工程力学实验指导书(建环)
工程力学实验指导书（建环、给排水、包装工程）
2016年 9月
目录
实验一金属材料的拉伸实验 (2)
实验二金属材料的压缩实验 (5)
实验三弯曲正应力电测实验 (8)
实验一金属材料的拉伸实验
一、实验目的和要求
1、 观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的力与变形的关系。
2、测定低碳钢拉伸时的屈服极限s σ；强度极限b σ，伸长率δ和截面收缩率φ
3、测定铸铁的强度极限b σ。
4、比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸时的力学性质。
5、了解CMT 微机控制电子万能实验机的构造原理和使用方法。
二、实验装置和原理
实验仪器设备：
CMT 微机控制电子万能实验机、游标卡尺、拉伸试件。 试件制备：
实验采用的圆截面短比例试件按国家标准(GB/T 228-2002)制成，如图1-1所示。这样可以避免因试件尺寸和形状的影响而产生的差异，便于各种材料的力学性能相互比较。图中：d 0为试件直径，L 0为试件的标距，并且短比例试件要求L 0=5d 0。
图1-1
实验原理：
试件夹持在夹具上，点击试件保护键，消除夹持力，调节拉力作用线，使之能通过试件轴线，实现试件两端的轴向拉伸。
试件在开始拉伸之前，设置好保护限位圈，微机控制系统首先进入POWERTEST3.0界面。试件在拉伸过程中，POWERTEST3.0软件自动描绘出一条力与变形的关系曲线如图1—2，低碳钢在拉伸到屈服强度时，取下引伸计，试件继续拉伸，直至试件被拉断。
低碳钢试件的拉伸曲线(图1—2a)分为四个阶段―弹性、屈服、强化、颈缩四个阶段。 铸铁试件的拉伸曲线(图1—2b)比较简单，既没有明显的直线段，也没有屈服阶段，变形很小时试件就突然断裂，断口与横截面重合，断口形貌粗糙。抗拉强度σb 较低，无明显塑性变形。与电子万能实验机联机的微型电子计算机自动给出低碳钢试件的屈服载荷Fs 。、最大载荷Fb 和铸铁试件的最大载荷Fb 。
图1—2
三、实验步骤和数据处理
实验步骤：
1．测量试件的初始直径d0和初始标距长度l0：在试件标距段的两端和中间三处测量试件直径，每处直径取两个相互垂直方向的平均值，做好记录。三处直径的最小值取作试件的初始直径d0。测量低碳钢试件的初始标距长度l0。
2．依次打开实验机、计算机，按软件启动方式进入软件POWERTEST3.0界面。
4．在输入用户参数窗口选择实验方案。金属拉伸实验（引伸计）。并设置好用户参数、图形坐标、结果参数等。
5．输入试件尺寸、试件标距及相关实验参数，可以一次输入一根试件的尺寸，也可以一次输入所有试件尺寸。
6．在实验机上装夹低碳钢试件：先用上夹头卡紧试件一端，试件端头部分伸入V形夹具2/3的位置，然后提升实验机移动横梁，使试件下端缓慢插入下夹头的V形夹具中，锁紧下夹头。并设置好限位圈的位置。
7．点击主机小键盘上的试件保护键，消除夹持力。
8．在试件的实验段上安装引伸计，引伸计的接线端朝下。注意安装后须轻轻拔出引伸计定位销钉。
9．实验力清零、位移清零。
10．运行实验，软件自动切换到实验界面。
11．观察实验过程，当变形达到实验方案设置的引伸计切换点时，即低碳钢达到了屈服点，程序有提示窗口，实验进入力保持状态，取下引伸计，然后关掉提示窗口，实验继续运行，直到试件被拉断。由于实验力小于最小入口力实验机自动停机。
12．实验结束，在实验教师指导下，根据变形和力、位移和力的图形读取实验数据，并取下被拉断的试件，观察破坏断口，测量相关尺寸。
13．铸铁的拉伸实验不用使用引伸计，其他的实验步骤同低碳钢的拉伸实验相同。
14．经实验指导教师检查实验结果后，结束实验并整理实验现场。
数据处理：
取下拉断的试件测量试件断后最小直径d1和断后标距l1，由下述公式
0A Fs s =
σ ， 0A F b b =σ ， %100001?-=l l l δ ，%1000
