材料力学实验报告.docx
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材料力学实验报告
青岛黄海学院
实验指导书
课程名称：
材料力学
课程编码：
04115003
主撰人：
吕婧
青岛黄海学院
实验一拉、压实验1
实验二扭转实验5
实验三材料弹性模量E和泊松比µ的测定7
实验四纯弯曲梁的正应力实验11
实验一低碳钢拉伸实验
一、实验目的要求：
（一）目的
1．测定低碳钢的屈服极限σS,强度极限
、延伸率
截面收缩率
。
2．测定铸铁的强度极限
观察上述两种材料的拉伸和破坏现象,绘制拉伸时的P-
曲线。
（二）要求
1．复习讲课中有关材料拉伸时力学性能的内容;阅读本次实验内容和实设备中介绍万能试验机的构造原理、操作方法、注意事项,以及有关千分表和卡尺的使用方法。
2．预习时思考下列问题:
本次实验的内容和目的是什么?
低碳钢在拉伸过程中可分哪几个阶段,各阶段有何特征?
试验前、试验中、试验后需要测量和记录哪些数据?
使用液压式万能试验机有哪些注意事项?
二、实验设备和工具
1．万能实验
2．千分尺和游标卡尺。
3．低碳钢和铸铁圆形截面试件。
三、实验性质：
验证性实验
四、实验步骤和内容：
（一）步骤
1．取表距L=100mm.画线
2．取上,中,下三点,沿垂直方向测量直径.取平均值
3．实验机指针调零.
4．缓慢加载,读出
.
.观察屈服及颈缩现象,观察是否出现滑移线.
5．测量低碳钢断裂后标距长度
颈缩处最小直径
（二）实验内容：
1．低碳钢试件
（1）试件
实验前
实验后
初始标距
（mm）
100
断裂后标距
（mm）133.25
直径
（mm）
上
10.15
最小直径
（mm）
中
10.14
下
10.15
5.70
初始截面面积
（
）
80.70
断口处截面面积
（
）25.50
（2）计算结果
屈服荷载
=22.1KN
极限荷载
=
33.2KN
屈服极限
=
/
=273.8MPa
强度极限
=
/
=411.3MPa
延伸率
=（
-
）/
*100%=33.24%
截面收缩率
=（
-
）/
*100%=68.40%
（3）绘制低碳钢P~
曲线
2.铸铁的实验记录.
实验前
实验后
直径
（mm）
10.16
断裂后直径
（mm）
10.15
最大荷载
=14.4KN
强度极限
=
/
=177.7MPa
实验二铸铁压缩实验
一、实验目的要求：
（一）目的
1．测定铸铁的强度极限σb。
2．观察铸铁在压缩时的破坏现象。
（二）要求
1．复习讲课中有关材料压缩时力学性能的内容；阅读本次实验内容。
2．拉伸和压缩时低碳钢的屈服点是否相同?
铸铁的强度极限是否相同?
二、实验设备和工具：
1．万能试验机
2．卡尺及千分尺
3．低碳钢及铸铁试件
三、实验性质：
验证性实验
四、实验步骤和内容：
（一）步骤
1．测量试件直径。
2．选择试验机加载范围。
3．缓慢均匀加载。
（二）实验内容
实验记录
试件
低碳钢试件
铸铁试件
高度h（mm）
20
20
截面直径d0（mm）
15
15
截面面积A0（mm0
176.63
176.63
低碳钢试件屈服载荷PS=49（kN）
铸铁试件的最大载荷Pb=153（kN）
低碳钢的屈服极限σS=PS/A0=277.4（MPa）
铸铁的强度极限σb=Pb/A0=866.2（MPa）
（三）结果分析：
1．绘出两种材料的Ｐ－ΔＬ曲线。
2．绘出两种材料的变形和断口形状
五、思考题
1．低碳钢拉伸曲线可分为几个阶段?
每个阶段力和变形有什么关系?
2．低碳钢和铸铁两种材料断口有什么不同？
并分析引起破坏的原因？
3．为什么试样要采用标准试样？
4．铸铁试样在拉伸、压缩时破坏断面有何特征？
是什么应力引起的？
5．比较低碳钢拉伸和压缩的屈服极限σS。
6．比较铸铁拉伸与压缩的强度极限σS。
实验三低碳钢及铸铁的扭转实验
一、实验目的要求：
（一）目的
1．测定低碳钢和铸铁在扭转时的机械性能，求得低碳钢的剪切屈服极限τs，剪切强度极限τb,铸铁的剪切强度极限τb。
2．观察两种材料的扭转和破坏现象，分析破坏原因。
（二）要求
1．复习讲课中有关杆件扭转的内容；阅读本次实验内容和实验设备介绍中扭转试验机的构造原理、操作方法及注意事项。
2．圆杆扭转时,横截面上有什么应力？
与轴线成450的截面上有什么应力?
