《材料力學B》(B12003)實驗教學大綱一、課程基本情況：1．開課基本情況《材料力學B》課程教學計劃總學時為64學時,教學計劃實驗學時為8學時,不是獨立設課。2．所屬類型及服務專業《材料力學B》是一門基礎技術課,服務于土木工程、車輛工程、能源與動力工程、農業機械及其自動化等國家一流建設本科專業。3．本大綱修訂時間：2021年4月二、實驗教學目的和要求：通過材料力學實驗教學這一重要的教學環節，使學生初步認識和掌握常用材料的力學性能實驗的基本知識、基本技能與基本方法。初步認識和掌握電測試驗應力分析的基本原理與測試方法。加深對材料力學基本理論知識的理解與應用。三、學時分配及實驗項目表本課程實驗共安排4個必選實驗，教學計劃要求學生完成實驗學時數為8學時。編碼實驗項目名稱學時數/學分每組人數實驗類型必選/可選首開時間B1200301材料拉伸、壓縮實驗25驗證必選1980B1200302材料扭轉實驗25驗證必選1980B1200303純彎曲正應力電測實驗22綜合必選1990B1200304彎扭組合主應力電測實驗22綜合必選1990四、實驗課的考核：計分法。全部實驗滿分100分占材料力學課程考試總分的10%。考核標準：（1）拉伸、壓縮30分，（2）扭轉20分，（3）彎曲20分，(4)彎扭組合實驗30分評分標準：根據考核要求將實驗成績定為各個實驗成績分值的20%，40%，60%，80%，100%五個等級。100%：考勤全勤；實驗態度端正；實驗操作熟練規范，實驗數據采集準確，數據處理正確無誤，實驗報告書寫工整、內容完整。80%：考勤全勤；實驗態度端正；實驗操作規范，實驗數據采集準確，數據處理基本正確，實驗報告書寫工整、內容完整。60%：考勤全勤；實驗態度端正；實驗操作基本規范，實驗數據采集基本準確，數據處理基本正確，實驗報告書寫工整、內容完整。40%：考勤全勤；實驗態度端正；實驗操作基本規范，實驗數據采集欠準確，數據處理存在錯誤，能按時完成實驗報告。20%：考勤部分缺勤；實驗操作欠熟練規范，實驗數據欠準確，數據處理存在錯誤，基本能按時完成實驗報告。五、實驗指導（參考）書和實驗報告實驗一拉伸、壓縮破壞實驗拉伸試驗、壓縮試驗是研究材料力學性能的最基本試驗，方法簡單，數據可靠。工礦企業，研究所一般都用此類方法對材料進行出廠檢驗或進廠復檢，用測得的σs、σb(σ0.2)、δ和Ψ等指標來評定材質和進行強度、剛度計算。因此，對材料進行軸向拉伸試驗和壓縮試驗具有工程實際意義。不同材料在拉伸和壓縮過程中表現出不同的力學性能和現象。低碳鋼和鑄鐵分別是典型的塑性材料和脆性材料。低碳鋼材料具有良好的塑性，在拉伸試驗中彈性、屈服、強化、和頸縮四個階段尤為明顯和清楚。低碳鋼材料在壓縮中的彈性階段、屈服階段與拉伸試驗基本相同，低碳鋼試樣最后只能被壓扁而不能被壓斷，無法測定其壓縮強度極限。因此，一般只對低碳鋼材料進行拉伸試驗而不進行壓縮試驗。實驗目的觀察分析低碳鋼的拉伸過程和鑄鐵的拉伸、壓縮過程，比較其力學性能。2、測定低碳鋼的σs、σb、δ、Ψ；測定鑄鐵的拉伸強度極限σb。3、測定鑄鐵的壓縮強度極限σb；4、了解材料試驗機的結構原理，掌握操作方法。實驗設備電子萬能試驗機。液壓式萬能試驗機。X—Y記錄儀。游標卡尺。拉伸和壓縮試樣試樣的制備應按照相關的產品標準或GB/T2975的要求切取樣坯和制備試樣。試驗表明，所用試樣的形狀和尺寸，對其性能測試結果有一定影響。為了使金屬材料拉伸試驗的結果具有可比性與符合性，國家已制定統一標準。依據此標準，拉伸試樣為比例試樣，試樣的橫截面形狀為圓形。這兩種試樣便于機加工，也便于尺寸的測量和夾具的設計。本試驗所用的拉伸試樣是經機加工制成的圓形橫截面的長比例試樣,即L=10d。如圖1所示。鑄鐵壓縮試樣，d≤h0≤3d。 圖1