1
?-=A A A ψ 可计算低碳钢的拉伸屈服点σs 。、抗拉强度σb 、伸长率δ，和断面收缩率ψ；铸铁的
抗拉强度σb 。
四、 实验注意事项
1．为避免损伤实验机的夹具，同时防止铸铁试件脆断飞出伤及操作者，应注意夹持试件时，横梁移动速度要慢，使试件下端缓慢插入下端的V 形夹具中，试件下端不要夹持过长，进入夹槽2/3即可，以免损坏移动横梁。
2．为保证实验顺利进行，实验时要读取正确的实验条件，严禁随意改动计算机的软件配置。
3．装夹、拆卸引伸计时，要注意插好定位销钉，到了引伸计的切换点时要注意拔出定位销钉，以免损坏引伸计。
实验二金属材料的压缩实验
一、实验目的和要求
1、测定低碳钢的压缩屈服点σs和铸铁的抗压强度σc。
2、观察铸铁材料在压缩时的变形和试件断口情况，并分析其破坏原因。
二、实验装置和原理
实验仪器设备：
CMT微机控制电子万能实验机、数显游标卡尺、压缩试件。
试件制备：
金属材料的压缩试件一般制成如图2—1所示的圆柱形。且试件不宜过长（过长容易被压弯），也不宜过于粗短（过于粗短则试件两端面受摩擦力影响的范围过大）。所以，国家标
准一般规定：
h0=(1～2) d0
式中：
h0——压缩试件的高度
d0——压缩试件的原始横截面直径
图2—1
实验原理：
实验机的下压板是个球面承垫，当试件两端稍有不平时，球面承垫可以转动而调节压力作用线，使之能通过试件轴线，实现试件两端的轴向压缩。
试件在开始压缩之前，微机控制系统首先进入POWERTEST3.0界面，试件在压缩过程中，POWERTEST3.0软件自动描绘出一条力与变形的关系曲线图。
进行低碳钢压缩实验时，为测取材料的压缩屈服点σs。，应缓慢加载，同时仔细观察F—Δl 曲线的发展情况，由直线变为曲线的拐点处所对应的载荷即为屈服载荷Fs。材料屈服之后开始强化，由于压缩变形使试件的横截面积不断增大，尽管载荷不断增大，但是，直至将试件压成饼形也不会发生断裂破坏，如图2-2所示。因此无法测量低碳钢的抗压强度Fb，压缩实验载荷—变形曲线如图2-2所示。
图2-2
图2-3
铸铁在压缩到强度极限载荷Fb 之前要产生较大的变形。试件由圆柱形被压缩成微鼓形直至破裂。铸铁破坏时，由于剪应力的作用，破坏面出现在与试件轴线约成45°～50°的斜面上。如图2-3所示。因此，可知上述破坏是由最大切应力引起的。仔细观察试件断口的表面，可以清晰地看到材料受剪切错动的痕迹。
三、实验步骤和数据处理
实验步骤：
1. 测量试件尺寸：用数显游标卡尺测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d 0的值。测量试件原始高度h 0的值一次。
2. 把试件放置在实验机球形支承座的中心位置上，设置限位保护，将限位杆上的挡圈调整到合适位置。
3．依次打开实验机主机、计算机。按软件启动方式进入软件POWERTEST3.0界面。 4．在输入用户参数窗口选择实验方案，金属压缩实验。并设置好用户参数、图形坐标、结果参数等。
5．输入试件尺寸及相关实验参数，可以一次输入一个试件的尺寸，也可以一次输入所有试件尺寸。
6．实验力清零、位移清零。通过小键盘调节横梁位置，通过肉眼观察，直到上压盘离试件上平面还有一定缝隙时停止。
7．位移清零。运行实验，软件自动切换到单图界面，观察实验过程。注意铸铁破坏时，即出现裂缝时要及时关机，否则试件会压成粉末，损坏实验机。实验结束，在实验教师指导下读取实验数据，并观察破坏的情况，比较两种不同材质的异同。
8．经实验指导教师检查实验结果后，退出实验软件，依次关闭计算机、实验机，清理实验现场。 数据处理：
由于低碳钢的压缩实验不会发生断裂破坏，因此无法测量低碳钢的抗压强度Fb ，只能根据公式计算屈服强度，即0
A Fs s =
σ。
铸铁是脆性材料，没有屈服强度只有抗压强度Fb ，即0
A F b
b =
σ。 四、 实验注意事项
