材料力学实验讲义
启航教育材料力学讲义2023
启航教育材料力学讲义2023第一章引言材料力学是研究材料力学性能及其变形、破裂规律的一门学科。
材料力学的研究对象是各种不同材料的力学行为以及力学性能的变化规律。
本讲义旨在介绍材料力学的基本概念和重要原理，为学习者提供一个全面的材料力学知识体系。
第二章力学基础2.1 力的概念和表示力是物体之间相互作用的结果，是引起物体产生加速度的原因。
力的表示通常使用矢量表示，包括大小、方向和作用点。
2.2 力的合成与分解多个力可以合成为一个力，也可以分解为多个力。
合成力和分解力的原理是力的矢量性质。
2.3 牛顿定律牛顿第一定律：物体静止或匀速直线运动时，受力合力为零。
牛顿第二定律：物体的加速度与作用在物体上的合外力成正比，与物体的质量成反比。
牛顿第三定律：任何两个物体之间的相互作用力大小相等、方向相反。
第三章应力和应变3.1 应力的概念应力是物体单位面积上的内力。
根据作用面的不同，可分为正应力、剪应力和体积应力。
3.2 应变的概念应变是物体在受力作用下发生形变的程度。
根据形变方式的不同，可分为线性应变、剪应变和体积应变。
3.3 弹性模量弹性模量是衡量材料抵抗形变的能力，常用的弹性模量有杨氏模量、剪切模量和泊松比。
第四章杨氏模量和杨氏定律4.1 杨氏模量的概念杨氏模量是衡量材料抵抗线性形变的能力，是应力和应变之间的比值。
4.2 杨氏定律杨氏定律描述了材料在弹性变形时的应力和应变之间的关系，即应力与应变成正比。
第五章剪切应力和剪切变形5.1 剪切应力和剪切变形的概念剪切应力是垂直于剪切面的切向力与切面积之比，剪切变形是物体在受剪切力作用下的形变。
5.2 剪切弹性模量和剪切变形角剪切弹性模量是衡量材料抵抗剪切形变的能力，剪切变形角是剪切变形引起的角度变化。
第六章泊松比和体积应力6.1 泊松比的概念泊松比是衡量材料在受力作用下沿一个方向的收缩程度与另一个方向的伸长程度之比。
6.2 体积应力的概念体积应力是物体在受力作用下发生体积变化的应力。
材料力学实验讲义
金属材料的拉伸、压缩实验指导书张雅琴编北京化工大学目录实验一金属材料的拉伸实验实验二金属材料的压缩实验实验一金属材料的拉伸实验金属材料的拉伸实验是研究金属材料力学性能的最基本的实验。
方法简单，数据可靠，一些工矿企业、研究所一般都用此类方法对金属材料进行出厂检验或进厂复检，用测得的各项指标来评定材质和进行强度、刚度计算。
因此，对金属材料进行轴向拉伸实验具有工程实际意义。
不同材料在轴向拉伸过程中会表现出不同的力学性质和现象。
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，在拉伸实验中的弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段尤为明显和清楚。
铸铁材料受拉时处于脆性状态，其破坏是由拉应力拉断。
金属材料拉伸实验是指在室温条件下，将缓慢施加的单向拉伸载荷作用于表面光滑的拉伸试件上，来测定材料力学拉伸性能的方法。
最常用拉伸试件的形状和尺寸如图1-1所示。
(a)(b)图1-1(a) 圆形试样(b) 矩形试样若采用光滑圆柱试件，试件的标矩长度L0比直径d要大的多;通常L>5d,以使试件横截面上的应力均匀地分布,实现轴向均匀加载.试件做成圆柱形是便于测量径向应变,试件的加工也比较简单。
当测量板材拉伸性能和带材的拉伸性能时,也可以采用板状试件，如图1-1(b)所示。
但试件的标矩长度L0应满足下列关系：L=5.65A或11.3 A；其中A为试件的初始横截面积。
上式中的规定对应于圆柱试件中的L0=5d，L=10 d。
拉伸试件的几何形状，尺寸及允许的加工误差，在国家标准GB228—2002中作了相应的规定。
金属材料拉伸实验是材料的力学性能实验中最基本最重要的实验,是工程上广泛使用的测定力学性能的方法之一。
一、实验目的1．测定低碳钢试件的抗拉屈服极限R s；2．测定低碳钢试件的抗拉强度极限R b；3．测定低碳钢试件的延伸率A；4．测定低碳钢试件的截面收缩率Z；5．测定铸铁试件的抗拉强度极限R b；6．观察和比较塑性材料和脆性材料的破坏过程和破坏特征、力学现象；7．熟悉电子万能材料试验机的操作和游标卡尺的使用；8．了解电子万能材料试验机的结构及工作原理,熟悉操作规程及正确使用方法；9．比较低碳钢和铸铁的机械性能特点并分析断口形状；二、实验设备1．电子万能材料试验机；图1-2 电子万能试验机系统2．游标卡尺；3．拉伸试样, L0=10 d,将L十等分,用划线机刻划圆轴等分线,或用打点机打上等分点；4．打印机；三、拉伸试样的制备金属材料的机械性质的屈服应力R s、强度应力R b、延伸率A和截面收缩率Z是由拉伸实验来决定的。
启航教育2024材料力学讲义
序言1. 介绍材料力学的重要性和应用材料力学是研究物质的力学性质和应用的学科，广泛应用于工程领域，例如航空航天、汽车制造、建筑结构等，对理解材料的性能和设计新材料具有重要意义。
2. 启航教育2024材料力学讲义的背景和目的启航教育2024材料力学讲义旨在帮助学生深入理解材料力学的基本理论和应用知识，为他们在工程实践中提供有力的支持。
3. 讲义的编写者和参与者启航教育2024材料力学讲义由资深教授和工程师共同编写和参与，他们具有丰富的教学和实践经验，能够提供权威、全面的教学内容。
第一章：力学基础1.1 力学的基本概念和原理引力、浮力、摩擦力等力学基本概念的介绍，牛顿定律的来源和应用。