拉伸試件圖2-鑄鐵壓縮試樣實驗原理和方法1.低碳鋼拉伸實驗（1）屈服極限σs及強度極限σb的測定試樣加載到達屈服階段時，低碳鋼的P－Δl曲線呈鋸齒形（圖1-2）。與最高載荷對應的應力稱為上屈服極限，它受變形速度和試樣形狀的影響，一般不作為強度指標。同樣，載荷首次下降的最低點（初始瞬時效應）也不作為強度指標。一般把初始瞬時效應之后的最低載荷Ps對應的應力作為屈服極限σs，以試樣的初始橫截面面積A0除Ps，即得屈服極限。屈服階段過后，進入強化階段，試樣又恢復了承載能力（圖1-2）。載荷到達最大值Pb時，試樣某一局部的截面明顯縮小，出現“頸縮”現象。以試樣的初始橫截面面積A0除Pb，即得強度極限。圖1-2低碳鋼拉伸時的P－Δl曲線（2）延伸率δ及斷面收縮率ψ的測定試樣的標距原長為l0，拉斷后將兩端試樣緊密地對接在一起，量出拉斷后的標距長為l1，延伸率為試樣拉斷后，設頸縮處的最小橫截面面積為A，由于斷口不是規則的圓形，應在兩個相互垂直的方向上量取最小截面的直徑，以其平均值計算A，然后按下式計算斷面收縮率:2、鑄鐵的拉伸實驗由于鑄鐵在拉伸過程中沒有屈服階段，且在很不顯著的變形下即斷裂，故對鑄鐵只能測得其強度極限，即3.鑄鐵的壓縮壓縮試樣一般制成圓柱形，高ho與直徑d之比在1～3的范圍內。目前常用的壓縮試驗方法是兩端平壓法。這種方法使試樣的上下兩端與試驗機承墊板之間會產生很大的摩擦力，它們阻礙著試樣上部及下部的橫向變形，導致測得的抗壓強度較實際偏高。當試樣的高度相對增加時，摩擦力對試樣中部的影響就變小了，因此抗壓強度與比值ho/d有關。由此可見，壓縮試驗是與試驗條件有關的。為了在相同的試驗條件下，對不同材料的抗壓性能進行比較，應對ho/d的值作出規定。實踐表明，此值取在1～3的范圍內為宜。若小于l，則摩擦力的影響太大；若大于3，雖然摩擦力的影響減小，但穩定性的影響卻顯著增大。圖2-2鑄鐵壓縮時的P－Δl曲線灰鑄鐵在拉伸時是屬于塑性很差的一種脆性材料，無屈服現象出現，其P－Δl曲線示意圖見圖6。鑄鐵的斷裂有兩個特點：一是斷口為斜斷口；二是壓縮時的強度極限遠比拉伸時為高（虛線為鑄鐵拉伸時的曲線），大致是拉伸時的3—4倍。實驗五低碳鋼和鑄鐵拉伸及壓縮實驗試驗日期：室溫小組成員實驗目的實驗設備（三）實驗記錄表1-1拉伸實驗試件原始尺寸材料標距L0（mm）直徑d0(mm)橫截面面積A0（mm）橫截面Ⅰ橫截面Ⅱ橫截面Ⅲ(1)(2)(1)(2)(1)(2)低碳鋼鑄鐵表1-2拉伸實驗數據記錄低碳鋼(1)(2)(3)(4)鑄鐵（四）結果處理表1-3拉伸實驗計算結果材料強度指標塑性指標斷口形狀σs(MN/m2)σb(MN/m2)(δ%)(ψ%)低碳鋼鑄鐵低碳鋼鑄鐵（五）拉伸圖OO低碳鋼△LPO鑄鐵△LP（六）問題討論1．按照試驗機上自動繪出的P—△L圖，試就低碳鋼和鑄鐵在拉伸時所得的機械性能進行比較和分析，認識塑性材料和脆性材料的特點，并在P—△L圖上標明低碳鋼試件在實驗中看到的四個變形階段。ob階段為：材料特點bc階段為：塑性材料ce階段為：脆性材料ef階段為：2．低碳鋼、鑄鐵拉伸破壞的主要原因。成績教師簽字日期壓縮實驗試驗日期：室溫小組成員（一）實驗目的（二）實驗設備（三）實驗記錄表1-4壓縮實驗試件原始尺寸材料高度h0（mm）直徑d0(mm)橫截面面積A0（mm）橫截面Ⅰ橫截面Ⅱ橫截面Ⅲ(1)(2)(1)(2)(1)(2)鑄鐵（四）結果處理表1-5壓縮實驗數據和計算結果材料屈服載荷Ps（KN）最大載荷Pb（KN）屈服極限σs（MN/m2）強度極限σb（MN/m2）破壞形式簡圖低碳鋼鑄鐵鑄鐵（五）壓縮圖O鑄鐵△LP（六）問題討論（1）根據拉伸和壓縮兩種實驗結果分析鑄鐵的機械性能。