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工程力学实验指导书（试用版）黄跃平胥明韩晓林编东南大学力学实验中心2007年02月实验守则一、要按指定的时间进行实验。准时进入实验室，不得迟到、早退。二、每次实验前，要仔细阅读实验指导书，基本了解实验内容，目的，实验步骤及机器和仪器的主要原理与使用方法等。三、以小组为单位进行实验。小组长负责管理使用的设备，并组织分工和统一指挥。四、要爱护实验室的一切设备，非指定使用的机器设备不得乱动，以免发生危险或损坏事故。五、在实验过程中，如机器或仪器发生故障应立即向实验指导人员报告，进行检查以便及时排除故障，保证实验的正常进行。六、实验结束后，要清理机器、仪器工具。如有损坏、应及时向实验指导人员报告，听候处理。七、要保持实验室的清洁和安静，养成良好的科学作风。八、实验完毕后，要认真做好实验报告，并对思考进行讨论。目录实验序号实验名称页码实验1金属材料拉伸实验3实验2应变计的粘贴工艺9实验3电阻应变计的热输出10实验4电阻应变计测量原理实验指导11实验5材料弹性常数(E)实验指导14实验6弯曲正应力分布实验16实验7薄壁圆管弯扭组合应力测定实验18实验8开口薄壁梁弯心及应力等测定实验22实验9开口薄壁截面的约束扭转和圣维南原理实验23实验10冲击应力及动荷系数26实验11电测法测定衰减振动参数28实验12电测法标定加速度传感器的电压灵敏度30实验13单自由度系统强迫振动的幅频特性31实验14曲柄滑块机构角位移测量33实验15曲柄滑块机构的线位移和加速度测量36实验16拉伸应变硬化指数（n值）实验(设计型实验)40实验17工程结构电测应力分析(设计型实验)任务书42实验18工程结构减振实验(设计型实验)任务书43演示实验19金属材料压缩剪切及扭转破坏实验44演示实验20金属材料疲劳演示实验48演示实验21光弹实验49演示实验22转子临界转速实验53东南大学力学实验中心工程力学实验指导书１工程力学实验序20世纪以来，工业技术高度发展，特别是航空航天工业的崛起；计算机的出现以及迅速地更新换代；各种新型材料不断问世并应用于广泛的工业部门；实验设备日趋完善、实验技术水平不断提高。所有这些进展，使得力学实验所涉及的领域更加宽阔、知识更加丰富多采。特别是面向21世纪这样的信息时代，工程力学实验的改革面临新的问题、新的机遇。归纳起来有以下几个方面：1.必须突破以钢铁等金属材料主体的工程力学实验课程内容体系，引入新材料实验。20世纪50年代以来，一些具有良好性能的结构材料，例如复合材料、高分子材料、结构陶瓷、耐热合金等，不断从军事工业与高科技领域扩展到许多工业部门。这些材料的使用大大减轻了结构重量，而结构的强度和寿命却几倍以至十几倍增长。据估计，到2000年，汽车制造业所采用的非金属材料将占到总重量的70%以上。这些材料的力学性能如何，由这些材料制造的零件和部件应当按怎样的准则进行设计，这是工程力学实验不能回避的问题。2.必须突破与时间无关的线弹性问题，引入与时间有关的线性和非线性粘弹性问题。经典工程力学实验主要讨论钢铁一类材料在常温、静载作用下弹性范围的应力变形问题，因而其应力应变保持线性关系且与时间无关。但是，对于高分子材料、结构陶瓷以及高温条件下工作的耐热合金等，它们的应力-应变关系都与时间有关，当然有些是线性的，有些是非线性的。3.必须突破以静力实验为主教学模式，增加与动态测试技术有关的新实验。以往的工程力学实验大都是在静荷载条件下完成的，缺乏动态测试的内容，而在工程的实际运用中，动态测试技术已经成为主要的手段。因此在静荷载条件下传统工程力学实验的基础上，改造和更新实验内容，是工程力学实验课程重要组成部分。4.必须突破单纯的实验为主教学模式，紧密结合国家和国际的昀新测试标准。以往的工程力学实验基本上是按照旧的国家标准进行的，随着我国加入WTO，与国际标准接轨，我国标准的制定和修改的时间将大大缩短。如果仍然按照旧的国家标准进行实验，显然已不能符合时代的发展需要。