1.2 力的平衡和分解力的平衡条件以及力的分解原理，为后续材料力学知识的理解打下基础。
第二章：静力学2.1 轴力分析杆件的轴力分析方法及公式推导，包括应力、应变的计算和应用。
2.2 弯曲分析材料的弯曲原理及相关公式推导，弯曲应力的计算和应用。
2.3 扭转分析圆柱体的扭转原理及相关公式推导，扭转应力的计算和应用。
2.4 综合静力学案例分析将轴力分析、弯曲分析、扭转分析综合运用到实际案例中，帮助学生了解静力学的实际应用。
第三章：动力学3.1 运动学基础物体的直线运动和曲线运动的相关知识介绍，包括速度、加速度等。
3.2 动力学基础牛顿第二定律的推导及应用，动量和能量守恒定律的介绍。
第四章：材料性能分析4.1 弹性力学弹性模量、泊松比等材料弹性性能参数的计算和应用。
4.2 塑性力学材料的屈服和塑性变形原理及相关公式计算。
4.3 破坏力学材料的破坏原理和疲劳寿命分析等。
第五章：应用案例分析5.1 结构设计案例对不同结构材料进行力学分析，包括桥梁、建筑和机械零部件等。
5.2 材料选型案例根据实际工程需求，选择合适的材料并进行力学性能分析，为工程实践提供支持。
结语启航教育2024材料力学讲义通过系统、全面地介绍了材料力学的基本理论和实际应用知识，为学生提供了一本权威、全面的教学资料。
材料力学 实验讲义
实验一电测法基本原理及贴片实验一、实验目的1、了解电测法的基本原理；2、了解应变片的基本构造和特点；3、学习应变片的粘贴方法；二、实验设备与仪器1、耗材：应变片、接线端子、砂纸、丙酮、棉球、502胶水、聚氯乙烯薄膜、焊锡及焊锡膏、牙签、铜芯导线、橡皮膏、硅橡胶（703或704或705）；2、工具：数字万用表、剥线钳、剪刀、镊子、直尺、刻刀、焊枪；3、硬铝拉伸试样；三、电测法基本原理和应变片的粘贴及检验方法1）电测法基本原理：电测法是以电阻应变片为传感器，通过测量应变片电阻的改变量来确定构件应变，并进一步利用胡克定律或广义胡克定律确定相应的应力的实验方法。
图一电阻应变片的结构示图试验时，将应变片粘贴在构件表面需测应变的部位，并使应变片的纵向沿需测应变的方向。
当构件该处沿应变片纵向发生正应变时，应变片也产生同样的变形，这时，敏感栅的电阻由初始值R变为R+ΔR。
在一定范围内，敏感栅的电阻变化率ΔR/R与正应变ε成正比，即：Rk R ε∆=(1) 上式中，比例常数k为应变片的灵敏系数。
故只要测出敏感栅的电阻变化率，即可确定相应的应变。
构件的应变值一般都很小，相应的应变片的电阻变化率也很小，需要用专门的仪器进行测量，测量应变片的电阻变化率的仪器称为电阻应变仪，其基本测量电路为一惠斯通电桥。
图二 电阻应变仪的基本测量电路（E 为电源电压）电桥B 、D 端的输出电压为：14231234()()-∆=++BD R R R R U E R R R R (2)当每一电阻分别改变1234,,,R R R R ∆∆∆∆时，B 、D 端的输出电压变为：1144223311223344()()()()()()+∆+∆-+∆+∆∆=+∆++∆+∆++∆BD R R R R R R R R U E R R R R R R R R (3)略去高阶小量，上式可写为：3121242121234()()∆∆∆∆∆=--++BD R R R R R R U ER R R R R R (4) 在测试时，一般四个电阻的初始值相等，则上式变为：31241234()4∆∆∆∆∆=--+BD R R R R E U R R R R (5) 将式(1)代入上式，得到： 1234()4εεεε∆=--+BD kEU (6) 如果将应变仪的读数按应变标定，则应变仪的读数为： 12344()εεεεε∆==--+BDU kE(7)2）应变片的粘贴方法：在电测应力分析中，应变片的粘贴质量很大程度上决定了测量数据的可靠性。
材料力学讲义
第一章 绪论及基本概念§1−1 材料力学的任务要想使结构物或机械正常地工作，必须保证每一构件在荷载作用下能够安全、正常地工作。
因此，在力学上对构件有一定的要求：1． 强度，即材料或构件抵抗破坏的能力； 2． 刚度，即抵抗变性的能力；3． 稳定性，承受荷载时，构件在其原有形态下的平衡应保持为稳定平衡§1−2 可变性固体的性质及基本假设可变性固体：理学弹性体、小变性 基本假设：1． 连续、均匀性； 2． 各项同性假设。
§1−3 内力、截面法、应力⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===∑∑000z y x F F F ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===∑∑000z y xM M M§1−4 位移和应变的概念x u x x ∆∆=→∆0limε称为K 点处沿x 方向的线应变 直角的改变量γ称为切应变。
§1−5 杆件变性的基本形式1．轴向拉伸或轴向压缩2．剪切3．扭转4．弯曲第二章 轴向拉伸和压缩§2−1 轴向拉伸和压缩的概念F(图2−1)则为轴向拉伸，此时杆被2−1虚线)；若作用力F 压缩杆件(图(图2−2工程中许多构件，(图2−3)、各类(图2−4)等，这类结构的构2−1和图2−2。
§ 2−2 内力·截面法·轴力及轴力图一、横截面上的内力——轴力图2−5a 所示的杆件求解横截面m−m 的内力。
按截面法求解步骤有：可在此截面处假想将杆截断，保留左部分或右部分为脱离体，移去部分对保留部分的作用，用内力来代替，其合力F N ，如图2−5b 或图2−5c 所示。
对于留下部分Ⅰ来说，截面m −m 上的内力F N 就成为外力。
