材料力學
實驗教案
湖南文理學院
機械工程學院 徐立
2023年1月
課程名稱材料力學實驗
使用教材劉鴻文呂榮坤材料力學實驗
高等教育出版社 2007
專業班級機電07101-102 機自07101-104
授課課時機電6學時機自8學時
授課教師徐立
授課時間2023年上學期
主要參考文獻
[1]劉鴻文材料力學 [m] 北京高等教育出版社 2007
[2]賈有權材料力學實驗 [m] 北京高等教育出版社 2007
學時分配（機電）
第一講低碳鋼的拉伸實驗2學時
第二講鑄鐵的壓縮實驗2學時
第三講扭轉實驗2學時
學時分配（機自）
第一講低碳鋼、鑄鐵的拉伸實驗 4學時
第二講鑄鐵的壓縮實驗2學時
第三講扭轉實驗2學時
學生實驗須知：
1．實驗前必須預習實驗指導書中相關的內容，了解本次實驗的目的、要求及注意事項。
2．按預約實驗時間準時進入實驗室，不得無故遲到、早退、缺席。
3．進入實驗室後，不得高聲喧嘩和擅自亂動儀器裝置，損壞儀器要賠償。
4．保持實驗室整潔，不准在機器、儀器及桌面上塗寫，不准亂丟紙屑，不准隨地吐痰。
5．實驗時應嚴格遵守操作步驟和注意事項。實驗中，若遇儀器裝置發生故障，應立即向教師報告，及時檢查，排除故障後，方能繼續實驗。
6．實驗過程中，若未按操作規程操作儀器，導致儀器損壞者，將按學校有關規定進行處理。
7．實驗過程中，同組同學要相互配合，認真測取和記錄實驗資料；
8．實驗結束後，將儀器、工具清理擺正。不得將實驗室的工具、儀器、材料等物品攜帶出實驗室。
9．實驗完畢，實驗資料經教師認可後方能離開實驗室。
10．實驗報告要求字跡端正、繪圖清晰、**簡明、實驗結果正確。
第一講低碳鋼的拉伸實驗
教學目的 ：
1. 測定低碳鋼的彈性模量e、屈服極限σs、強度極限σb、延伸率δ和
斷面收縮率ψ。
2. 觀察低碳鋼拉伸過程中的彈性、屈服、強化、頸縮、斷裂等物理現象。
3. 熟悉材料實驗機和其它儀器的使用
教學過程：
1. 講解實驗原理、實驗過程，
2. 學生分組實驗
3. 試驗機準備。根據估算的最大載荷，選擇合適的示力度盤（量程）和相應的擺錘，並按相應的操作規程進行操作。
測量試件的直徑。在標距兩端及中部三個位置上，沿互相垂直的方向，測量試件直徑，以其平均值計算彈性模量，以其最小值計算強度和斷面收縮率
思考題：
1. 實驗時如何觀察低碳鋼的屈服極限？
2.測定e時為何要加初載荷p0並限制最高載荷pn？使用分級載入的目的是什麼？
3.材料相同而標距分別為5 d0和10 d0的兩種試件，其是否相同？為什麼？
第二講鑄鐵的壓縮實驗
教學目的 ：
1.觀察鑄鐵壓縮變形和破壞現象。
2. 分析其破壞原因。
3. 熟悉壓力實驗機的使用方法。
教學過程：
1.講解實驗原理、實驗過程，
2.學生分組實驗
3.測量試件的直徑和高度。測量試件兩端及中部三處的截面直徑，取三處中最小一處的平均直徑計算橫截面面積。
將試件放在試驗機活動臺球形支撐板中心處。開動試驗機，使活動臺上公升，對試件進行緩慢均勻載入。對於低碳鋼，要及時記錄其屈服載荷，超過屈服載荷後，繼續載入，將試件壓成鼓形即可停止載入。
鑄鐵試件加壓至試件破壞為止，記錄最大載荷。取出試件，將試驗機恢復原狀。觀察試件。
思考題：
（1）為何鑄鐵壓縮測不出屈服載荷？
（2）根據鑄鐵試件的壓縮破壞形式分析其破壞原因，並與拉伸作比較？
（3）通過拉伸與壓縮實驗，比較鑄鐵的強度極限在拉伸和壓縮時的差別？
第三講扭轉實驗
教學目的 ：
1．測定低碳鋼的剪下屈服極限及剪下強度極限。
2．測定鑄鐵的剪下強度極限。
3．觀察並比較低碳鋼及鑄鐵試件扭轉破壞的情況。
教學過程：
1.講解實驗原理、實驗過程，
2.學生分組實驗
3. 用游標卡尺測量試件直徑，求出抗扭截面模量wn。在試件的**和兩端共三處，每處測一對正交方向，取平均值作該處直徑，然後取三處直徑最小者，作為試件直徑d，並據此計算wn。
根據求出的wn、估計試件材料的，求出大致需要的最大載荷，確定所需的機器量程。將試件兩端裝入試驗機的夾頭內，調整好繪圖裝置，將指標對準零點，並將測角度盤調整到零。用粉筆在試件表面上畫一縱向線，以便觀察度件的扭轉變形情況。
思考題：
1．低碳鋼與鑄鐵試樣破壞等情況有何不同？為什麼。
2．根據拉伸、壓縮和扭轉三種試驗結果，綜合分析低碳鋼與鑄鐵的機械性質。
實驗一低碳鋼的拉伸實驗
一、 實驗目的
1. 測定低碳鋼的彈性模量e、屈服極限σs、強度極限σb、延伸率δ和斷面收縮率ψ。
2. 觀察低碳鋼拉伸過程中的彈性、屈服、強化、頸縮、斷裂等物理現象。
3.熟悉材料實驗機和其它儀器的使用。
二、 實驗裝置
（1） wes-100型萬能材料試驗機。
（2） 游標卡尺。
三、 試件介紹
由於試件的形狀和尺寸對實驗結果有一定的影響，為便於互相比較，應按統一規定加工成標準試件。按國家有關標準的規定，拉伸試件分為比例試件和非比例試件兩種。在試件中部，用來測量試件伸長的長度，稱為原始標距（簡稱標距）。
比例試件的標距l0與原始橫截面面積a0的關係規定為
1.1）
式中係數k的取值為5.65時為短試件，取11.3時為長試件。
對直徑為d0的圓截面試件，短試件和長試件的標距l0分別為5 d0和10 d0。非比例試件的l0和a0不受上述關係限制。本實驗採用圓截面的長試件，即l0=5 d0.