二、实验的设备和工具：
1．扭转实验机。
2．千分尺和卡尺。
3．低碳钢和铸铁圆形截面试件。
三、实验性质：
综合性实验
四、实验步骤和内容：
（一）步骤
1．测量试件直径。
在标距长度内测量三处，每处在两个相互垂直的方向各测量一次并取其算数平均值，采用三个数值中的最小值为计算直径d0。
2．安装试件，指针调零，调整好自动绘图装置。
3．试验时缓慢加载，观察屈服现象，记录屈服扭矩MS的数值，最大扭矩Mb的数值,观察断口形状。
（二）实验内容
1．数据记录：
试件
低碳钢
铸铁
直径d0（mm）
10
10
标距L0（mm）
100
100
抗扭截面系数Wp=πd03/16
200
200
屈服扭矩MS=（N.m）
35.5
屈服应力τS=3MS/4Wp（MPa）
177.3
破坏时的扭矩Mb=（N.m）
80.5
46.5
强度极限
低碳钢
τb=3Mb/4Wp
402.4
232.5
铸铁
τb=Mb/Wp
总扭转角φ=
单位长度扭转角θ=φ/L0（o/mm）
2．绘出两种材料的抗扭图及试件断裂后的形状。
五、思考题
1．比较低碳钢的拉伸和扭转实验，从进入塑性变形阶段到破坏的全过程，两者有什么明显的差别。
2．根据低碳钢、铸铁扭转试样的断断口形式，分析其破坏原因。
实验三弹性模量E测定实验
一、实验目的和要求：
（一）目的：
1．测定常用金属材料的弹性模量E。
2．验证胡克（Hooke）定律
（二）要求
1．复习讲课中有关材料拉伸时的内容；阅读本次实验内容和实验设备介绍中介绍力＆应变综合参数测试仪和组合实验台中拉伸装置的原理、操作方法、注意事项。
2．熟悉电桥电路及组桥方式。
二、实验性质：
验证性实验
三、实验仪器设备和工具
1．组合实验台中拉伸装置；
2．力＆应变综合参数测试仪；
3．游标卡尺、钢板尺。
四、实验原理和方法
试件采用矩形截面试件。
在试件中央截面上，沿前后两面的轴线方向分别对称的贴一对轴向应变片R1、R1′和一对横向应变片R2、R2′，以测量轴向应变ε和横向应变ε′。
由于实验装置和安装初始状态的不稳定性，拉伸曲线的初始阶段往往是非线性的。
为了尽可能减小测量误差，实验宜从一初载荷P0（P0≠0）开始，采用增量法，分级加载，分别测量在各相同载荷增量△P作用下，产生的应变增量△ε，并求出△ε的平均值。
设试件初始横截面面积为A0，又因ε=△l/l，则有
上式即为增量法测E的计算公式。
式中
—试件截面面积
—轴向应变增量的平均值
用上述板试件测E时，合理地选择组桥方式可有效地提高测试灵敏度和实验效率。
组桥采用相对桥臂测量。
将两轴向应变片分别接在电桥的相对两臂（AB、CD），两温度补偿片接在相对桥臂（BC、DA），偏心弯曲的影响可自动消除。
根据桥路原理
测量灵敏度提高2倍。
便可求得泊松比。
五、实验步骤
1．设计好本实验所需的各类数据表格。
2．测量试件尺寸。
在试件标距范围内，测量试件三个横截面尺寸，取三处横截面面积的平均值作为试件的横截面面积A0。
3．拟订加载方案。
先选取适当的初载荷P0（一般取P0=10%Pmax左右），估算Pmax（该实验载荷范围Pmax≤5000N），分4～6级加载。
4．根据加载方案，调整好实验加载装置。
5．按实验要求接好线（为提高测试精度建议采用图3－5d所示相对桥臂测量方法），调整好仪器，检查整个测试系统是否处于正常工作状态。
6．加载。
均匀缓慢加载至初载荷P0，记下各点应变的初始读数；然后
分级等增量加载，每增加一级载荷，依次记录各点电阻应变片的应变值εd和εdˊ，直到最终载荷。
实验至少重复两次。
见附表2
7．作完实验后，卸掉载荷，关闭电源，整理好所用仪器设备，清理实
验现场，将所用仪器设备复原，实验资料交指导教师检查签字。
附表1（试件相关数据）
试件
厚度h（mm）
宽度b（mm）
横截面面积A0=bh（mm2）
截面Ⅰ
20
40
800
截面Ⅱ
20
40
800
截面Ⅲ
20
40
800
平均
20
40
800
弹性模量E=210GPa
泊松比μ=0.26
附表2（实验数据）
载荷（N）
P
1000
1500
2000
2500
3000
3500
△P
500
500
500
500
500
纵向应变读数με
εd
92
142
194
248
302
360
εp
46
71
97
124
151
184
△εp
25
26
27
27
33
27.6
横向应变读数με
εdˊ
24
37.6
51.2
65.2
79.6
94
εpˊ
12
18.8
25.6
32.6
39.8
47
△εpˊ