由于原直杆处于平衡状态，故截开后各部分仍应维持平衡。
根据保留部分的平衡条件得 mF N F N （a ）（b ） （c ）图2−5Ⅱ图2−1图2−2图2-4F F F F Fx==-=∑N N ,0,0(2−1)式中，F N 为杆件任一截面m −m 上的内力，其作用线也与杆的轴线重合，即垂直于横截面并通过其形心，故称这种内力为轴力，用符号F N 表示。
启航教育2024材料力学讲义
启航教育2024材料力学讲义第一章引言材料力学是工程学中非常重要的一门学科，它研究物质的力学性质以及与外力的相互作用。
在工程设计和材料制备的过程中，材料力学的知识扮演着重要的角色。
通过本教材的学习，希望能够使学生们全面理解材料力学的基本原理与应用，为未来的工程实践打下坚实的基础。
第二章基本概念与理论2.1 物质与力的关系在材料力学中，我们首先需要了解物质与力的关系。
物质可以看作是由原子或分子组成的，而力则是用来描述相互作用的。
物质受到外力的作用时，会发生形变与应力分布，我们需要通过研究力的传递与平衡条件来理解这种现象。
2.2 应力与应变应力是描述物体内部受力状态的物理量。
常见的应力包括正应力、剪应力等。
应变则是物体在力的作用下所产生的形变量，有正应变、剪应变等。
通过应力和应变的关系，我们可以进一步研究材料的机械性质。
2.3 弹性力学弹性力学是材料力学中重要的分支，它研究材料在受力后能够恢复到原始形状和尺寸的能力。
弹性力学理论的应用广泛，例如在工程结构设计、材料选取等方面都具有重要意义。
第三章材料的力学性质3.1 材料的力学行为材料的力学行为是指材料在受力下的变形和破坏规律。
不同的材料具有不同的力学性质，例如金属材料具有良好的可塑性，而陶瓷材料则具有较好的硬度和耐磨性。
3.2 硬度与强度硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力，强度则是材料抵抗破坏的能力。
通过研究材料的硬度和强度，可以评估材料在不同应力下的性能和稳定性。
3.3 蠕变与疲劳蠕变和疲劳是材料力学中的两个重要现象。
蠕变是指材料在长时间低应力下逐渐发生变形的过程，疲劳则是材料在交变应力下反复变形引起的破坏。
第四章材料的力学测试与实验4.1 应力-应变测试应力-应变测试是研究材料力学性质的重要手段。
通过施加外力并测量应力与应变的关系，可以获得材料的力学参数，例如弹性模量、屈服强度等。
4.2 材料的破坏与断裂了解材料的破坏和断裂行为对于工程设计和材料选用非常重要。
本科材料力学实验讲义
材料力学实验§1 拉伸实验一、实验目的1、 在比例极限内，验证虎克定律，并测定低碳钢的弹性模量E 。
2、 测定低碳钢的其他机械性质，如屈服极限强度极限延伸率面积收缩率等。
3、 测定铸铁的强度极限。
4、 比较塑性材料和脆性材料的机械性质的特点。
二、实验设备及试件 实验设备仪器 1．万能试验机 2．引伸仪 3．千分卡 4．游标卡尺 实验试件试件尺寸和开头对实验结果有所影响。
为使实验所得结果可以互相比较，要采用标准试件，按国家标准GB228—63规定加工。
本实验用园截面试件，形状如图1图1 标准试件三、实验原理1．已知虎克定律关系式为EAPL L =∆ 用引伸仪夹紧试件， 引伸仪标距尺寸为L ，可以连续测量标距尺寸伸△L ，及载荷P ，从拉伸曲线可以看出弹性阶段的应力应变线性关系。
由电脑可以算出弹性模量E 。
2．对低碳钢的其他机械性质的测定，如s σ、b σ、δ和ψ等，必须研究实验过程中载荷和变形的关系（拉伸图）及试件的最后破坏形式。
根据屈服载荷P s 和最大载荷P b 来计算屈服极限s σ和强度极限b σ。
计算公式如下：AP A P b b s s ==σσ, 根据试验后测出标距的长度L 1及断裂处截面的面积A 1，然后计算延伸率δ和面积收缩率ψ。
计算公式如下：%100%10011⨯-=⨯-=AA A ALL ψδ3．对铸铁强度极限b σ的测定，由于受力后变形很小，就突然断裂，所以只测定强度极限b σ。
即AP bb =σ。
四、试验步骤:（液压万能实验机） 1．测量试样有关数据。
2．顺序开机，主机电源→计算机→打印机。
运行软件进入联机状态。
3．进入试验窗口，选择设置试验方案，输入所需的用户参数。
4．在实验老师指导下安装试样，根据试样长度调整移动横梁位置。
启动油泵电机，将转换开关打到“夹头”档。
先夹紧试样的一端，然后升降下横梁到适当位置，力值清零（消除横梁和试样及其他附件自重），最后夹紧试样另一端，试样夹紧后把转换开关打到“油缸”档，位置或变形值清零。
材料力学讲义
中性轴 z 为横截面的对称轴时 b h
z
y y
z
s max
M M Mymax I z Wz Iz y max
称为抗弯曲截面模量
14
中性轴 z 不是横截面的对称轴时
yt，max yc，max
O y
z
s t,max
My t ,max Iz
s c,max
Q h2 相等。 ( y2 ) 2I z 4
Q
t 矩
3Q t max 1.5t 2 A t方向：与横截面上剪力方向相同；
t大小：沿截面宽度均匀分布，沿高度h分布为抛物线。
最大剪应力为平均剪应力的1.5倍。
2、几种常见截面的最大弯曲剪应力 ①工字钢截面：
tmax
Q Af
; Af —腹板的面积。
4、需要校核剪应力的几种特殊情况：
梁的跨度较短，M 较小，而Q较大时，要校核剪应力。 铆接或焊接的组合截面，其腹板的厚度与高度比小于型钢的相 应比值时，要校核剪应力。
各向异性材料（如木材）的抗剪能力较差，要校核剪应力。
