工程力学实验教学大纲.

《工程力学》实验教学大纲

（执笔人：郑文龙高级工程师审阅人：宋先村高级工程师）

课程编号：060201204

课程名称：工程力学

总学时：60学时

实验学时：8学时

实验室：力学实验室

一、目的与任务

（一）目的：

1．使学员巩固所学理论，培养学员分析问题和解决问题的能力。

2．使学员掌握测定材料力学性能的基本知识、基本技能和基本方法。

3．培养学员的动手能力和严谨科学作风。

（二）任务：

1．测定材料的力学性能参数，包括材料的各项强度指标和弹性参数。

2．验证已经建立的理论。

3．进行应力分析实验。

二、主要内容与要求

实验单元一拉伸和压缩试验

实验1.1 拉伸试验（学员必做）

1．实验目的与任务

①测定低碳钢的拉伸上屈服强度R eH、下屈服强度R eL、抗拉强度R m、断后伸长率A（A11.3）和断面收缩率Z；铸铁的抗拉强度R m。

②观察材料拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等现象），并绘制出力—位移拉伸图。

③比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）机械性能的特点。

2．实验原理

拉伸试验是将试验力施加于试样的轴线上（保证试样受单向拉伸），直至试样拉断，测定相关材料的力学性能。拉伸试验是检验金属材料力学性能普遍采用的一种极为重要的方法。力－位移拉伸图，全面地体现了材料在轴向拉应力作用下，从试

样开始变形直至断裂这一过程中的各种性质。由拉伸试验所确定的金属力学性能四大指标（下屈服强度R eL ，抗拉强度R m ，断后伸长率A 和断面收缩率Z ）最富有代表性，而且试验结果准确可靠。金属力学性能四大指标是机械制造设计的主要依据。在建筑工程及机械制造等许多领域，凡是受拉伸应力的零件、部件，离开强度（包括屈服强度）指标，设计是无法进行的。

3．实验内容及要求

⑴ 实验教学内容：

① 材料力学实验的内容、标准、方法和要求。

② 材料万能试验机原理和操作，重点介绍微机控制电子式万能试验机原理、构造及操作步骤。

③ 金属材料拉伸力学性能的测试方法介绍，重点介绍国家标准GB/T 228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》。

⑵ 实验教学要求及重点：

材料力学的三个组成部分；万能试验机原理及操作介绍；低碳钢和硬铝力-位移拉伸演示试验、分析断口形状和破坏原因；试验数据处理介绍、实验误差因素。

⑶ 学员实验内容：

测量试样尺寸；在主菜单“试验方案”项，调入所需的试验方案，如进行低碳钢试验调入“低碳钢拉伸试验”方案、进行铸铁试验调入“铸铁拉伸试验”方案（本次试验方案为手动试验方案）；在“试样参数输入”页，输入试样原始截面尺寸和其它有关信息；安装试样（安装试样前，试验力首先清零）；试车及检查；进行试验（本次试验采用“手动”控制方式，初始试验速度为2 mm/min ），注意观察实验现象（屈服过后，当试验力大于上屈服力1kN 作冷作线，观察冷作硬化现象），记录实验数据；建立数据文件；测量低碳钢试样断后相关尺寸。

4．实验结果及要求

⑴ 根据试验数据，计算低碳钢的上屈服强度R eH ，下屈服强度R eL ，抗拉强度R m ；铸铁的抗拉强度R m 。

0eH eH S F R = 0eL eL S F R = 0m m S F R =

⑵ 根据低碳钢试样原始标距长度L 0、断后标距长度L u 以及原始横截面积S 0、断后最小横截面积S u 计算断后伸长率A 和A 11.3及断面收缩率Z 。

%10000u 11.3⨯-=L L L A A ）（或 %1000

u 0⨯-=S S S Z 实验过程学员应重点观察的试验现象：低碳钢的屈服现象及产生的滑移线、强化阶段的卸载与再加载规律及冷作硬化现象、颈缩阶段的形变、断口形状及破坏原因；铸铁的断口形状及破坏原因。 数据处理学员应掌握的重点：上下屈服点的判读、短试样断后伸长率和长试样断后伸长率区别、数据修约规则。

实验1.2 压缩试验（教员演示）

1．实验目的与任务

⑴ 测定压缩时低碳钢的上压缩屈服强度R eHc 、下压缩屈服强度R eLc ；铸铁的抗压强度R mc 。

⑵ 观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象，并进行比较。

⑶ 本试验属于学员拉伸试验结束后由教员进行的演示实验，目的使学员加深对金属材料拉伸性能和压缩性能区别的认识。

2．实验内容及要求

金属材料压缩力学性能的测试方法介绍，重点介绍由我校负责起草的国家标准GB/T 7314-2005《金属材料 室温压缩试验方法》。

压缩试验是金属材料力学性能试验中的重要试验之一。金属材料的压缩力学性能与拉伸力学性能一样，是其最基本最具有特性的重要性能，是工程结构和机械构造设计、制造以及使用方面（特别在航空航天领域方面）不可缺少的基本性能参数。对于受压构件的材料，压缩试验很重要。

低碳钢（Q235）和铸铁（HT200）压缩试验。利用WDW-E200微机控制电子万能试验机进行试验，分别绘出低碳钢和铸铁的压力F 与压头位移W 间的压缩曲线。注意观察低碳钢的压缩屈服现象和铸铁试样的破坏断口。

3．实验结果及要求

根据试验数据，计算低碳钢的上压缩屈服强度R eHc 、下压缩屈服强度R eLc ，铸铁的抗压强度R mc ：

0eHc eHc S F R = 0eLc eLc S F R = 0

m c m c S F R = 通过低碳钢和铸铁试样的拉伸和压缩试验，可以看出在拉伸试验中呈脆性状态

的金属材料，在压缩试验中呈塑性状态。

根据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能以及它们的破坏形式。

实验单元二 拉伸时金属材料弹性常数和规定非比例延伸强度的测定

实验2.1 拉伸时金属材料弹性模量的测定（学员必做）

1．实验目的与任务

⑴ 用电测作图法自动绘制精确的力 -

变形拉伸图（即F - ∆L 曲线），在比例极限内验证胡克定律，测定低碳钢和硬铝的拉伸弹性模量E 。

⑵ 学习电测作图法的原理和方法。

2．实验原理

弹性模量E 是材料在比例极限内，应力与应变的比值，即

L

S L F E ∆⋅⋅==0εσ 可见，在比例极限内，对试样作用拉力F ，并测量出试样标距L 0的相应伸长∆L ，即可求得弹性模量E 。弹性模量E 是材料固有的弹性常数。

本实验是根据我校关于金属薄板拉伸和压缩试验研究的成果，采用如下方法（即电测作图法）：通过测力传感器和轴向变形传感器，分别把拉伸过程中试样所受的轴向力和试样标距内的轴向变形转换成电讯号（即机械量转换成电量），同时输入测力放大单元和变形放大单元加以放大，然后送入X -Y 记录仪（或计算机系统自动采集）描绘出精确的力-变形拉伸图（即F - ∆L 曲线），根据所绘制的F - ∆L 曲线，判读并计算出弹性模量E 。

3．实验内容及要求

⑴ 实验教学内容及要求：

弹性常数介绍；电测作图法原理和方法；使用引伸计绘制力-

变形弹性回归曲线、电测作图法原理图