1、请尽量将试件放在压盘的中心，如放偏的话对实验结果甚至是实验机都有影响。
2、请小心调节横梁，当横梁接近时用小键盘慢上慢下键调节，以免速度过快，不小心顶坏力传感器。特别小心手不要放在压盘中间，以免造成事故。
3、压缩实验在进行中，人不要正对着实验机的方向观察实验，以免发生危险。
实验三 弯曲正应力电测实验
一、 实验目的和要求
1、学习使用应变片和电阻应变仪测定静态应力的基本原理和方法。
2、测定梁在纯弯曲下的弯曲正应力及其分布规律，验证弯曲正应力公式的适用范围。
二、实验装置和原理
实验仪器设备：
微机控制DZ8008电子材料实验台、微机控制BZ8001型多功能采集仪、纯弯曲梁、电阻应变片、连接导线及钢尺。 实验装置：
本实验的测试对象为低碳钢制矩形截面简支梁，其实验装置如图3—1所示。
图4—1 纯弯曲梁
7、可调节底盘 8、压头 9、承力下梁 10、压力传杆器 11、蜗杆升降机构
1、定位标尺
2、弯曲梁
3、支座
4、加载杆
5、手轮
6、实验台后片架10
89
111
76
电阻应变仪
54
3
2
实验原理：
电测法基本原理：是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变—应力关系确定构件表面应力状态的一种应力分析实验方法。本实验的加载方式如图4—2所示。
由材料力学可知，钢梁CD 段将承受纯弯曲，其弯矩大小为
Pa M ?=
图3—2
横截面上弯曲正应力公式为
Z
I My
=
σ 式中y 为被测点到中性轴Z 的距离，I Z 为梁截面对Z 轴的惯性矩。
12
3
bh I Z =
通过组合实验台架上的加载手轮对简支梁加载，在纯弯曲段段对称于中性层每隔
4
h 一个与轴线平行的电阻应变片，应变片3粘贴在梁的中性层处。当梁受载时，应变片随梁变形而变形，由电阻应变仪测得各点处的应变值实ε，在弹性范围内，由胡克定律知应力应变关系：
实实εσE =
式中E 为钢梁的弹性模量。由弯曲应力公式Z
I My
=σ，又可算出各点应力的理论值。于是可将实测值和理论值进行比较。
实验采用增量法。每增加等量载荷ΔP ，测得各点相应的应变增量Δ实ε一次。因每次
ΔP 相同，故Δ实ε应是基本上按比例增加。
三、实验步骤和数据处理
实验步骤：
1．试件准备
测量钢梁横截面尺寸，准确地把钢梁搁在DZ8008电子材料实验台的支座上，测量两端支座到受力点段的距离，两者应严格相同。如图4—1所示。
2．仪器准备和接线
接通电阻应变仪电源，检查电阻应变仪灵敏系数K 仪，K 仪应与应变片灵敏系数K 片值一致，若不一致则须调整。本实验采用1/4桥接线法，将公共线接在A 接线柱上，其余的线按顺序都接在B 接线柱上。
3．正式实验：
打开“BZ2205C 静态应变采集分析系统”软件，先将实验机预热20分钟，串口选择设置为串口2，设置灵敏系数为2，本实验采用的是十个测点静态应变采集仪。在开始实验前，先查看设置是否正确，然后平衡、测量，开始加载测量，根据材料的许可应力和实验装置的有关尺寸，拟定实验机加载方案，用加载手轮加载，本实验以力控制，初载荷P0=0.5kN ，初载测量完成之后，要在进行一次平衡和测量，使应变值为0，然后开始正式加载，加载速度为10N/S ，每增加ΔP=0.5kN ，保载40S ，依次记录各点相应的应变值，并应随时检查每级Δε是否大致相同。最大载荷Pmax=4kN 。 数据处理：
横截面上弯曲正应力理论公式为：
Z
I My
=
σ 式中y 为被测点到中性轴Z 的距离，I Z 为梁截面对Z 轴的惯性矩。
12
3
bh I Z =
实验计算公式为：实实εσE =，式中E 为钢梁的弹性模量。于是可将实测值和理论值进行比较。
四、 实验注意事项
1、不要随便更改电阻应变仪灵敏系数K 仪与应变片灵敏系数K 片的数值。
2、只需要对初载荷P0=0.5kN 要在进行一次平衡和测量，使应变值为0，以后的每次加载完毕不需要再平衡，直接测量即可。加力的时候要注意垂直加力。