28
q=3.6kN/m
A Q B
例2 矩形(bh=0.12m0.18m）截面
120 y + qL2 8 Mmax
z
Wz I z / 2 6.48104 m3
s1 s 2
M1 y Iz
x
60 60 105 61.7MP a 5.832
M
M1
1 A 1m 1
Q=60kN/m B 2m 1 2 180 30
M1 60 s 1max 104 92.6MPa Wz 6.48
应力之比
+ M
材料力学实验讲义
§1 金属材料的拉伸实验一、实验目的1．测定低碳钢（Q235 钢）的强度性能指标：上屈服强度sU σ，下屈服强度sL σ和抗拉 强度b σ。
2．测定低碳钢（Q235 钢）的塑性性能指标：断后伸长率δ和断面收缩率ψ。
3．测定铸铁的强度性能指标：抗拉强度b σ。
4．观察、比较低碳钢（Q235 钢）和铸铁两种材料的力学性能、拉伸过程及破坏现象。
5. 学习试验机的使用方法。
二、设备和仪器1．材料试验机（见附1-2）。
2．电子引伸计（见附1-2）。
3．游标卡尺。
三、试样为使实验结果可以相互比较，必须对试样、试验机及实验方法做出明确具体的规定。
国标GB/T228－2002 “金属材料室温拉伸试验方法”中规定对金属拉伸试样通常采用圆形和板状两种试样，如图1-1所示。
它们均由夹持、过渡和平行三部分组成。
夹持部分应适合于试验机夹头的夹持。
过渡部分的圆孤应与平行部分光滑地联接，以保证试样破坏时断口在平行部分。
平行部分中测量伸长用的长度称为标距。
受力前的标距称为原始标距，记作L 0，通常在(a)(b)图1-1 试样其两端划细线标志。
按试样原始标距L 0和原始横截面面积A 0之间的关系分，试样可分为比例试样和定标距试样两种。
比例试样的0L =系数K 通常取为5.65或11.3，前者称为短比例试样（简称短试样），后者称为长比例试样（简称长试样）。
对圆形试样来说，原始标距分别等于5d 0和10d 0。
一般应采用短比例试样。
定标距试样L 0与A 0无上述比例关系。
国标GB/T228-2002中，对试样形状、尺寸、公差和表面粗糙度均有明确规定。
本次实验采用d 0=10mm 的圆形截面短比例试样。
四、实验原理低碳钢（Q235 钢）的拉伸实验（图解方法）将试样安装在试验机的上下夹头中，引伸计装卡在试样上，启动试验机对试样加载，试验机将自动绘制出载荷位移曲线（F -ΔL 曲线），如图1-2。
观察试样的受力、变形直至破坏的全过程，可以看到低碳钢拉伸过程中的四个阶段（弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段）。
材料力学实验课件1
机械性能:材料承受外力的能力及其在破坏、变形方面的宏 观表现 刚度:材料抵抗变形的能力 强度:材料抵抗破坏的能力
低碳钢拉伸破坏宏观过程及其微观解理机制
p Pb
P
低碳钢拉伸曲线
Ps
0
L
P
+
+ b 1-弹性阶段
2-屈服阶段
+ +
3-强化应变 剪切唇
b
4-颈缩断裂 纤维区
p
Pb
Ps 2
3
4 低碳钢拉伸曲线
1
0
L
断口外外貌
二实验设备： WES-600D液压屏显万能试验或WDS-100电子万能试验机、 游标卡尺。 三、 仪器设备工作原理 1．WDS-100电子万能试验机的构造（测试系统与执行机构见图3-1） 测试系统主要由输入、放大、转换、处理、显示、输出构成。 输入部分用来感知被测量的变化形成输入信号，放大部分将信 号放大提供必要的起动电压。转换部分将模拟量转换成处理器能够 识别的二进制数字量送给处理器进行计算、存储，显示与输出部分 用来显示测试信号、打印测试结果。
模拟量信号源
隔离器 （采样）
UI 比较器
U0
逼近器U0 =128mmv
二进制数字量
图3-6 A/D转换工作原理
保持不变送给比较器。在比较器里，比较器要是将要转换的电压信 号与来自逼近器的参考电压进行比较，用比较的结果来决定处理器 里要转换的二进制数的每一位的位状态。决定的次序是从高位到低 位。 最高位 次高位 最低位
Y Y
P
Y
P
X
X X
R- R R P R+R P
《材料力学实验》课件
确保学生了解实验的目标和预期结果。
设备检查
确保所有实验设备和工具都完好无损，并处于良 好工作状态。
安全注意事项
强调实验室安全规则，确保学生遵循安全操作规 程。
实验操作流程
实验步骤讲解
详细介绍实验步骤，确保学生清楚每一步的操 作。
演示操作
教师进行实验操作演示，帮助学生更好地理解 实验过程。
实验设备介绍
实验设备主要包括试验机、测 量仪器和辅助工具等。
试验机是进行材料力学实验的 主要设备，用于施加力和测量 变形。常见的试验机有万能材
料试验机和疲劳试验机等。
测量仪器用于测量材料的各种 力学性能参数，如应变片、压 力传感器等。
辅助工具包括支架、夹具等， 用于固定试样和连接试验机与 测量仪器。
应力是指单位面积上的内 力，是描述材料在受力时 所承受的力量的重要参数 。
弹性模量是指材料在弹性 范围内应力与应变之比， 是描述材料抵抗形变能力 的参数。
应变是指材料在受力时发 生的形变，是描述材料变 形程度的重要参数。
实验原理概述
材料力学实验的目的是通过实验 测量材料的力学性能参数，如弹 性模量、泊松比、屈服强度等。
《材料力学实验》PPT 课件
目 录
• 实验目的与要求 • 实验原理 • 实验步骤与操作 • 实验结果与分析 • 实验总结与展望
01
实验目的与要求
实验目的
掌握材料力学的基本原理 和实验方法。
培养实验操作技能和数据 处理能力。