壓縮時強度極限拉伸時強度極限強度極限比值壓縮與拉伸時性能特點（2）如果略去摩擦力的影響，鑄鐵試件應沿著與軸線約成45°傾斜的截面破壞。為什么？成績教師簽字日期實驗二扭轉實驗一、實驗目的1.測定低碳鋼扭轉時的強度性能指標：扭轉屈服應力和抗扭強度。2.測定灰鑄鐵扭轉時的強度性能指標：抗扭強度。3.繪制低碳鋼和灰鑄鐵的扭轉圖，比較低碳鋼和灰鑄鐵的扭轉破壞形式。二、實驗設備和儀器1.扭轉試驗機2.游標卡尺三、實驗試樣按冶金部標準采用圓形截面試件，兩端成六角形。如圖11所示。aaaa圖11扭轉試件圖圓形截面試樣的直徑，標距或，平行部分的長度為。若采用其它直徑的試樣，其平行部分的長度應為標距加上兩倍直徑。試樣頭部的形狀和尺寸應適合扭轉試驗機的夾頭夾持。由于扭轉試驗時，試樣表面的切應力最大，試樣表面的缺陷將敏感地影響試驗結果，所以，對扭轉試樣的表面粗糙度的要求要比拉伸試樣的高。對扭轉試樣的加工技術要求參見國家標準GB10128—88。四、實驗原理與方法1.測定低碳鋼扭轉時的強度性能指標試樣在外力偶矩的作用下，其上任意一點處于純剪切應力狀態。隨著外力偶矩的增加，測矩盤上的指針會出現停頓，這時指針所指示的外力偶矩的數值即為屈服力偶矩，低碳鋼的扭轉屈服應力為（１）式中：為試樣在標距內的抗扭截面系數。在測出屈服扭矩后，改用電動加載，直到試樣被扭斷為止。測矩盤上的從動指針所指示的外力偶矩數值即為最大力偶矩，低碳鋼的抗扭強度為（２）對上述兩公式的來源說明如下：低碳鋼試樣在扭轉變形過程中，利用扭轉試驗機上的自動繪圖裝置繪出的圖如圖12所示。當達到圖中點時，與成正比的關系開始破壞，這時，試樣表面處的切應力達到了材料的扭轉屈服應力，如能測得此時相應的外力偶矩，如圖13a所示，則扭轉屈服應力為（３）經過點后，橫截面上出現了一個環狀的塑性區，如圖2b所示。若材料的塑性很好，且當塑性區擴展到接近中心時，橫截面周邊上各點的切應力仍未超過扭轉屈服應力，此時的切應力分布可簡化成圖2c所示的情況，對應的扭矩為圖1低碳鋼的扭轉圖（a）（b）（c）圖2低碳鋼圓柱形試樣扭轉時橫截面上的切應力分布（a）；（b）；（c）由于，因此，由上式可以得到（４）無論從測矩盤上指針前進的情況，還是從自動繪圖裝置所繪出的曲線來看，點的位置不易精確判定，而點的位置則較為明顯。因此，一般均根據由點測定的來求扭轉切應力。當然這種計算方法也有缺陷，只有當實際的應力分布與圖2c完全相符合時才是正確的，對塑性較小的材料差異是比較大的。從圖1可以看出，當外力偶矩超過后，扭轉角增加很快，而外力偶矩增加很小，近似于一條直線。因此，可認為橫截面上的切應力分布如圖1-7c所示，只是切應力值比大。根據測定的試樣在斷裂時的外力偶矩，可求得抗扭強度為（５）2.測定灰鑄鐵扭轉時的強度性能指標對于灰鑄鐵試樣，只需測出其承受的最大外力偶矩（方法同2），抗扭強度為（６）由上述扭轉破壞的試樣可以看出：低碳鋼試樣的斷口與軸線垂直，表明破壞是由切應力引起的；而灰鑄鐵試樣的斷口則沿螺旋線方向與軸線約成角，表明破壞是由拉應力引起的。五、實驗報告實驗二低碳鋼和鑄鐵扭轉實驗報告試驗日期：室溫小組成員一、實驗目的二、實驗設備三、試件形狀簡圖四、實驗數據 表1試件幾何尺寸低碳鋼鑄鐵平均直徑d0(mm)截面Ⅰ1平均直徑d0(mm)截面Ⅰ122截面Ⅱ1截面Ⅱ122截面Ⅲ1截面Ⅲ122最小平均直徑d0(mm)最小平均直徑d0(mm)橫截面積A0（mm2）橫截面積A0（mm2）抗扭截面系數Wt1(mm3)抗扭截面系數Wt2(mm3)表2測定屈服和極限扭矩的實驗記錄材料屈服扭矩Ts（N·m）極限扭矩Tb（N·m）低碳鋼鑄鐵∕五、試件扭轉時主要力學性能的計算結果1．