙，防止仪器别劲。

4、把千分表（或百分表）安装在表夹上，使千分表（或百分表）多压缩0.4~0.1mm；并使长指针对零、然后拧紧表夹螺钉，仪器即装夹完毕。

§１－4　WNJ-500微控制扭转试验机

一、概述

本机采用计算机控制，具有多种控制方式、曲线形式可选择，能迅速准确地实现扭矩、转角的数字标定。

检验时具有满载保护及位置保护，试验数据能任意存取并可实现数据和曲线的再分析；包括局部放大和数据再编辑，试验条件（试样环境、测试）可编程，并能自动求出材料的力学性能指标，并打印出完整的试验报告和曲线；每一个界面（窗口）都具有在线帮助功能，手动控制配有独特的微调功能，在标定、检验、夹持试样时能轻松自如地进行十字头微量调整等。

本机适用于大专院校、厂矿企业、质量监督部门、计量检定等行业领域对原材料、来料、产成品进行力学性能检测与分析，是理想的检测设备。

二、应用范围

本机适用于金属材料室温下测定扭转力学性能。

三、主机结构

主机由机座、溜板、微机测量系统组成。

安装在溜板上加载机构可以在机座导轨上自由滑动。

加载机构由松下伺服电机带动减速机对试样进行扭力加载，通过扭矩传感器测量试样的扭矩值。

试验机的正反加载和停车可按动操纵面板的按钮，同时扭转角度由高精度光电编码器检测；检测到的信号传递给处理系统，完成对试样扭转指标的测量及曲线的绘制。

§１－5　JNSG-14型教学用扭转试验机

扭转试验机是测定材料扭转力学性能的设备。

这里介绍我室所使用的JNSG-144型

教学用扭转试验机。

一、结构及原理

该试验机如图2-5和2-6所示，采用蜗轮减速器手动加载、弹簧测矩装置测扭矩、

自动绘图装置绘图、最大扭矩为144N·m。

试样受到扭转作用，通过固定夹头11和力臂4使测矩弹簧7与扭矩成正比伸长、力臂4向上偏转；又通过各线轮带动指针18转动，在度盘19上示力，其中线轮I12将测矩弹簧7的伸长量与度盘19的刻度对应按比例放大。

在线轮带动指针18转动的同时，也带动画线笔15沿绘图圆筒16轴线方向移动；转角线轮17又同时带动绘图圆筒16转动，画线笔15即可在坐标纸上画出扭矩一扭角曲线。

二、使用方法：

（一）力臂调整

1、将平衡锤8旋到锤杆9外端的适当位置，使力臂4抬起、以消除力臂4及相关件

重量的影响，并将测矩弹簧7拉紧。

2、调整弹簧吊环螺栓26和活塞螺栓27，使力臂4轴线下倾到水平位置大约成30

的夹角；此时带线杆1的端头大约从水平位置下降30mm。

而缓冲器10的活塞28底面要离液压油缸29底台大约2～3mm，可通过压和松力臂4感觉出来。

3、座叉6上的销轴5的轴线要与力臂4的轴线垂直，以保证活塞28升降灵活。

4、若夹线杆2位置不正、而使竖线不垂直，可松开夹线杆螺钉3调整，然后再拧紧夹线杆螺钉3。

夹线杆2一定要固定在带线杆1的方槽内。

（二）线轮绕线

加载初时，各线轮绕线如图2-6所示。

松开画的线是为了显示出线路，实际使用时自然绷紧。

未松开画的线为封闭单路线。

线轮I有直径不同的两沟槽（用以按比例放大测矩弹簧的变形），其它各线轮为单沟槽。

绕线可用羽毛球拍线。

绘图圆筒上有大、小两个绕线沟槽，与转角线轮的直径比分别为1：

1和1：

3，根据需要选用。

（三）加油

1、蜗轮箱21内需加约20mm深的机油（只要使最下轮齿浸入油即可），以润滑轮齿。

2、往缓冲器10的液压油缸29里加油，油面离油缸口10mm左右为宜。

（四）、试样装夹

1、试样25的尺寸按图2-7加工。

2、拧开固定夹头11和转动夹头24上的封板固定螺钉22，打开