了解材料的力学性能和测 试方法。
培养观察、分析和解决问 题的能力。
实验要求
实验操作问题
部分学生在实验操作过程中出现操作不规范或操作错误，导致实验结果 不准确。指导老师及时纠正学生的操作错误，并加强实验操作的规范性 培训。
材料力学讲义(精)
§1-1 材料力学的任务1．几个术语·构件与杆件：组成机械的零部件或工程结构中的构件统称为构件。
如图1-1a 所示桥式起重机的主梁、吊钩、钢丝绳；图1-2所示悬臂吊车架的横梁AB，斜杆CD都是构件。
实际构件有各种不同的形状，所以根据形状的不同将构件分为：杆件、板和壳、块体.杆件：长度远大于横向尺寸的构件，其几何要素是横截面和轴线，如图1-3a 所示，其中横截面是与轴线垂直的截面；轴线是横截面形心的连线。
按横截面和轴线两个因素可将杆件分为：等截面直杆，如图1-3a、b；变截面直杆，如图1-3c；等截面曲杆和变截面曲杆如图1-3b。
板和壳：构件一个方向的尺寸（厚度）远小于其它两个方向的尺寸，如图1-4a 和b所示。
块体：三个方向（长、宽、高）的尺寸相差不多的构件，如图1-4c所示。
在本教程中，如未作说明，构件即认为是指杆件。
·变形与小变形：在载荷作用下，构件的形状及尺寸发生变化称为变形，如图1-2所示悬臂吊车架的横梁AB，受力后将由原来的位置弯曲到AB′位置，即产生了变形。
小变形：绝大多数工程构件的变形都极其微小，比构件本身尺寸要小得多，以至在分析构件所受外力（写出静力平衡方程）时，通常不考虑变形的影响，而仍可以用变形前的尺寸，此即所谓“原始尺寸原理”。
如图1-1a所示桥式起重机主架，变形后简图如图1-1b所示，截面最大垂直位移f一般仅为跨度l 的l/1500～1/700，B支撑的水平位移Δ则更微小，在求解支承反力R A、R B时，不考虑这些微小变形的影响。
2．对构件的三项基本要求强度：构件在外载作用下，具有足够的抵抗断裂破坏的能力。
例如储气罐不应爆破；机器中的齿轮轴不应断裂等。
刚度：构件在外载作用下，具有足够的抵抗变形的能力。
如机床主轴不应变形过大，否则影响加工精度。
稳定性：某些构件在特定外载，如压力作用下，具有足够的保持其原有平衡状态的能力。
例如千斤顶的螺杆，内燃机的挺杆等。
《材料力学实验》课件
实验中遇到的问题及解决方案
问题1
01 实验设备出现故障或误差。
解决方案1
02 及时联系实验技术人员进行维
修或校准，确保设备正常运行 。
问题2
03 实验数据处理出现错误或异常
。
解决方案2
04 重新进行实验或采用不同的数
据处理方法，确保数据的准确 性和可靠性。
问题3
05 学生对实验操作不熟悉或不规
范。
解决方案3
06 加强实验前的培训和指导，确
保学生掌握正确的操作方法和 注意事项。
实验的不足与展望
不足之处
本次实验仍存在一些不足之处， 例如实验设备精度不够高、数据 处理方法不够先进等。
改进方向
未来可以对实验设备进行升级改 造，提高测试精度和稳定性；同 时可以采用更先进的数据处理和 分析方法，提高实验结果的准确 性和可靠性。
03
实验中应注意观察实验 现象，如有异常应及时 处理或报告。
04
实验后应清洗实验器具 ，保持实验室整洁。
02
CATALOGUE
实验原理
材料力学基本概念
01
材料力学是研究材料在力作用下的变形、破坏和失效行为的科 学。
02
材料力学涉及到材料的应力、应变、强度、刚度等基本概念。
材料的力学性能包括弹性、塑性、脆性、韧性等，这些性能决
03
定了材料在不同受力条件下的行为。
实验原理概述
1
通过实验测量材料的力学性能，如弹性模量、泊 松比、屈服强度等。
2
实验中需要控制应力、应变等参数，以模拟实际 工程中的受力情况。
3
通过实验数据的分析，可以评估材料的性能和可 靠性，为工程设计和优化提供依据。
实验2 力学性能 北京航空航天大学材料力学实验讲义
材料力学实验
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材料力学实验
➢ 实验结果处理（低碳钢拉伸试验）
得到低碳钢材料的屈服极限和强度极限
s
Fs A0
b
Fb A0
得到低碳钢材料的延伸率和断面收缩率
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➢ 拉伸、压缩和扭转实验的实验方法
低碳钢拉伸试验
P
P
材料力学实验
0
l
低碳钢力-位移曲线
0
l
铸铁力-位移曲线
四个阶段，三个特征点，两个现象：
四个阶段：线性，屈服，硬化，缩颈 三个特征点：比例极限，屈服极限，强度极限
两个现象：滑移线，缩颈
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低碳钢拉伸断裂后的断口形状
到应力——应变曲线，并确定低碳钢材料的屈服极限、强 度极限，确定铸铁材料的强度极限；
观察低碳钢试件和铸铁试件在扭转时的各种现象，得到应
力——应变曲线，并确定低碳钢材料的屈服极限、强度极 限，确定铸铁材料的强度极限；
掌握微机控制电子万能试验机的操作方法
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➢ 实验设备与仪器
50KN微控电子万能试验机 300KN微控电子万能试验机 1000N.m微控扭转试验机 划线机 引伸仪 游标卡尺（0.02mm）
l1 l0 100% l0
l1 AB 2BC
A0 A1 100% A0
l1 AB BC BC
断口移中处理
1
材料力学实验
铸铁拉伸断裂后的断口形状
