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材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)夸?br>**部分 基本實(shí)驗(yàn)
一、 材料的基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)一 材料在軸向拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能
二、 材料彈性常數(shù)的測定
實(shí)驗(yàn)二 工程材料彈性常數(shù)E、μ的測定
實(shí)驗(yàn)三 鋼材切變模量G的測定
三、 梁應(yīng)力與變形實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)四 直梁彎曲實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)五 梁變形實(shí)驗(yàn)
四、 組合變形實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)六 偏心拉伸實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)七 彎扭組合實(shí)驗(yàn)
**部分 演示實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)八 薄壁圓筒壓縮失穩(wěn)演示實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)九 光彈性演示實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)十 疲勞演示實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)十一 主動控制阻尼減緩演示實(shí)驗(yàn)
第三部分 綜合實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)十二 薄壁復(fù)合梁實(shí)驗(yàn) 1
**部分 基本實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)一 材料在軸向拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能
一、實(shí)驗(yàn)要求
1. 測定低碳鋼在拉伸時的屈服極限、強(qiáng)度極限、延伸率和斷面收縮率；
2. 觀察低碳鋼和鑄鐵在拉伸時的各種現(xiàn)象；
3. 觀察低碳鋼和鑄鐵在壓縮時的各種現(xiàn)象；
4. 觀察低碳鋼和鑄鐵在扭轉(zhuǎn)時的各種現(xiàn)象;
5. 觀察試件的斷口特征，分析其破壞原因，建立強(qiáng)度概念。
二、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備
1. 微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)；
2. 劃線機(jī)；
3. 引伸儀；
4. 游標(biāo)卡尺。
三、實(shí)驗(yàn)課安排
1、讓學(xué)生做出低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試件的拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線，以加深對塑性材料在拉伸時四個階段力學(xué)性能特點(diǎn)的認(rèn)識；
2、教師采用現(xiàn)場演示、講解與學(xué)生觀察、討論相結(jié)合的講授方法，使學(xué)生了解不同類型材料在拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)時的不同力學(xué)性能；
3、集中分析斷口特點(diǎn)，使學(xué)生認(rèn)識其破壞原因，從而建立強(qiáng)度概念。
2
實(shí)驗(yàn)二 工程材料彈性常數(shù)的測定 ——電測法測鋼材彈性模量E和泊松比μ
——引伸儀測鋁材彈性模量E
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>1.電測法測量鋼材彈性模量E和泊松比μ；
2.用引伸儀測鋁材彈性模量E；
2.驗(yàn)證單向拉伸虎克定律；
3.學(xué)習(xí)電測法的基本原理。
二、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備
1. 微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)
2. 電阻應(yīng)變儀
3. 引伸儀
4. 游標(biāo)卡尺
三、試件
中碳鋼矩形截面試件，材料的屈服極限360MPa。
矩形截面鋁試件，材料的屈服極限280MPa。
試件
實(shí)驗(yàn)裝置
四、實(shí)驗(yàn)原理和方法
電測法測定鋼材彈性常數(shù)E、μ, 一般采用比例極限內(nèi)的拉伸試驗(yàn)。材料在比例極限內(nèi)服從虎克定律，其關(guān)系式為：
0APEii?ΔΔ=ε =μεε′
用引伸儀測鋁材的彈性常數(shù)E，要求**地測量試件標(biāo)距內(nèi)的變形。其關(guān)系式為： AllPE?Δ?= 3
五、思考題
1. 如果試件上的應(yīng)變片位置及角度貼得不準(zhǔn)，對試驗(yàn)結(jié)果有無影響？
2. 電測法測彈性模量E，提出*佳布片方案？
3. 本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法有什么優(yōu)缺點(diǎn)？有無其他處理方法？
4
實(shí)驗(yàn)三 鋼材切變模量的測定
一． 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>1．測定鋼材的切變模量G；
二． 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和器材
1．微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)；
2．扭角儀；
3．電阻應(yīng)變儀；
4．百分表,游標(biāo)卡尺。
三． 試件
中碳鋼圓軸試件，直徑d = 40mm, σs= 360MPa
四． 實(shí)驗(yàn)方法
1．扭角儀測切變模量G
測量扭轉(zhuǎn)角的裝置如圖所示
實(shí)驗(yàn)原理 G =pITLΦ
實(shí)驗(yàn)扭轉(zhuǎn)角為：φ = bδ
δ——百分表?xiàng)U移動距離
b——百分表?xiàng)U觸點(diǎn)至試件軸的距離
2.電測法測切變模量G
實(shí)驗(yàn)原理 G =0452εpWT?
