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1、材料力学(B12199)实验教学大纲一、课程基本情况：1开课基本情况材料力学课程教学计划总学时为48学时,教学计划实验学时为8学时,不是独立设课。2所属类型及服务专业材料力学是一门基础技术课,服务于机械制造及其自动化、农业机械及其自动化等国家一流建设本科专业。3本大纲修订时间：2021年4月二、实验教学目的和要求： 通过材料力学实验教学这一重要的教学环节，使学生初步认识和掌握常用材料的力学性能实验的基本知识、基本技能与基本方法。初步认识和掌握电测试验应力分析的基本原理与测试方法。加深对材料力学基本理论知识的理解与应用。三、学时分配及实验项目表本课程实验共安排4个必选实验，教学计划要求学生完成实
2、验学时数为8学时。编码实验项目名称学时数/学分每组人数实验类型必选/可选首开时间B1219901材料拉伸、压缩实验25验证必选1980B1219902材料扭转实验25验证必选1980B1219903纯弯曲正应力电测实验22综合必选1990B1219904弯扭组合主应力电测实验22综合必选1990四、实验课的考核：计分法。全部实验满分100分占材料力学课程考试总分的10%。考核标准：（1）拉伸、压缩30分，（2）扭转20分，（3）弯曲20分，(4)弯扭组合实验30分评分标准：根据考核要求将实验成绩定为各个实验成绩分值的20%，40%，60%，80%，100%五个等级。100%：考勤全勤；实验态度
3、端正；实验操作熟练规范，实验数据采集准确，数据处理正确无误，实验报告书写工整、内容完整。80%：考勤全勤；实验态度端正；实验操作规范，实验数据采集准确，数据处理基本正确，实验报告书写工整、内容完整。60%：考勤全勤；实验态度端正；实验操作基本规范，实验数据采集基本准确，数据处理基本正确，实验报告书写工整、内容完整。40%：考勤全勤；实验态度端正；实验操作基本规范，实验数据采集欠准确，数据处理存在错误，能按时完成实验报告。20%：考勤部分缺勤；实验操作欠熟练规范，实验数据欠准确，数据处理存在错误，基本能按时完成实验报告。五、实验指导（参考）书和实验报告实验一 拉伸、压缩破坏实验 拉伸试验、压缩试
4、验是研究材料力学性能的最基本试验，方法简单，数据可靠。工矿企业，研究所一般都用此类方法对材料进行出厂检验或进厂复检，用测得的s、b(0.2)、和等指标来评定材质和进行强度、刚度计算。因此，对材料进行轴向拉伸试验和压缩试验具有工程实际意义。不同材料在拉伸和压缩过程中表现出不同的力学性能和现象。低碳钢和铸铁分别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在拉伸试验中弹性、屈服、强化、和颈缩四个阶段尤为明显和清楚。低碳钢材料在压缩中的弹性阶段、屈服阶段与拉伸试验基本相同，低碳钢试样最后只能被压扁而不能被压断，无法测定其压缩强度极限。因此，一般只对低碳钢材料进行拉伸试验而不进行压缩试验。一、
5、 实验目的1、 观察分析低碳钢的拉伸过程和铸铁的拉伸、压缩过程，比较其力学性能。2、测定低碳钢的s、b、 ；测定铸铁的拉伸强度极限b 。3、测定铸铁的压缩强度极限b；4、了解材料试验机的结构原理，掌握操作方法。二、 实验设备1、 电子万能试验机。2、 液压式万能试验机。3、 XY记录仪。4、 游标卡尺。三、 拉伸和压缩试样试样的制备应按照相关的产品标准或GB/T 2975的要求切取样坯和制备试样。试验表明，所用试样的形状和尺寸，对其性能测试结果有一定影响。为了使金属材料拉伸试验的结果具有可比性与符合性，国家已制定统一标准。依据此标准，拉伸试样为比例试样，试样的横截面形状为圆形。这两种试样便于机
6、加工，也便于尺寸的测量和夹具的设计。本试验所用的拉伸试样是经机加工制成的圆形横截面的长比例试样,即L=10d。如图1所示。 铸铁压缩试样，dh03d。 图1 拉伸试件 图2- 铸铁压缩试样四、 实验原理和方法1. 低碳钢拉伸实验（1）屈服极限s及强度极限b的测定 试样加载到达屈服阶段时，低碳钢的Pl曲线呈锯齿形（图1-2）。与最高载荷对应的应力称为上屈服极限，它受变形速度和试样形状的影响，一般不作为强度指标。同样，载荷首次下降的最低点（初始瞬时效应）也不作为强度指标。一般把初始瞬时效应之后的最低载荷Ps对应的应力作为屈服极限s，以试样的初始横截面面积A0除Ps，即得屈服极限。屈服阶段过后，进入
