工程材料力学试验课教材

中山大学

前 言

按照我校提出的加强培养学生科学实验能力的要求，我们进行了材料力学实验的教学改革，同时编写了这本实验教材。经近年来的教学实践，并在实践中不断修改补充，证明了实验教学改革是有成效的。这本《工程材料力学试验》既保留了原来材料力学试验中的基本内容，又增添了许多新的具有工程实际意义的实验项目，包括设计性和研究性的实验。实验内容复盖面广，深度大。它把材料力学和建筑材料等的力学试验结合在一起，拓宽了材料力学试验的范围，可以更有效地培养学生的实验技能和从实验结果中进行分析思考创新的能力，并在实验中使学生掌握有关工程材料试验的国家标准和规定，满足今后从事工程材料试验工作和进一步学习研究的需要。

本书特点如下：1、介绍了当前较先进的试验仪器设备，并应用到实验中去，如计算机控制的万能试验机和扭转试验机，以及激光位移计等。2、介绍了较先进的计算机实验数据采集分析系统和计算机作实验曲线等内容，并在实验中采用这些技术。3、新开设多项自行设计的具有本课程特色的实验项目，如非对称弯曲，剪切中心测定，开口、闭口薄壁杆件和连梁筒体扭转实验，多层楼房组合柱内力的动静态测试，以及材料损伤测定等。 工程材料品种繁多，新的材料又在不断出现，其力学性能的测试内容和方法也不全相同。因此，本书将突出重点，论述在工程上广泛应用的材料力学试验方法、规定及有关结果。

本书的编写和出版得到了中山大学理工学院力学系和教务处的大力支持。在此表示衷心感谢。

限于编者水平，书中难免存在错漏之处，恳请读者批评指正。

编者于中山大学

2004年5月

中山大学

内容提要

本书为工程材料力学试验课教材，全书共分五章：第一章 绪论，第二章 介绍工程材料力学试验常用设备仪器，包括计算机控制的试验机和计算机实验数据采集系统等先进设备，第三章为基本实验，第四章为设计性实验，第五章为研究性实验。在阐述试验方法和实验数据分析时，以国家标准为依据。 本书的实验内容结合工程实际，有特色，面广深度大。试验设备、仪器和实验技术反映了当今材料力学试验的新水平。

除了作为高等学校材料力学教学用书外，此书也可供有关的试验工作人员参考。作为教学用书，教师可根据实际情况全做或选做相应的试验项目。

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目 录

第一章 绪论................................................................................................................. 1

第二章 工程材料力学试验常用设备仪器....................................................................... 3

第一节 液压式万能材料试验机.............................................................................. 4

第二节 数显式液压万能试验机.............................................................................. 7

第三节 微机控制电液伺服试验机 .......................................................................... 10

第四节 机械式万能材料试验机............................................................................ 12

第五节 电子万能试验机 ...................................................................................... 14

第六节 摆锤式扭转试验机..................................................................................... 16

第七节 电子式扭转试验机................................................................................... 20

第八节 冲击试验机 ............................................................................................. 22

第九节 布洛维三用硬度计..................................................................................... 25

第十节 显微硬度计 ............................................................................................. 28

第十一节 疲劳试验机.......................................................................................... 30

第十二节 电阻应变仪............................................................................................ 34

第十三节 电阻应变片拉压力传感器和位移传感器................................................ 41

第十四节 实验数据的计算机采集处理系统 .......................................................... 45

第三章 基本实验 ........................................................................................................ 52

实验一 钢筋和铸铁拉伸试验 ................................................................................. 52

实验二 电测法测量杨氏模量E和泊桑比 ....................................................... 59

实验三 压缩试验................................................................................................... 63

实验四 剪切试验................................................................................................... 66

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实验五 低碳钢和铸铁扭转试验............................................................................ 68

实验六 梁弯曲正应力测试..................................................................................... 72

实验七 冲击试验................................................................................................... 75

实验八 金属材料布、洛氏硬度试验..................................................................... 77

实验九 显微硬度试验............................................................................................ 81

实验十 压杆临界压力测定 .................................................................................. 83

实验十一 疲劳试验 ............................................................................................. 86

实验十二 规定非比例伸长应力测定....................................................................... 90

实验十三 混凝土力学性能测试 ........................................................................... 94