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材料力学实验讲义
第二章材料的机械（力学）性能测试§2-1 材料试验机的操作一、万能材料试验机简介在材料力学实验中，一般都要给试样（或模型）施加荷载，这种加载用的设备称为材料试验机。
试验机根据所加荷载的性能可分为静荷试验机和动荷试验机；根据工作条件又可分为常温、高温和低温等试验机；根据加载的形式分为拉力、压力和扭转等试验机。
如果一台试验机兼作拉伸、压缩、弯曲和剪切等多种试验，则称为万能试验机。
试验机所能施加的荷载有大有小，小的只有几牛顿，大的可达几千吨。
一般材料力学实验室常用的是常温、静载5t～100t的万能试验机、拉力和扭转等试验机。
试验机的种类很多，但一般都有机架、加载系统、测力示值系统、荷载位移记录系统以及夹具、附具等五个基本部分所组成。
其中以加载系统、测力示值系统和荷载位移记录系统反映了试验机的主要性能。
1、加载系统它是对试样施加荷载的装置，除油泵外，主要安装在右边部分。
一般所谓加载，都是利用一定的动力和传动装置强迫试样发生变形，从而使试样受到力的作用。
2、测力、示值系统它是传递和指示试样所受荷载大小的装置，主要安装在左边部分。
3、荷载位移记录系统试验机上配置的一种称为自动绘图器的装置，它可以在实验过程中自动地绘出荷载与变形之间的关系曲线。
为了保证实验可靠，试验机要满足一定的技术条件，其标准由国家统一规定。
其中重要的规定之一，是要求试验机荷载的示值误差要在±1％以内，并且试验机在安装时或使用一定时间（一般为一年）后，都要进行检定（有国家计量管理部门统一进行），不合格的应检修。
试验机的检定方法可参阅“材料试验机检定规程”。
二、液压动摆式万能试验机这是最常用的一种试验机，类型很多，但一般指示外形不同，基本原理是一样的。
其可分为上置式油缸和下置式油缸两大类。
（一）上置式油缸液压万能试验机这类试验机的工作油缸在上部，其外形如图21-1所示，其构造原理如图21-2所示。
- 1 -- 2 -图21-2 液压式万能试验构造机原理示意图图21-1 WE-10A型液压式万能试验机- 3 -1、加载系统图21-3所示是其加载机构。
《材料力学实验》PPT课件
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实验三 拉伸时材料弹性常数的测 定实验
一、实验目的
1．在比例极限内，验证虎克定律。 2．测定钢材的弹性模量E以及泊松比。 3．了解电阻应变仪的原理及使用方法。
二、实验设备及仪器
1．万能材料试验机 2． 静态电阻应变仪
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实验三 拉伸时材料弹性常数的测 定实验
1．未经指导教师同意不得开动机器。 2．练习时要严格要遵守操作规程。操作者不得擅自离
开操纵台。 3．要慢速均匀加载，使测力指针匀速缓慢转动。卸载
时也林用慢速。按规定将载荷卸到所需值。
22
实验三 拉伸时材料弹性常数的测 定实验
六、注意事项
4．试件安装必须正确、防止偏斜和夹入部分过短现象。
5．试验时听见异声或发生任何故障，应立即停车。 七、思考题
操作者不得擅自离开 操纵台。 3．要慢速均匀加载，使测力指针匀速缓慢转动。
卸载时也要慢速，按规定将载荷卸到所需值。 4．试验时听见异声或发生任何故障，应立即停车。
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实验二 压缩实验
六、思考题
1．试分别比较低碳钢和铸铁在轴向拉伸和压缩下的力学 性质。
2．由低碳钢和铸铁的拉伸和压缩试验结果，比较塑性材 料和脆性材料的力学性质以及它们的破坏形式。
7
实验一 拉伸实验
低碳钢拉伸图
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实验一 拉伸实验
五、实验方法及步骤
2．灰铸铁试样的拉伸实验 灰铸铁试样是在非常微小的变形情况下突然断裂的， 断裂后几乎测不到残变形。对灰铸铁只需测定它的强 度极限。
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实验一 拉伸实验
六、注意事项
1．未经指导教师同意不得开动机器。 2．练习时要严格遵守操作规程。操作者不得擅自离开操
材料力学试验课件
试验原理基于胡克定律，即材料在弹 性范围内，应力和应变之间呈线性关 系，可以用弹性模量和泊松比来描述 。
试验步骤
加荷装置
安装加荷装置，确保能够施加 恒定的拉力或压力，并记录力 值。
开始试验
以恒定的速度施加拉力或压力 ，记录试样的变形情况及对应 的力值。
准备试样
选择合适的材料制成标准试样 ，确保试样尺寸、形状、表面 质量等符合标准要求。
数据处理
根据试验数据计算材 料的剪切强度和剪切 模量。
试验结果分析
分析试验数据
根据记录的力和位移数据，计算材料的剪切强度和剪 切模量。
结果比较
将试验结果与理论值或标准值进行比较，评估材料的 剪切性能。
结果应用
根据试验结果，评估材料在剪切应力作用下的性能表 现，为工程设计和选材提供依据。
05
冲击试验
试验结果分析
数据整理
将试验过程中记录的数据进行整理，绘制应力-应变曲线。
结果分析
根据试验结果，分析材料的弹性模量、屈服强度、极限强度 等力学性能参数，并对其性能进行评价。
04
剪切试验
试验原理
剪切试验是材料力学中一种常见 的试验方法，用于测定材料的剪