四、實驗原理及方法
常溫下的拉伸實驗可以測定材料的彈性模量e、屈服極限、強度極限、延伸率和斷面收縮率等力學效能指標，這些引數都是工程設計的重要依據。
（1）低碳鋼彈性模量e的測定
由材料力學可知，彈性模量是材料在彈性變形範圍內應力與應變的比值，即
1.2）
因為, ,所以彈性模量e又可以表示為
1.3)
式中：e—材料的彈性模量，，
p—實驗時所施加的荷載，a－以試件直徑的平均值計算的橫截面面積，
l0——引伸儀標距，試件在載荷p作用下，標距l0段的伸長量。
可見，在彈性變形範圍內，對試件作用拉力p，並量出拉力p引起的標距內伸長，即可求得彈性模量e，實驗時，拉力p值由試驗機讀數盤示出，標距l0＝50㎜（不同的引伸儀標距不同），試件橫截面面積a可算出，只要測出標距段的伸長量，就可得到彈性模量e。
在彈性變形階段內試件的變形很小，標距段的變形（伸長量）需用放大倍數為200倍的球鉸式引伸儀來測量。為檢驗荷載與變形之間的關係是否符合胡克定律，並減少測量誤差，實驗時一般用等增量法載入，即把載荷分成若干個等級，每次增加相同的載荷,逐級載入。為保證應力不超過彈性範圍，以屈服載荷的70％～80%作為測定彈性模量的最高載荷pn。
此外，為使試驗機夾緊試件，消除試驗機機構的間隙等因素的影響，對試件應施加乙個初始載荷p0（本實驗中p0＝2.0kn）。
實驗時，從p0到pn逐級載入，載荷的每級增量均為。對應每級載荷pi，記錄相應的伸長，與之差即為變形增量，它是引起的變形（伸長）增量。在逐級載入中，如果得到的基本相等，則表明與p為線性關係，符合胡克定理。
完成一次載入過程，將得到的一組資料，按平均法計算彈性模量，即
1.4)
其中，，為變形增量的平均值；200為測量變形時的放大係數。
（2）屈服極限、強度極限的測定
測定彈性模量後繼續載入使材料達到屈服階段，進入屈服階段時，載荷常2有上下波動，其中較大的載荷稱上屈服點，較小的稱下屈服點。一般用第乙個波峰的下屈服點表示材料的屈服載荷,它所對應的應力即為屈服極限。
屈服階段過後，材料進入強化階段，試件又恢復了承載能力。載荷達到最大值時,試件某一區域性的截面明顯縮小，出現「頸縮」現象。這時示力盤的從動針停留在位置，主動針迅速倒退，表明荷載迅速下降，試件即將被拉斷。
這時從動針所示的載荷即為破壞載荷，所對應的應力叫強度極限。
（3）延伸率和斷面收縮率的測定
試件的原始標距為（本實驗取50㎜），拉斷後將兩段試件緊密對接在一起，量出拉斷後的標距長，延伸率應為
1.5）
式中 —試件原始標距，為50㎜，—試件拉斷後標距長度。
對於塑性材料，斷裂前變形集中在緊縮處，該部分變形最大，距離斷口位置越遠，變形越小，即斷裂位置對延伸率是有影響的。為了便於比較，規定斷口在標距**三分之一範圍內測出的延伸率為測量標準。如斷口不在此範圍內，則需進行折算，也稱斷口移中。
具體方法如下：以斷口o為起點，在長度上取基本等於短段格數得到b點，當長段所剩格數為偶數時（見圖1.1a），則由所剩格數的一半得到c點，取bc段長度將其移至短段邊，則得斷口移中得標距長，其計算式為
如果長段取b點後所剩格數為奇數（見圖1.1b），則取所剩格數加一格之半得c1點和減一格之半得c點，移中後標距長為
將計算所得的代入式中，可求得折算後的延伸率。
為了測定低碳鋼的斷面收縮率，試件拉斷後，在斷口處兩端沿互相垂直的方向各測一次直徑，取平均值計算斷口處橫截面面積，再按下式計算面積收縮率
1.6）
材料力學實驗指導書
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