通過電測法可測出450方向的正應(yīng)變045ε
實(shí)驗(yàn)貼片:在試件表面貼直角電阻應(yīng)變花（如下圖）。
－45°
＋45°
測量方法：四分之一橋；二分之一橋；全橋。 5
實(shí)驗(yàn)四 直梁彎曲實(shí)驗(yàn)
一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>1. 用電測法測定純彎梁橫截面上的正應(yīng)變分布，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行比較。
2. 驗(yàn)證純彎理論的兩個假設(shè)；
3. 學(xué)習(xí)電測法的多點(diǎn)測量。
二. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：
1. 微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)；
2. 電阻應(yīng)變儀。
三． 實(shí)驗(yàn)試件：
本實(shí)驗(yàn)所用試件為中碳鋼矩形截面梁，其橫截面設(shè)計尺寸為h×b
=(50×30)mm2 ( 圖1 ), 材料的屈服極限σs= 360MPa, 彈性模量E=210GPa。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖
四.實(shí)驗(yàn)原理：
梁受純彎曲時（見圖1），根據(jù)平面假設(shè)和單向受力假設(shè)，其橫截面上的正應(yīng)力為線性分布，距中性層為 y 處的正應(yīng)力和正應(yīng)變分別為：
ZIyMy?=)(σ ZIEyMy??=)(ε 6
實(shí)驗(yàn)采用電測法，在梁純彎曲段某一橫截面A—B的不同高度（梁的頂面、底面、中性層及距中性層±15mm）處粘貼縱向電阻應(yīng)變片（見圖1），并在梁的上下表面處粘貼橫向應(yīng)變片。
實(shí)驗(yàn)加載方案采用增量法，分別測得上述各點(diǎn)在載荷增量△P作用下的應(yīng)變增量Δεi 。
五.思考題：
1.本次實(shí)驗(yàn)采用的夾具有何要求？
2.按擬定好的加載方案，如何用互補(bǔ)半橋接線法測定*大彎曲正應(yīng)變？
3.在試件A-B截面的上表面和下表面（圖1），沿縱軸方向分別再貼上R1’和R5’兩個應(yīng)變片，按擬定好的加載方案，如何用全橋接線法測*大彎曲正應(yīng)變？
4．如果已有兩個溫度補(bǔ)償片，在僅有R1和R1’或僅有R5和R5’兩個應(yīng)變片的情況下，如何用全橋接線法組成對橋測量電路？請畫出接線圖。
5．安裝試件時應(yīng)當(dāng)注意什么問題？
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實(shí)驗(yàn)五 梁變形實(shí)驗(yàn)
（1）簡支梁實(shí)驗(yàn)
（2）懸臂梁實(shí)驗(yàn)
（1）簡支梁實(shí)驗(yàn)
一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>1、簡支梁在跨度中點(diǎn)承受集中載荷P，測定梁*大撓度和支點(diǎn)處轉(zhuǎn)角，并與理論值比較；
2、驗(yàn)證位移互等定理；
3、測定簡支梁跨度中點(diǎn)受載時的撓曲線（測量數(shù)據(jù)點(diǎn)不少于7個）。
P
fmax
θ
二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：
1、簡支梁及支座；
2、百分表和磁性表座；
3、砝碼、砝碼盤和掛鉤；
4、游標(biāo)卡尺和鋼卷尺。
三、 試件及實(shí)驗(yàn)裝置：
中碳鋼矩形截面梁，=sσ360MPa，E=210GPa。
實(shí)驗(yàn)裝置圖 8
四、 實(shí)驗(yàn)原理：
1、簡支梁在跨度中點(diǎn)承受集中載荷P時，跨度中點(diǎn)處的撓度*大；
2、梁小變形時，簡支梁某點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角)(θθtg≈；
3、驗(yàn)證位移互等定理部分請參照理論課教材的相關(guān)內(nèi)容，自行確定實(shí)驗(yàn)方案；
五、 思考題：
1、簡支梁非支點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角是否可以通過本實(shí)驗(yàn)測出？為什么？
2、驗(yàn)證位移互等定理時，是否可在梁上任選兩點(diǎn)進(jìn)行測量？
3、在測定梁撓曲線時，如果要求百分表不能移動，能否測出撓度曲線？怎樣測？
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（2） 懸臂梁實(shí)驗(yàn)