实验十四 动应力测试 ......................................................................................... 97 实验十五 振动幅频曲线测试 ............................................................................. 100

第四章 设计性实验 .................................................................................................. 103

实验十六 真应力－真应变曲线测定 ................................................................... 108 实验十七 木材力学性能测试 ............................................................................. 110 实验十八 矩形截面杆扭转 ................................................................................. 112 实验十九 铝和钢组合梁（铆接、迭合）试验....................................................... 115 实验二十 槽钢、角钢剪切中心测定.................................................................... 118 实验二十一 Z钢、角钢非对称弯曲变形测定 ....................................................... 120 实验二十二 薄壁杆件（开口、闭口）扭转试验 ................................................... 122 实验二十三 具有连梁的筒体扭转试验 ................................................................. 123 实验二十四 箱形刚架的变形和内力测定.............................................................. 125 实验二十五 有孔板条应力集中测试..................................................................... 126 实验二十六 工字梁腹板应力测试 ........................................................................ 128 实验二十七 钢索E值测试 .................................................................................. 131 实验二十八 半圆拱试验 …………………………………………………...……….133

第五章 研究性实验 .................................................................................................. 135

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实验二十九 多层楼房组合柱内力静动态测试....................................................... 135 实验三十 材料损伤参数测试 ............................................................................... 136 参考资料 .................................................................................................................... 138

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第一章

一． 工程材料力学试验的重要性 绪论

工程材料是用于各种工程建设、制造的材料的总称。它是进行各项工程建造的物质基础。如楼房、道路、桥梁、车辆、轮船、飞机、码头港口、以及各种各样的机器仪表等等，都少不了各种各样的工程材料。所用材料的力学性能如何直接关系到各项工程结构的性能和安全。不按设计施工要求，采用力学性能差的材料建造房屋、桥梁等，难免有一天发生倒楼塌桥的严重事故，这就是人们所说的“豆腐渣”工程。因此，工程材料的力学试验是工程建设中不可少的。如建筑工程中所用的钢筋、混凝土都必须进行力学性能测试，确保工程质量。由此可见，工程材料的力学试验是一项十分重要的工作，它为工程设计者提供实测的工程材料的力学性能参数，又为建设部门把住施工材料的质量关，防止“豆腐渣”工程。

工程材料力学试验的重要性不仅体现在上面所论述的内容，还在于它对材料力学理论 材料力学的奠基石，就是在实验中建立起来的。根据实验现象而提出的各种假说，以及在这些假说条件下推导出的理论计算公式，如弯曲、扭转的应力计算等，其正确性如何，还得通过实验来证明。科学工作者在实践中建立了各种理论，又在实践中检验和发展这些理论。特别是对新材料的力学性能的认识，更是离不开力学试验。总之，实验是科学研究的基础。不能把实验误解为只是简单的操作过程，而应当把它作为理论与实际相结合的过程，是深化认识和开拓新见解的过程。

二． 工程材料力学试验的内容

工程材料力学试验的内容有以下三方面：

１． 材料的力学性能测试

这部分试验是指在各种材料试验机或试验装置上所进行的拉伸、压缩、扭转、剪切、冲击、硬度、疲劳、断裂和损伤等试验。其目的在于测定材料的力学性能指标，如强度极限 b和 b；屈服极限 s和 s，或规定非比例伸长应力 ，或规定残余伸长应力 ，弹性模量E，p0.2r0..2波桑比 ，断后伸长率 ，冲击吸收功AKV等等。这些参数反映了受试材料的力学性能指标，是工程设计时的重要参数。在开发研究一种新型材料的时候，材料的力学性能测试是一项十分重要的工作。

２． 应力、应变、内力和变形的测试分析

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某些构件，由于几何形状复杂，或受力状态复杂，或边界条件较难确定，理论求解比较困难，这时可采用电测法、光测法和应用各种力、力矩、位移传感器及仪表进行应力、应变、内力和变形的测量。由于后续课程中有“实验应力分析”，因此，在这里仅介绍有关的内容。

３．验证理论公式

前面已指出，理论公式是否正确必须由实验来检验。这部分的实验是验证已建立起来的材料力学理论公式，如梁的弯曲应力、压杆稳定等。

三． 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，在进行工程材料力学性能的测试时，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。

四．实验报告

顾名思义，实验报告就是对所做的实验进行综合的报告。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。