7、强化阶段，试样又恢复了承载能力（图1-2）。载荷到达最大值Pb时，试样某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象。以试样的初始横截面面积A0除Pb，即得强度极限。图1-2 低碳钢拉伸时的Pl曲线 （2）延伸率及断面收缩率的测定 试样的标距原长为l0，拉断后将两端试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为l1，延伸率为试样拉断后，设颈缩处的最小横截面面积为A，由于断口不是规则的圆形，应在两个相互垂直的方向上量取最小截面的直径，以其平均值计算A，然后按下式计算断面收缩率:2、铸铁的拉伸实验由于铸铁在拉伸过程中没有屈服阶段，且在很不显著的变形下即断裂，故对铸铁只能测得其强度极限，即3.铸铁的压缩压缩试
8、样一般制成圆柱形，高ho与直径d之比在13 的范围内。目前常用的压缩试验方法是两端平压法。这种方法使试样的上下两端与试验机承垫板之间会产生很大的摩擦力，它们阻碍着试样上部及下部的横向变形，导致测得的抗压强度较实际偏高。当试样的高度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响就变小了，因此抗压强度与比值ho/d有关。由此可见，压缩试验是与试验条件有关的。为了在相同的试验条件下，对不同材料的抗压性能进行比较，应对ho/d的值作出规定。实践表明，此值取在13的范围内为宜。若小于l，则摩擦力的影响太大；若大于3，虽然摩擦力的影响减小，但稳定性的影响却显著增大。图2-2 铸铁压缩时的Pl曲线灰铸铁在拉伸时是属于塑
9、性很差的一种脆性材料，无屈服现象出现，其Pl曲线示意图见图6。铸铁的断裂有两个特点：一是断口为斜断口；二是压缩时的强度极限远比拉伸时为高（虚线为铸铁拉伸时的曲线），大致是拉伸时的 34倍。实验五 低碳钢和铸铁拉伸及压缩实验试验日期： 室温 小组成员 （一） 实验目的（二） 实验设备（三） 实验记录表1-1 拉伸实验试件原始尺寸材料标距L0（mm）直径 d0 (mm)横截面面积A0（mm）横截面横截面横截面(1)(2)平均(1)(2)平均(1)(2)平均低碳钢铸 铁表1-2 拉伸实验数据记录材料屈服载荷Ps（KN）最大载荷Pb（KN）拉断后标距L（mm）颈缩处直径d(mm)颈缩处横截面面积A（m
10、m2）低碳钢(1)(2)(3)(4)平均铸 铁（四）结果处理表1-3 拉伸实验计算结果材料强度指标塑性指标断口形状s(MN/m2)b(MN/m2)(%)(%)低碳钢铸铁低碳钢铸 铁（五）拉伸图 O 低碳钢 LP O 铸 铁 LP（六）问题讨论 1按照试验机上自动绘出的PL图，试就低碳钢和铸铁在拉伸时所得的机械性能进行比较和分析，认识塑性材料和脆性材料的特点，并在PL图上标明低碳钢试件在实验中看到的四个变形阶段。ob阶段为：材 料特 点bc阶段为：塑性材料ce阶段为：脆性材料ef阶段为：2低碳钢、铸铁拉伸破坏的主要原因。成 绩教师签字日 期压缩实验试验日期： 室温 小组成员 （一）实验目的（二）
11、实验设备（三）实验记录表1- 4 压缩实验试件原始尺寸材料高度h0（mm）直径 d0 (mm)横截面面积A0（mm）横截面横截面横截面(1)(2)平均(1)(2)平均(1)(2)平均铸 铁（四）结果处理表1-5 压缩实验数据和计算结果材 料屈服载荷Ps（KN）最大载荷Pb（KN）屈服极限s（MN/m2）强度极限b（MN/m2）破坏形式简图低碳钢铸 铁铸 铁（五）压缩图 O 铸 铁 LP（六）问题讨论 （1）根据拉伸和压缩两种实验结果分析铸铁的机械性能。压缩时强度极限拉伸时强度极限强度极限比值压缩与拉伸时性能特点（2）如果略去摩擦力的影响，铸铁试件应沿着与轴线约成45倾斜的截面破坏。为什么？成
12、绩教师签字日 期 实验二 扭转实验一、实验目的1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力和抗扭强度。2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度。3.绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。二、实验设备和仪器1.扭转试验机 2.游标卡尺三、实验试样按冶金部标准采用圆形截面试件，两端成六角形。如图11所示。aa 图11 扭转试件图圆形截面试样的直径，标距或，平行部分的长度为。若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试