一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>利用貼有應(yīng)變片的懸臂梁裝置，確定黑色砝碼的質(zhì)量m。
二.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：
1.懸臂梁支座；
2.電阻應(yīng)變儀；
3.白色砝碼兩個，黑色砝碼一個，砝碼盤和掛鉤。
4.游標(biāo)卡尺和鋼卷尺。
三.實(shí)驗(yàn)試件及裝置：
中碳鋼矩形截面梁，屈服極限бs=360MPa,彈性模量E=210GPa。
RB
RA
mg
圖（1）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
四.實(shí)驗(yàn)原理：
在某一橫截面的上下表面A點(diǎn)和B點(diǎn)分別沿縱向粘貼電阻應(yīng)變片。
加載方案采用重復(fù)加載，要求重復(fù)加載次數(shù)n≥4。ΔP = mg 。
由梁的彎曲正應(yīng)力公式導(dǎo)出黑色砝碼重量mg的計算公式
lWEmgz?Δ?=ε
五.思考題：
1.如果要求只用梁的A點(diǎn)或B點(diǎn)上的電阻應(yīng)變片，如何測黑色砝碼的質(zhì)量？
2.如果要求梁A點(diǎn)和B點(diǎn)上的電阻應(yīng)變片同時使用，如何測黑色砝碼的質(zhì)量？
3.比較以上兩種方法，分析哪種方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確？
4.如果懸臂梁因條件所限只能在自由端端點(diǎn)處安裝百分表，如何測得懸臂梁自由端受載時的撓曲線。（要求測量點(diǎn)不少于5點(diǎn)）
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實(shí)驗(yàn)六 偏心拉伸實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>1．測*大正應(yīng)變maxε
2．測中碳鋼材料的彈性模量E
3．測構(gòu)件的偏心距e
4．進(jìn)一步學(xué)習(xí)電測方法
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備
1．微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)；
2．電阻應(yīng)變儀；
3．游標(biāo)卡尺。
三、試件
中碳鋼矩形截面試件，（如圖所示）。
截面的名義尺寸為h×b = (7.0×30)mm2 ，σS = 360MPa。
四、實(shí)驗(yàn)原理
在外載荷作用下，試件承受偏心拉伸，偏心距為e。在試件兩側(cè)面的a點(diǎn)和b點(diǎn)處分別沿試件縱向粘貼應(yīng)變片Ra和Rb ,則：
εa =εp +εM +εt
εb =εp -εM +εt
式中： εp——軸力P產(chǎn)生的應(yīng)變
εM——彎距M產(chǎn)生的應(yīng)變
εt——溫度t產(chǎn)生的應(yīng)變
通過不同的組橋方式即可將式中的εp+εM、εp及εM值分離出來，進(jìn)一步求得*大正應(yīng)變maxε，彈性模量E和偏心距e值。
思考題
1．材料在單向偏心拉伸時，分別有哪些內(nèi)力存在。
2．用不同的組橋方式測εP時，哪種方式測量精度高。 11
實(shí)驗(yàn)七 彎扭組合試驗(yàn)
一． 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>1． 用電測法測定平面應(yīng)力狀態(tài)下一點(diǎn)處的主應(yīng)力大小和主平面的方位；
2． 測定彎扭組合變形桿件中，分別由彎矩和扭矩引起的應(yīng)變，并確定該截面上彎矩、扭矩的數(shù)值；
3． 學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變花的應(yīng)用。
二． 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備
1． 微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)；
2． 電阻應(yīng)變儀 ；
三． 試驗(yàn)裝置
彎扭組合試驗(yàn)裝置如圖所示，中碳鋼材料屈服極限sσ＝360MPa，彈性模量E＝206GPa，泊松比μ＝0.28。
實(shí)驗(yàn)裝置圖
四． 實(shí)驗(yàn)原理
圓軸試件的一端固定，另一端通過一拐臂（l1＝150mm）承受集中荷載P，圓軸處于彎扭組合變形狀態(tài)，在軸某一橫截面A－B(l2＝150mm)的上、下兩點(diǎn)沿0°和±45°方向貼電阻應(yīng)變片。
本次實(shí)驗(yàn)采用三軸直角應(yīng)變花，沿θa＝－45°、θb＝0°、θc＝+45°粘貼，測得以上三個方向的線應(yīng)變值，根據(jù)材料力學(xué)公式：12