低碳鋼剪切屈服極限＝＝Mpa2．低碳鋼剪切強度極限＝＝Mpa3．鑄鐵剪切強度極限＝＝Mpa成績教師簽字日期實驗三、純彎曲梁正應力電測實驗實驗目的電測法測定純彎曲梁正應力分布規律。驗證純彎曲梁正應力計算公式。實驗裝置與儀器純彎曲梁實驗裝置。數字式電阻應變儀。實驗裝置與實驗原理1、實驗裝置彎曲梁試驗裝置如圖1所示。它有彎曲梁1，定位板2，支座3，試驗機架4，加載系統5，兩端帶萬向接頭的加載桿6，加載壓頭（包括16鋼珠）7，加載橫梁8，載荷傳感器9和測力儀10等組成。該裝置有已粘貼好應變片的鋼梁（其彈性模量）用來完成純彎曲梁正應變分布規律試驗。純彎曲梁正應變分布規律試驗純彎曲梁受力狀態及有關尺寸見圖2。圖2在梁的純彎曲段內已粘貼好兩組應變片，每組8片，分別為1～8號片和1*～8*號片，各片距中心層的距離在圖3中已標出。當梁受力變形后，可由應變儀測出每片應變片產生的應變，這樣就可得到實測的沿梁橫截面高度的正應變分布規律。根據材料力學中純彎曲梁的平面假設，沿梁橫截面高度的正應變分布規律應當是直線。另外材料力學中還假設梁在純彎曲段內是單向應力狀態，為此，我們在梁的下表面粘貼有與7號片和7*號片垂直的8號片和8*號片，當梁受力變形后，可測得和，根據泊松比，可由或計算得到，若近似等于時，則證明梁純彎曲段內近似于單向應力狀態。2、實驗原理梁的純彎曲段內，每片應變片所處狀態是單向應力狀態。根據單向應力狀態的虎克定律：σ=Eε可以計算出梁的純彎曲段內每片應變片所處的應力。注：該裝置只允許加4KN載荷，超載會損壞傳感器。四、實驗報告實驗三彎曲正應力電測實驗報告試驗日期室溫小組成員實驗目的實驗裝置與儀器實驗原理實驗記錄表3-1彎曲正應力實驗應變片布片位置材料彈性模量E（GPa）高度h(mm)寬度b(mm)距離a(mm)應變片至中性層的距離（mm）Y1Y2Y3Y6Y7低碳鋼表3-2彎曲正應力電測實驗數據記錄載荷（N）電阻應變儀應變讀數Y1Y2Y3Y6Y7P△Pεd△εdεd△εdεd△εdεd△εdεd△εd△P=△ε1=△ε2=△ε3=△ε6=△ε7=(五)結果處理:表3-3彎曲電測實驗應力計算結果應變片號Y1Y2Y3Y6Y7應力實驗值(MN/m2)應力理論值(MN/m2)誤差(%)(六)問題討論試分析影響測試準確性的主要因素是什么？溫度補償有哪兩種方式？在圖中標出多點測量時公共補償的接線特點。12345A。A。A。A。A。B。B。B。B。B。C。C。C。C。C。D。D。D。D。D。成績教師簽字日期實驗四、彎扭組合主應力電測實驗一、實驗目的1.電測法測定彎扭組合主應力大小和方向。2.學習電阻應變花的應用。。二、實驗裝置與儀器彎扭組合實驗裝置。數字式電阻應變儀。三、實驗裝置與實驗原理1、實驗裝置該實驗裝置見圖1，它由薄壁管1（已粘貼好應變片），扇臂2，鋼索3，傳感器4，加載手輪5，座體6，數字測力儀7等組成。試驗時，轉動加載手輪，傳感器和薄壁管均受載荷作用。傳感器受載荷作用后，就有信號輸給數字測力儀，此時，數字測力儀顯示的數字即為作用在扇臂端的載荷值，扇臂端作用力傳遞至薄壁管上，薄壁管產生彎扭組合變形。薄壁管受彎扭組合變形后，粘貼其上的應變片就有應變輸出，用應變儀就可以檢測到。圖1薄壁管為鋁合金材料，其彈性模量為，泊松比。薄壁管截面尺寸見圖2（a），圖2（b）為薄壁管受力簡圖和有關尺寸。