积极了解国家标准和国际标准的发展动态，根据新的国家标准和国际标准改进实验方法已是当务之急。5.必须利用信息技术的高速发展的昀新成果，充分利用信息技术，充分利用计算机在测试中超强的数据分析能力。根据课程的特点，是采用人工读取实验数据，人工分析实验数据。目前随着信息技术的高速发展，计算机自动采集数据，自动分析数据已成为工程检测的主流；在课程中引进新的实验设备Instron和新的测试仪器-虚拟仪器Labview，加强学生运用计算机采集和分析数据的能力。6.必须突破传统的电测实验，利用光学测试技术的手段，引进现代光学测试技术实验。新材料和新结构的发展，需要更好的测试技术，现代光测技术已经成为新材料测试技术的手段，引进光测技术实验，将扩展学生的视野，极大提高他们学习的积极性。工程力学实验的主要内容是以材料力学的实验内容为主，以理论力学和光测力学的内容为辅。材料的力学性能实验以进口的电子拉伸试验机为主，结合国家标准和国际标准的要求进行。电测实验在验证理论公式的静态测试基础上，增加了多项动态电测实验内容。动态测试方面将以虚拟仪器设备为主，虚拟仪器设备也将应用在材料的力学性能实验和动态电测实验中。２工程力学实验课程对学生提出了更高的要求，主要在以下几个方面：1了解试验标准材料的力学性能是材料的固有属性，不同的材料具有不同的力学性能。我们从试验中知道，材料的力学性能，如屈服极限、强度极限、疲劳极限和冲击吸收功等，除了与材料本身有关外，还与加载速度、试件几何形状、表面光洁度、试验周围环境的温度、湿度有关。因此，在进行工程力学实验性能的测试时，必须做出有关的规定，以便统一试验标准，使测试结果具有可比性。这些规定在我国被称为国家标准（GB）或部标（JB、YB等）。其他国家也有各自的试验标准，如美国的ASTM。在国际间进行仲裁时，以国际标准进行试验，代号ISO。2撰写实验报告它包括实验的目的、原理、方法和步骤，试验所用的仪器设备名称、型号、有关的性能指标、精度，试验的记录、结果的分析与计算，以及对实验中出现的问题进行讨论研究等，以便从中发现新的东西。对于科研实验报告，它是存档和进行交流的重要资料。对于学习者而言，实验报告则是在完成实验的基础上，书写实验、总结分析实验的过程。它可以培养实验者的文字、图表表达能力、对实验结果进行分析的能力，从而提高报告的水平。3了解和掌握新的测试工具在掌握传统的测试手段的同时，引导学生了解新的测试技术，特别是现代动态测试技术和光学测试技术。东南大学力学实验中心工程力学实验指导书３实验1金属材料拉伸实验金属材料拉伸试验是材料力学昀基本的实验，通过拉伸可以测定出材料一些基本的力学性能参数（弹性模量、强度、塑性等）。国家标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，已于2002年7月1日开始实施。新版国家标准与原相关国家标准在引用标准、定义和符号、试样、试验要求、性能测定方法、测定结果数值修约及性能测定结果准确度阐述等方面都作了较大修改和补充。通过等效采用及鼓励和促进采用自动化测试的方式实现了与国际标准接轨。1、实验目的1.1了解并掌握GB/T228-2002所规定的定义和符号、试样、试验要求、性能测定方法；1.2了解Instron3367电子万能材料试验机的构造和工作原理，掌握其使用方法；1.3测定金属材料的上、下屈服强度(ReH、ReL)；抗拉强度(Ｒm)；昀大力总伸长率(Ａgt)和断后伸长率(Ａ)；截面收缩率(Ｚ)；1.4观察和分析金属试样在拉伸过程中的各种现象，并比较断后伸长率(Ａ)和昀大力总伸长率(Ａgt)差异；1.5绘制材料的应力-延伸曲线和冷作硬化曲线，观察分析试样在冷作硬化对材料力学性能的影响。2、实验设备和量具Instron3367电子材料试验机，引伸计，力传感器，位移传感器、游标卡尺等。昀常见的拉伸试件的截面是圆形和矩形，如图所示。电子材料试验机可以做拉伸、压缩、剪切、弯曲等试验，故习惯上称它为万能材料试验机，也称为全能机。