切强度和剪切模量。
剪切强度是指材料在剪切应力作 用下抵抗剪切破坏的最大应力值 ，而剪切模量则表示材料抵抗剪
结果应用
根据试验结果，对材料的适用范围和 使用条件进行评估，为工程设计和选 材提供依据。
03
弯曲试验
试验原理
弯曲试验是一种常用的材料力学试验，用于测定材料在弯曲载荷下的性能表现。
通过弯曲试验，可以了解材料的弹性模量、屈服强度、极限强度等力学性能参数。
弯曲试验原理基于材料力学中的弯曲应力公式，通过施加弯曲载荷，使试样在承受 正应力的同时产生剪切应力。
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L0 LC 图 1.1 拉伸试样简图 用试验机的夹具结构有关，如试样为图 1.1 的形式，则试样夹持部分的长度不应小于夹具 长度的三分之二。
1
2．材料试验机 材料力学基本试验设备是静态万能材料试验机。它能进行轴向拉伸、轴向压缩和三点 弯曲等基本加载方式的试验。试验机主要由机械加载、控制系统、测量系统等部分组成。 当前试验机主要的机型是电子万能试验机，其加载是由伺服电机带动丝杠转动而使活动横 梁上下移动而实现的。在活动横梁和上横梁（或工作台上）安装一对拉伸夹具或压缩弯曲 的附件，就组成了加载空间。伺服控制系统则控制伺服电机在给定速度下匀速转动，实现 不同速度下横梁移动或对被测试件加载。活动横梁的移动速度范围是 0.05~500 毫米/每分 钟。 测量系统包括负荷测量、试样变形测量和横梁位移测量。负荷和变形测量都是利用电 测传感技术，通过传感器将机械信号转变为电信号。负荷传感器安装在活动横梁上，通过 万向联轴节和夹具与试样联在一起，负荷传感器的容量即为试验机的最大量程。测量试样 变形的传感器称作引伸计。引伸计是利用固定在试件上的两个刀口感受试件的变形，刀口 原始间距代表引伸计的标距。横梁位移的测量是采用光电转换技术，通过安装在丝杠顶部 的脉冲编码器将丝杠转动信号转变为脉冲信号。三路信号均经过信号调理电路变为标准信 号。 现在实验室用于材力教学的试验机全部是计算机控制的电子万能试验机 , 分别由长春 试验机研究所和济南试金集团生产。计算机控制的电子万能试验机用鼠标操作可完成试验 机的各种功能，此外增加了数据文件存储、实验数据处理、实验曲线及结果打印等功能。
二．试验原理和方法
进行单拉试验时，外力必须通过试样轴线以确保材料处于单向拉应力状态。试验机的 夹具、万向联轴节和按标准加工的试样以及准确地对试样的夹持保证了试样测量部分各点 受力相等且为单向受拉状态。试样所受到的载荷通过载荷传感器检测出来，试样由于受外 力作用产生的变形可以借助横梁位移反映出来，也可以通过在试样上安装引伸计准确的检 测出来。如果没有更多的测试要求，可利用横梁位移代表试样的伸长，在试验过程中自动 记录载荷与试样变形的关系曲线即 P－ΔL 曲线。曲线的纵坐标为载荷 P，单位是 N 或 KN， 横坐标是绝对伸长ΔL，单位是 mm。P－ΔL 曲线形象地体现了材料变形特点以及各阶段受 力和变形的关系, 但是 P－ΔL 曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺寸的影 响。因此 P－ΔL 曲线常常转化为名义应力、名义应变曲线即σ－ε曲线（如图 1.2 所示） ， 即
P A0 L L0
式中 A0 和 L0 分别代表试样初始条件下的面积和标距。 试样受到的载荷除以试样原始面积就 得到了名义应力用σ表示，也叫工程应力；同样，试样在标距之间的伸长除以试样的原始 标距得到名义应变用ε表示，也叫工程应变。σ－ε曲线与 P－ΔL 曲线形状相似，但消除 了几何尺寸的影响，因此能代表材料的属性。如果试验能提供一条精确的拉伸曲线，那么 就可以测定材料的基本力学性能指标。 下面以低碳钢为例， 说明金属材料拉伸性能指标的定义。 低碳钢具有良好的塑性变形， 从其σ－ε曲线（图 1.2）可以看出，低碳钢断裂前明显地分为四个阶段： 弹性阶段（OA） ：试样的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸， 没有任何残余变形。多数材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变成正比关系，即
4
又有绝缘和重量轻等特点，因此在很多地方代替金属。
三．实验目的
1．观察分析不同材料拉伸过程及实验现象，比较其力学性能。 2．测定材料的强度指标及塑性指标。 3．认识几种典型材料力学性能特点和断口特征。
四．实验设备及试件
1．电子万能试验机（CSS2210-100, WDW100） 2．应变计式引伸计（SG50-10%, SG50-20%） 3．打印机(HP 喷墨，联想激光) 4．0.02mm 游标卡尺 5．试件（低碳钢φ10 圆试件，铸铁φ12 圆试件，铝合金φ10 圆试件）
L0 5.65 A0
或
L0 11.3 A0
式中系数取为 5.65 时称为短试样,取为 11.3 时称为长试样。 如果是圆试样， 那么当试样标 距与试样直径的比为 5，即 L0 ＝5d0 时称为短试样，L0 ＝10d0 时称为长试样。国家标准推 荐使用短比例试样。 试样的过渡部分必须有足够大的过渡圆弧半径 R。试样的夹持部分的形状和尺寸与所 R d0