13、样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB1012888。四、实验原理与方法1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩，低碳钢的扭转屈服应力为 （）式中：为试样在标距内的抗扭截面系数。在测出屈服扭矩后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩，低碳钢的抗扭强度为（）对上述两公式的来源说明如下：低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的图如图12所示。当达到
14、图中点时，与成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力，如能测得此时相应的外力偶矩，如图13a所示，则扭转屈服应力为 （）经过点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图2b所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图2c所示的情况，对应的扭矩为图1 低碳钢的扭转图 （a） （b） （c）图2 低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布（a）；（b）；（c）由于，因此，由上式可以得到（）无论从测矩盘上指针前进的情况，还是从自动绘图装置所绘出的曲线来看，点的位置不易精确判定，而点的位置则较为
15、明显。因此，一般均根据由点测定的来求扭转切应力。当然这种计算方法也有缺陷，只有当实际的应力分布与图2c完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料差异是比较大的。从图1可以看出，当外力偶矩超过后，扭转角增加很快，而外力偶矩增加很小，近似于一条直线。因此，可认为横截面上的切应力分布如图1-7c所示，只是切应力值比大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩，可求得抗扭强度为（）2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩（方法同2），抗扭强度为 （）由上述扭转破坏的试样可以看出：低碳钢试样的断口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成
16、角，表明破坏是由拉应力引起的。五、实验报告实验二 低碳钢和铸铁扭转实验报告试验日期： 室温 小组成员 一、实验目的二、实验设备三、试件形状简图四、实验数据表1试件几何尺寸低碳钢铸铁平均直径d0(mm)截面1平均直径d0(mm)截面122截面1截面122截面1截面122最小平均直径d0(mm)最小平均直径d0(mm)横截面积A0（mm2）横截面积A0（mm2）抗扭截面系数Wt1(mm3)抗扭截面系数Wt2(mm3)表2测定屈服和极限扭矩的实验记录材料屈服扭矩Ts（Nm）极限扭矩Tb（Nm）低碳钢铸铁五、试件扭转时主要力学性能的计算结果1低碳钢剪切屈服极限 Mpa2低碳钢剪切强度极限 Mpa3铸铁
17、剪切强度极限 Mpa成 绩教师签字日 期实验三、纯弯曲梁正应力电测实验一、 实验目的1、 电测法测定纯弯曲梁正应力分布规律。2、 验证纯弯曲梁正应力计算公式。二、 实验装置与仪器1、 纯弯曲梁实验装置。2、 数字式电阻应变仪。三、 实验装置与实验原理 1、实验装置弯曲梁试验装置如图1所示。它有弯曲梁1，定位板2，支座3，试验机架4，加载系统5，两端带万向接头的加载杆6，加载压头（包括16钢珠）7，加载横梁8，载荷传感器9和测力仪10等组成。该装置有已粘贴好应变片的钢梁（其弹性模量）用来完成纯弯曲梁正应变分布规律试验。 纯弯曲梁正应变分布规律试验 纯弯曲梁受力状态及有关尺寸见图2。 图 2 在梁