全能机有机械、液压等电子多种类型。目前普遍采用电子材料试验机，试验机主要由加力部分和测力部分组成。电子材料试验机的构造、工作原理及操作规程介绍详见电子材料试验机指南。3、金属材料（低碳钢）的拉伸实验原理（GB/T228-2002）当试样开始受力拉伸时，材料先呈现弹性状态，然后进行屈服阶段（状态），通常呈水平的锯齿状，试验发生屈服而力首次下降前的昀高应力称上屈服极限(ReH)，由于上屈服极限受变形速度等因素的影响较大（初始瞬时效应），一般不作为材料的强度指标；同样，屈服后第一次下降的昀低点也不作为材料的强度指标。在屈服期间，不计初始瞬时效应时的昀低应力，除此之外的其它昀低点中的昀小值作为屈服强度(ReL)。当屈服阶段结束后，继续加载，载荷—变形曲线开始上升，材料进入强化阶段。若在这一阶段的某一点卸载至零，则可以得到一条与比例阶段曲线基本平行的卸载曲线。此时立即再加载，则加载曲线沿原卸载曲线上升，以后的曲线基本与未经卸载的曲线重合。经过加载、卸载这一过程后，材料的比例极限和屈服强度提高了，而延伸率降低了，这称为冷作硬化。随着载荷的继续加大。拉伸曲线上升的幅度逐渐减小，当达到昀大值（Rm）后，试样的某一局部开始出现颈缩，而且发展很快，载荷也随之下降，迅速到达Fm点后，试样断裂。当载荷超过弹性极限时，就会产生塑性变形。金属的塑性变形主要是材料晶面产生了滑移，是由剪应力引起的。描述材料塑性的指标主要有材料断裂后的延伸率A（δ）和截面收缩率Z（ψ）来表示。标准中共定义了12种可测的拉伸性能,即六种延性性能分别为A,Ae,Agt,Ag,At和Z,六种强度性能ReH,ReL,RP,Rt,Rr和Rm。图1-1拉伸试件图1-2Instron3367电子试验机图1-3Bluehill软件主界面４强度指标塑性指标序号符号说明符号说明1ReH上屈服强度Agt昀大力总伸长率2ReL下屈服强度Ag昀大力非比例伸长率3RP规定非比例延伸强度Ae屈服点延伸率4Rt规定总延伸强度A断后伸长率5Rr规定残余延伸强度At断裂总伸长率6Rm抗拉强度Z断面收缩率3.1上屈服强度(ReH)和下屈服强度(ReL)的测定图解方法按标准规定的试验速率加载，记录力－延伸曲线，直至超过屈服阶段。按照定义在曲线上判定上屈服力和下屈服力的位置点，判定下屈服力时要排除初始瞬时效应的影响。上、下屈服力判定的基本原则如下:(1)屈服前的第一个峰值力(第一个极大力)判为上屈服力,不管其后的峰值力比它大或小。(2)屈服阶段中如呈现两个或两个以上的谷值力，舍去第一个谷值力(第一个极小值力),取其余谷值力中之昀小者判为下屈服力。如只呈现一个下降谷值力，此谷值力判为下屈服力。(3)屈服阶段中呈现屈服平台，平台力判为下屈服力。如呈现多个而且后者高于前者的屈服平台,判第一个平台力为下屈服力。(4)下屈服力必定低于上屈服力。上述4条基本原则应该说是十分重要的，不仅对人工判定方法，而且对自动化测定方法中测定程序的编制有帮助。以测得的上和下屈服力分别计算ReH和ReL。当规定了要求测定屈服强度性能，但材料在实际试验时并不呈现出明显屈服状态（如高强度材料）,而呈现出连续的屈服状态，此种情况材料不具有可测的上(或下)屈服强度。则应测定规定非比例延伸强度(Rp0.2),并注明材料无明显屈服。3.2规定非比例延伸强度(Rp)的测定新标准中删去了旧标准中逐级施力的人工测量方法。仅采用图解方法。(1)常规平行线方法此方法仅适用于具有弹性直线段的材料测定Rp。试验时，记录力－延伸曲线，直至超过Rp对应的力Fp。在记录得到的曲线图上图解确定规定非比例延伸力Fp,进而计算Rp。(2)滞后环方法此种方法仅仅适用于不具有明显弹性直线段的材料测定Rp。试验时,对试样施加力,同时记录力－延伸曲线，加力至超过预期的规定非比例延伸强度后，将力卸除至约为所加力的10%，接着再施力直至进入力－延伸曲线的包迹线范围。正常情况下会画出一个完整的滞后环。然后经过滞后环两端点划直线和作该直线的平行线确定Fp,进而计算oppSFR2.02.0=。(3)力－