αγαεεεεεα2sin22cos22xyyxyx+?++= （1）
可求得εx、εy、γxy。
再根據(jù)廣義虎克定律、主應(yīng)力計算公式和主平面方位角計算公式，即可得到某點(diǎn)處主應(yīng)力的大小和主平面的方位。
構(gòu)件受彎矩M和扭矩MT作用，其表面的任一點(diǎn)皆為平面應(yīng)力狀態(tài)。
任一截面彎矩、扭矩的測試方法如下：
彎矩測量
以某截面上應(yīng)力*大的上點(diǎn)或下點(diǎn)作為測量點(diǎn)。因?yàn)檩S向應(yīng)力бx由彎矩M引起，故應(yīng)利用沿X方向的應(yīng)變片，由于
бx＝EεX＝M／WZ
故 M＝EWZε0
式中ε0的測量可用1/4橋接法，也可采用半橋接法。
扭矩測量
剪應(yīng)力τxy是扭矩MT引起的，MT應(yīng)通過τxy來測量。由式(1)可知γxy與ε±45°有關(guān)，故測MT時應(yīng)利用沿±45°方向的應(yīng)變片。
γxy的測量可按半橋或全橋組橋。
五、思考題
如果要求一次加載同時測出作用在A-B截面上的彎矩和扭距，如何實(shí)現(xiàn)。
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**部分 演示實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)八 薄壁圓筒壓縮失穩(wěn)演示實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>1、觀察薄壁圓筒受壓時變形特點(diǎn)；
2、分析薄壁圓筒受壓破壞的原因，加深對穩(wěn)定性問題的認(rèn)識。
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：
1、微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)；
三、實(shí)驗(yàn)課安排：
實(shí)驗(yàn)課采用教師現(xiàn)場演示、講解與學(xué)生參觀、討論相結(jié)合的講授辦法，使學(xué)生了解試件的不同破壞特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生對力學(xué)學(xué)科的興趣。
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實(shí)驗(yàn)九 光彈性演示實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>1、參觀平面光彈性實(shí)驗(yàn)裝置，觀察純彎梁的應(yīng)力場及帶孔拉伸試件的孔邊應(yīng)力場；
2、參觀近代光學(xué)測試裝置，用焦散線法測裂紋**應(yīng)力強(qiáng)度因子；
3、通過三組演示實(shí)驗(yàn)，直觀了解光測法的基本原理及特點(diǎn)，并加深對局部應(yīng)力的認(rèn)識。
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：
1、409-2型光彈儀；
2、激光光源；
3、傅立葉光學(xué)鏡片；
4、圖像采集系統(tǒng)。
三、實(shí)驗(yàn)課安排：
實(shí)驗(yàn)課采用教師現(xiàn)場演示、講解與學(xué)生參觀、討論相結(jié)合的講授辦法，使學(xué)生了解不同的實(shí)驗(yàn)測試方法。
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實(shí)驗(yàn)十 疲勞演示實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>1、參觀疲勞實(shí)驗(yàn)設(shè)備；
2、了解疲勞載荷的特點(diǎn)；
3、了解疲勞強(qiáng)度和疲勞特性曲線的測定方法；
4、觀察金屬材料在交變載荷作用下的破壞特點(diǎn)。
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：
1、懸臂式疲勞試驗(yàn)機(jī)；
2、純彎疲勞試驗(yàn)機(jī)；
3、高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)。
三、實(shí)驗(yàn)課安排：
實(shí)驗(yàn)課采用教師現(xiàn)場演示、講解與學(xué)生參觀、討論相結(jié)合的講授辦法，使學(xué)生了解試件在動載荷作用下的力學(xué)行為特點(diǎn)，觀察疲勞破壞試件斷口，認(rèn)識動載荷與靜載荷對構(gòu)件的不同作用效果。