18、的纯弯曲段内已粘贴好两组应变片，每组8片，分别为18号片和1*8*号片，各片距中心层的距离在图3中已标出。当梁受力变形后，可由应变仪测出每片应变片产生的应变，这样就可得到实测的沿梁横截面高度的正应变分布规律。根据材料力学中纯弯曲梁的平面假设，沿梁横截面高度的正应变分布规律应当是直线。另外材料力学中还假设梁在纯弯曲段内是单向应力状态，为此，我们在梁的下表面粘贴有与7号片和7*号片垂直的8号片和8*号片，当梁受力变形后，可测得和，根据泊松比，可由或计算得到，若近似等于时，则证明梁纯弯曲段内近似于单向应力状态。 2、实验原理 梁的纯弯曲段内，每片应变片所处状态是单向应力状态。根据单向应力状态的虎克定
19、律： = E可以计算出梁的纯弯曲段内每片应变片所处的应力。 注：该装置只允许加4KN载荷，超载会损坏传感器。四、实验报告实验三 弯曲正应力电测实验报告试验日期 室温 小组成员 （一） 实验目的（二） 实验装置与仪器（三） 实验原理（四） 实验记录 表3-1弯曲正应力实验应变片布片位置材料弹性模量E（GPa）高度h(mm)宽度b(mm)距离a(mm)应变片至中性层的距离（mm）Y1Y2Y3Y6Y7低碳钢2104020150010102020 表3-2 弯曲正应力电测实验数据记录载荷（N）电阻应变仪应变读数Y1Y2Y3Y6Y7PPddddddddddP=1=2=3=6=7=(五) 结果处理: 表3
20、-3 弯曲电测实验应力计算结果应 变 片 号Y1Y2Y3Y6Y7应力实验值(MN/m2)应力理论值(MN/m2)误 差(%)(六) 问题讨论1、 试分析影响测试准确性的主要因素是什么？2、 温度补偿有哪两种方式？3、 在图中标出多点测量时公共补偿的接线特点。 1 2 3 4 5A 。 A 。 A 。 A 。 A 。 B 。 B 。 B 。 B 。 B 。C 。 C 。 C 。 C 。 C 。D 。 D 。 D 。 D 。 D 。成 绩教师签字日 期实验四、弯扭组合主应力电测实验一、实验目的1.电测法测定弯扭组合主应力大小和方向。2.学习电阻应变花的应用。二、实验装置与仪器1、 弯扭组合实验装置
21、。2、 数字式电阻应变仪。三、实验装置与实验原理 1、实验装置该实验装置见图1，它由薄壁管1（已粘贴好应变片），扇臂2，钢索3，传感器4，加载手轮5，座体6，数字测力仪7等组成。试验时，转动加载手轮，传感器和薄壁管均受载荷作用。传感器受载荷作用后，就有信号输给数字测力仪，此时，数字测力仪显示的数字即为作用在扇臂端的载荷值，扇臂端作用力传递至薄壁管上，薄壁管产生弯扭组合变形。薄壁管受弯扭组合变形后，粘贴其上的应变片就有应变输出，用应变仪就可以检测到。 图1薄壁管为铝合金材料，其弹性模量为，泊松比。薄壁管截面尺寸见图2（a），图2（b）为薄壁管受力简图和有关尺寸。本设备选取-截面为测试截面（试验者
22、也可以选取其它截面），并取四个被测点，位置见图2（a）所示的A、B、C、D，在每个被测点上粘贴一枚应变花（-45、0、45），如图3所示，共计12片应变片，供不同的实验选用。该实验装置逆时针为加载，顺时针为卸载，最大载荷为400N，超载会损坏薄壁管和传感器。 （a） （b） 图2图32实验方法与原理指定点主应力大小和方向的测定将-截面A、B两点的应变片R1R3，R4R6按半桥接线法接入应变仪，用公共补偿片，加载后可测得A、B、两点的应变、，已知材料的弹性常数，主应力大小和方向可用下式计算主应力大小 主应力方向 式中、分别表示与薄壁管轴线成-45、0、45方向上的应变。四、实验报告实验四、 弯扭
23、组合主应力电测实验报告试验日期： 室温 小组成员 （一） 实验目的（二） 实验装置与仪器（三） 实验原理（四） 实验记录表4-1弯扭组合实验试件原始尺寸材 料弹性模量E（GPa）泊松比外圆直径D（mm）内圆直径d（mm）扇形臂L0（mm）测点距离L（mm）700.334034200300表4-2 A、B、C、D各点组合变形实验记录载荷（N）读数应变d（）ABPP-45O+45-45O+45d=载荷（N）读数应变d（）CDPP-45O+45-45O+45d=（五）结果处理表4-3 A、B、C、D各点数据计算结果主应力值（MN/m2）实 验 值理 论 值误 差（%）2ABCDABCDABCD2（六