本設備選取Ⅰ-Ⅰ截面為測試截面（試驗者也可以選取其它截面），并取四個被測點，位置見圖2（a）所示的A、B、C、D，在每個被測點上粘貼一枚應變花（-45°、0°、45°），如圖3所示，共計12片應變片，供不同的實驗選用。該實驗裝置逆時針為加載，順時針為卸載，最大載荷為400N，超載會損壞薄壁管和傳感器。（a）（b）圖2圖32．實驗方法與原理 指定點主應力大小和方向的測定將Ⅰ-Ⅰ截面A、B兩點的應變片R1～R3，R4～R6按半橋接線法接入應變儀，用公共補償片，加載后可測得A、B、兩點的應變、、，已知材料的彈性常數，主應力大小和方向可用下式計算主應力大小主應力方向式中、、分別表示與薄壁管軸線成-45°、0°、45°方向上的應變。四、實驗報告實驗四、彎扭組合主應力電測實驗報告試驗日期：室溫小組成員實驗目的實驗裝置與儀器實驗原理實驗記錄表4-1彎扭組合實驗試件原始尺寸材料彈性模量E（GPa）泊松比μ外圓直徑D（mm）內圓直徑d（mm）扇形臂L0（mm）測點距離L（mm）700.334034200300表4-2A、B、C、D各點組合變形實驗記錄載荷（N）讀數應變εd（με）ABP△Pε-45°εO°ε+45°ε-45°εO°ε+45°△εd=載荷（N）讀數應變εd（με）CDP△Pε-45°εO°ε+45°ε-45°εO°ε+45°△εd=（五）結果處理表4-3A、B、C、D各點數據計算結果主應力值（MN/m2）實驗值理論值誤差（%）σ2ABCDABCDABCDσ2φ（六）問題討論1．二向應力狀態下，主應力方向已知的情況時用測定主應變，其布片位置沿方向。2．二向應力狀態下，主應力方向未知時用首先測量出方向的線應變，然后按公式，計算的大小及方向。成績教師簽字日期實驗項目信息卡實驗項目名稱：材料拉伸、壓縮實驗實驗項目代碼：B1200301課程名稱材料力學B課程代碼B12003實驗類別基礎技術實驗依據教學大綱要求實驗學時2實驗類型驗證實驗專業車輛、能動、農機類每組人數5實驗者本科實驗內容概述：通過拉伸實驗（1）測定低碳鋼的屈服極限、強度極限、斷后伸長率和截面收縮率；（2）測定鑄鐵的強度極限；（3）觀察低碳鋼拉伸過程中的各種現象（包括屈服、強化和頸縮等），并繪出拉伸曲線。通過壓縮實驗（1）觀察比較低碳鋼和鑄鐵壓縮時的變形和破壞現象；（2）確定壓縮時低碳鋼的屈服極限和鑄鐵的強度極限。通過本次實驗熟悉電子萬能試驗機和其他有關儀器的使用。本實驗所需主要設備設備名稱規格數量/組備注專用微機控制電子萬能試驗機WDW31001拉伸、壓縮試件8電子引伸計1共用游標卡尺0—125mm1所需主要材料材料名稱規格數量/組定額一次性耗材低碳鋼拉伸試件￠10～L260810鑄鐵拉伸試件￠10～L260810鑄鐵壓縮試件￠15～H30810微機用打印紙A41010非一次性耗材填表人：華珍審核人：周繼磊注：本表是實驗教學大綱的內容之一，實驗室應有單獨的項目卡片實驗項目信息卡實驗項目名稱：扭轉實驗實驗項目代碼：B1200302課程名稱材料力學B課程代碼B12003實驗類別基礎技術實驗依據教學大綱要求實驗學時2實驗類型驗證實驗專業車輛、能動、農機類每組人數5實驗者本科實驗內容概述：通過本次實驗（1）觀察比較低碳鋼和鑄鐵在扭轉過程中的變形現象及破壞形式；（2）測定低碳鋼的近似剪切屈服極限和近似剪切強度極限；（3）測定鑄鐵的近似剪切強度極限；（4）熟悉扭轉試驗機和其他有關儀器的使用。本實驗所需主要設備設備名稱規格數量/組備注專用微機控制電子扭轉試驗機WDT31001扭轉試件1電子扭角計共用所需主要材料材料名稱規格數量/組定額一次性耗材低碳鋼扭轉試件￠10～L260810鑄鐵扭轉試件￠10～L260810微機用打印紙A41010非一次性耗材