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實(shí)驗(yàn)十一 主動控制阻尼減緩演示實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>1、參觀主動控制阻尼減緩系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置；
2、了解梁的長度對梁振動模態(tài)的影響；
3、了解利用智能材料控制梁振動的方法及其應(yīng)用。
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：
1、表面貼有壓電陶瓷的不同長度懸臂梁裝置兩個；
2、控制箱；
3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
三、實(shí)驗(yàn)課安排：
實(shí)驗(yàn)課采用教師現(xiàn)場演示、講解與學(xué)生參觀、討論相結(jié)合的講授辦法，使學(xué)生了解梁振動的特點(diǎn)以及智能材料的應(yīng)用。
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第三部分 綜合性實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)十二 薄壁復(fù)合梁實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
薄壁復(fù)合梁的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力與變形分析：
學(xué)生可以自行選擇兩種材料的組合形式：搭接、搭接加潤滑油、膠接加鉚接等。自己提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容、擬定實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，獨(dú)立查閱參考文獻(xiàn)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如果對實(shí)驗(yàn)結(jié)果不滿意，在分析原因和制定新的實(shí)驗(yàn)方案后，可以多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師應(yīng)學(xué)生要求，在實(shí)驗(yàn)過程中參與討論，進(jìn)行必要的指導(dǎo)。
鼓勵學(xué)生探討與材料力學(xué)理論公式不相符的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對材料力學(xué)的力學(xué)模型，理論公式的精度及適用范圍結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評價，鼓勵學(xué)生提出自己的見解，對具體的問題提出改進(jìn)方案。
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試件：
1、微控電子實(shí)驗(yàn)機(jī)；
2、電阻應(yīng)變儀與相應(yīng)的配套設(shè)備；
2、鋁合金薄壁矩形截面型材（開口和閉口兩種），中碳鋼板條；
3、上述兩種型材的復(fù)合梁（膠接加鉚接）。
鋁合金型材
鋼板型材
三、實(shí)驗(yàn)時間
課內(nèi)時間一般為４～６學(xué)時，**次課集中上，以后約定時間（開放實(shí)驗(yàn)室）。
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四、考核方式
學(xué)生提交試驗(yàn)小論文一篇。教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、小論文的深度進(jìn)行評分。注重學(xué)生的動手能力，注重獨(dú)立見解。
五、參考文獻(xiàn)
原則上自行查找，下屬文獻(xiàn)僅作舉例。
【1】 單輝祖．材料力學(xué)Ⅰ、Ⅱ．北京：高等教育出版社，1999．
深入閱讀梁應(yīng)力分析，薄壁件分析等內(nèi)容，領(lǐng)會“實(shí)驗(yàn)觀測——假設(shè)——理論推導(dǎo)"的研究技術(shù)路線。
【2】 于學(xué)進(jìn)，李文泉．力學(xué)在比薩斜塔糾偏中的應(yīng)用．力學(xué)與實(shí)踐．2001，23（6）：71-72．
了解解決實(shí)際工程難題“問題——分析和方案——失敗——再研究——失敗或部分成功?——成功"的艱難過程。
【3】蔣持平．材料力學(xué)教學(xué)中的科學(xué)思維方式培養(yǎng)．力學(xué)與實(shí)踐，2001，23（3）：52．小問題329，考慮力學(xué)建模的多樣性與精度
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