24、）问题讨论1二向应力状态下，主应力方向已知的情况时用 测定主应变，其布片位置沿 方向。2二向应力状态下，主应力方向未知时用 首先测量出 方向的线应变，然后按 公式，计算 的大小及方向。成 绩教师签字日 期实验项目信息卡实验项目名称：材料拉伸、压缩实验 实验项目代码：B1219901课程名称材料力学课程代码B12199实验类别基础技术实验依据教学大纲要求实验学时2实验类型验证实验专业机械农机类每组人数5实验者本科实验内容概述：通过拉伸实验（1）测定低碳钢的屈服极限、强度极限、断后伸长率和截面收缩率；（2）测定铸铁的强度极限；（3）观察低碳钢拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等），并绘出拉
25、伸曲线。通过压缩实验（1）观察比较低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象；（2）确定压缩时低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限。通过本次实验熟悉电子万能试验机和其他有关仪器的使用。本实验所需主要设备设 备 名 称规格数量/组备注专用微机控制电子万能试验机WDW31001拉伸、压缩试件8电子引伸计1共用游标卡尺0125mm1所需主要材料材 料 名 称规格数量/组定额一次性耗材低碳钢拉伸试件10L260810铸铁拉伸试件10L260810铸铁压缩试件15H30810微机用打印纸A41010非一次性耗材 注：本表是实验教学大纲的内容之一，实验室应有单独的项目卡片实验项目信息卡实验项目名称：扭转实验 实验项目
26、代码：B1219902课程名称材料力学课程代码B12199实验类别基础技术实验依据教学大纲要求实验学时2实验类型验证实验专业机械农机类每组人数5实验者本科实验内容概述：通过本次实验（1）观察比较低碳钢和铸铁在扭转过程中的变形现象及破坏形式；（2）测定低碳钢的近似剪切屈服极限和近似剪切强度极限；（3）测定铸铁的近似剪切强度极限；（4）熟悉扭转试验机和其他有关仪器的使用。本实验所需主要设备设 备 名 称规格数量/组备注专用微机控制电子扭转试验机WDT31001扭转试件 1电子扭角计共用所需主要材料材 料 名 称规格数量/组定额一次性耗材低碳钢扭转试件10L260810铸铁扭转试件10L260810
27、微机用打印纸A41010非一次性耗材 注：本表是实验教学大纲的内容之一，实验室应有单独的项目卡片实验项目信息卡实验项目名称：纯弯曲正应力电测实验 实验项目代码：B1219903课程名称材料力学课程代码B12199实验类别基础技术实验依据教学大纲要求实验学时2实验类型综合实验专业机械农机类每组人数2实验者本科实验内容概述：通过本次实验（1）测定梁纯弯曲时沿其横截面高度的正应变（正应力）分布规律；（2）验证纯弯曲梁的正应力计算公式；（3）进一步了解用电阻应变片测量应变的原理；（4）熟悉电阻应变仪的使用，进一步掌握应变片在测量电桥中的各种接线方法。本实验所需主要设备设 备 名 称规格数量/组备注专用
28、弯曲梁试件（贴好应变片）1弯曲梁实验装置WQ-51共用电阻应变仪YJ-4501A1温度补偿块1游标卡尺0125mm1所需主要材料材 料 名 称规格数量/组定额一次性耗材电阻应变片3X52020微机用打印纸A41010连接导线0.12 mm2020非一次性耗材 注：本表是实验教学大纲的内容之一，实验室应有单独的项目卡片实验项目信息卡实验项目名称：弯扭组合主应力电测实验 实验项目代码：B1219904课程名称材料力学课程代码B12199实验类别基础技术实验依据教学大纲要求实验学时2实验类型综合实验专业机械农机类每组人数2实验者本科实验内容概述：通过本次实验（1）测定平面应力状态下主应力的大小及方向，并与理论值进行比较；（2）测量弯扭组合变形杆件中分别由弯矩、剪力和扭矩所引起的应力，并确定内里分量弯矩、剪力和扭矩的实验值；（3）进一步了解用电阻应变片测量应变的原理；（4）熟悉电阻应变仪的使用，进一步掌握应变片在测量电桥中的各种接线方法。本实验所需主要设备设 备 名 称规格数量/组备注专用弯扭组合实验装置WN-051共用电阻应变仪YJ-4501A1温度补偿块1游标卡尺0125mm1所需主要材料材 料 名 称规格数量/组定额一次性耗材电阻应变花3X52020微机用打印纸A41010连接导线0.12 mm2020非一次性耗材 注：本表是实验教学大纲的内容之一，实验室应有单独的项目卡片