(a)杯状断口 (b)板试件杯状断口 (c)结晶状断口 图 1.3 金属典型材料拉伸破坏断口 多数金属材料，它们的拉伸曲线介于低碳钢和铸铁之间，常常只有两个阶段或三个阶 段。对于那些没有明显物理屈服现象的塑性材料，从弹性到塑性是光滑过渡的，硬铝和黄 铜就属于这类材料。由于没有明显的屈服阶段，这类材料的屈服强度只能用规定塑性变形 量的方法来测定。工程设计中常以已产生 0.2% 残余应变时的应力定义为材料的屈服强度， 一般称作条件屈服极限，用σ0.2 来表示。 σ σ0.2
2
σ＝Eε 比例系数 E 代表直线的斜率，称作材料的弹性模量。 屈服阶段（AB） ：试验进行到 A 点后，在试样继续变形的情况下，载荷却不再增加，或 呈下降，甚至反复多次下降，使曲线变成锯齿状。若试样表面光滑，可看到 45°的滑移线。 这种现象称为屈服，通常把下屈服点作为材料的屈的变形包含弹性和塑性两部分。
σ
C
A B 卸载线
D
σb
σS
O
ε
图 1.2 低碳钢拉伸曲线 强化阶段（BC） ：过了屈服阶段（B）点，力又开始增加，曲线又开始上升，表明材料要 继续变形，载荷就必须要不断增加。如果在这个阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性 变形将永远保留下来。卸载后若重新加载，加载线则与弹性阶段平行，但重新加载后，材 料的弹性阶段加长、屈服强度明显提高，而塑性却相应下降。这种现象称作冷作硬化。随 着载荷的继续加大，拉伸曲线的上升将渐趋平缓，C 点是曲线的最高点，此点定义为材料 的强度极限又称抗拉强度σb。对低碳钢来说σb 是材料均匀塑性变形的最大抗力，是材料 进入颈缩阶段的标志。 颈缩阶段 （CD） ： 应力达到强度极限后， 塑性变形开始在局部进行。 局部截面急剧收缩， 承载面积迅速减小，承载力下降，直到断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则 遗留在破断的试样上。 材料发生塑性变形的能力叫塑性，塑性的大小用塑性指标表示。它包括断后伸长率和 断面收缩率。断后伸长率用δ表示，断面收缩率用ψ表示，即：
L1 L0 100% L0
5
A0 A1 100% A0
3．整理拉伸图，将有关力学性能指标标注在曲线上。 4．画出断口形貌草图。 5．比较材料的拉伸力学性能，完成实验报告。
第一部分 拉伸实验
在工程中用于结构件和零件的材料，一般称为结构材料。对于结构材料，人们最关心 的是它的力学性能。任何材料受力后都要产生变形，变形到一定程度即发生断裂。这种在 外载作用下材料所表现的变形与断裂的行为叫力学行为，它是由材料内部的物质结构决定 的，是材料固有的属性。同时,环境如温度、介质和加载速率对于材料的力学行为有很大的 影响。因此材料的力学行为是外加载荷与环境因素共同作用的结果。 拉伸试验可以研究和确定材料强度、 塑性和应力-应变关系等重要的力学性能， 这些性 能是工程中合理选用材料及进行强度设计的主要依据。而且由于拉伸实验简单易行，实验 结果易于分析， 因此是研究材料力学性能的最基本、 应用最广的试验。 依据国家标准 GB228 －87 完成的拉伸实验，可以测定金属材料的屈服强度、抗拉强度、材料刚度、延伸率、截 面收缩率等主要力学性能指标。其它材料比如高分子材料、复合材料等也应按各自的国家 标准进行拉伸试验。
L1 L0 100% L0 A0 A1 100% A0
式中 l0、A0 分别代表试样的原始标距长度和原始横截面积，L1、A1 为试样拉断后的标距长 度和断口面积。如果断口位置在标距线之外，则试验无效。如断口在标距内，但靠近标距 线则需用断口补偿法计算断后伸长率(方法略)。对于国家标准规定的两种比例试样，断后
ε
0.2% 0.4% 图 1.4 σ0.2 定义 σ0.2 是在微量塑性变形条件下测定的。不论采用哪种方式测量试件的变形，都必须保 证测量仪表具有高的灵敏度和精确度。利用图解法测定σ0。2 是当前普遍使用的方法（见图 1.4） 。测定σ0。2 时，若拉伸曲线已精确记录下来，即可利用卸载规律在ε坐标上的 0.2% 处，作平行于弹性阶段的斜直线。斜直线与拉伸曲线的交点，即为σ0。2。 除了金属材料之外，在工程上还有大量的非金属材料作为结构材料在使用，比如高分 子材料和复合材料。高分子材料又叫聚合物，其特殊的内部结构造成这种材料独有的特点 和繁多的种类。高弹性和粘弹性是高分子材料区别于金属材料的力学性能特点。高分子材 料中用于制造机器零件或构件的叫工程塑料。复合材料是由两种或两种以上组分材料组合 的。其性能集中了组分材料的优点，且性能大大优于组分材料。作为结构复合材料主要是 以高聚物为基体， 增强材料采用连续纤维如玻璃纤维、 碳纤维所组成的连续增强复合材料。 俗称为玻璃钢的就是玻璃纤维与环氧树脂复合而成的复合材料，其强度和刚度都比较高，
五．试验步骤
1． 原始尺寸测量 确定标距，并在试样上做标距线 L0。测量直径：在标距中央及两个标距线内附近各取 一个截面进行测量，每个截面沿互垂方向各测量一次取其平均值。d0 采用三个截面中最小 平均值。试样的原始尺寸要准确记录。 2． 打开计算机电源，进入试验应用软件界面。 3． 将负荷显示调零，移动横梁调节上下夹具的距离，安装试样并保持上下对中。 4． 根据试样的负荷和变形水平，相应地设定试验机的量程范围。试件变形一般用横 梁位移代表，实验中记录载荷-位移曲线。 5． 设定数据文件名，实验后实验数据保存在数据文件中。 6． 设定加载速度，金属材料 1~5mm/min。 7． 开始加载。加载过程中，结合拉伸图观察各阶段的试验现象，直至拉断。实验数 据保存，并选好比例打印试验曲线。 8． 下试样，将已破断的试样对拢，测量有关数据并观察断口形貌。 9． 整理现场，切断电源。