6.8
6.8
7
7.2
7.2
△εˊ
7．0
六、实验结果处理
弹性模量计算：
226GPa
泊松比计算：
=0.254
七、思考题
1．分析纵、横向应变片粘贴不准，对测试结果的影响。
2．根据实验测得的E实、μ实值与已知E理、μ理值作对比，分析误差原因。
采用什么措施可消除偏心弯曲的影响。
实验四弯曲变形实验
一、实验目的和要求
（一）目的
1．测定梁在纯弯曲时横截面上正应力大小和分布规律
2．验证纯弯曲梁的正应力计算公式
（二）要求
1．讲课中有关弯曲应力的内容；阅读本次实验内容和实验设备中介绍实验台中纯弯曲梁实验装置。
2．熟悉电桥电路及组桥方式。
二、实验仪器设备和工具
1．实验台中纯弯曲梁实验装置
2．应变综合参数测试仪
3．游标卡尺、钢板尺
三、实验性质：
综合性实验
四、实验原理及方法
在纯弯曲条件下，根据平面假设和纵向纤维间无挤压的假设，可得到
梁横截面上任一点的正应力，计算公式为
式中M为弯矩，Iz为横截面对中性轴的惯性矩；y为所求应力点至中性轴的距离。
为了测量梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律，在梁的纯弯曲段沿梁侧面不同高度，平行于轴线贴有应变片。
实验可采用半桥单臂、公共补偿、多点测量方法。
加载采用增量法，即每增加等量的载荷△P，测出各点的应变增量△ε，然后分别取各点应变增量的平均值△ε实i，依次求出各点的应变增量
将实测应力值与理论应力值进行比较，以验证弯曲正应力公式。
五、实验步骤
1．测量矩形截面梁的宽度b和高度h、载荷作用点到梁支点距离a及各应变片到中性层的距离
。
见附表1
2．加载方案。
先选取适当的初载荷P0（一般取P0=10％Pmax左右），估算Pmax（该实验载荷范围Pmax≤4000N），分4～6级加载。
3．按实验要求接好线，调整好仪器，检查整个测试系统是否处于正常工作状态。
（1）加载。
均匀缓慢加载至初载荷P0，记下各点应变的初始读数；后分级等增量加载，每增加一级载荷，依次记录各点电阻应变片的应变值εi，直到最终载荷。
实验至少重复两次。
见附表2
（2）做完实验后，卸掉载荷，关闭电源。
附表1（试件相关数据）
应变片至性层距离（mm）
梁的尺寸和有关参数
Y1
－20
宽度b=20mm
Y2
－10
高度h=40mm
Y3
0
跨度L=600mm
Y4
10
载荷距离a=125mm
Y5
20
弹性模量E=210GPa
泊松比μ=0.26
惯性矩Iz=bh3/12=1.067×10-7m4
附表2（实验数据）
载荷
N
P
500
1000
1500
2000
2500
3000
△P
500
500
500
500
500
各
测点电阻应变仪读数
µε
1
εP
23
46
71
97
124
151
△εP
23
25
26
27
27
△ε1
26．4
2
εP
10
23
37
51
66
79
△εP
13
14
14
15
13
△ε2
13.8
3
εP
2
2
2
2
2
2
△εP
0
0
0
0
0
△ε3
0
4
εP
12
25
38
55
69
82
△εP
13
13
17
14
13
△ε4
14
5
εP
21
46
72
98
125
150
△εP
25
26
26
27
25
△ε5
25.8
六、实验结果处理
1．实验值计算
根据测得的各点应变值εi求出应变增量平均值
，代入胡克定律计算各点的实验应力值，因1µε=10-6ε，所以
各点实验应力计算：
2．理论值计算
载荷增量△P=500N
弯距增量△M=△P·a/2=31.25N·m
各点理论值计算：
3．绘出实验应力值和理论应力值的分布图
分别以横坐标轴表示各测点的应力σi实和σi理，以纵坐标轴表示各测点距梁中性层位置yi，选用合适的比例绘出应力分布图。
实验值与理论值的比较
测点
理论值σi理（MPa）
实际值σi实（MPa）
相对误差%
1
-5.858
-5.544
5.36
2
-2.929
-2.898
1.06
3
0
0
0
4
2.929
2.940
0.38
5
5.858
5.418
7.51
七、思考题
1．影响实验结果准确性的主要因素是什么？
2．弯曲正应力的大小是否受弹性模量E的影响？
3．实验时没有考虑梁的自重，会引起误差吗？
为什么？
4．梁弯曲的正应力公式并未涉及材料的弹性模量E，而实测应力值的计算却用上了弹性模量E，为什么？
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