第一章绪 论 §1一1实验的意义和基本内容 材料力学实验是教学中的一个重要的环节。材料力学的结论及定律、材料的力学的 性质（机械性质）都要通过实验来验证或测定：各种复杂构件的强度和刚度的研究，也 需要通过实验才能解决。故实验课能巩固、加强和应用基本理论知识，掌握测定材料机 械性能及测定应力和变形的基本方法，学会使用有关的机器及仪表（如材料试验机、电 阻应变仪等)，初步培养独立确定实验方案、分析处理实验结果的能力。通过实验还能培 养严肃认真的工作态度，实事求是的科学作风和爱护财物的优良品质。因此，实验是工 程专业学生必须掌握的基本技能。 材料力学实验一般可以分为以下三类： 一、测定材料的的力学性质 构件设计时，需要了解所用材料的力学性质。如经常用到的材料的屈服极限、强度 极限和延伸率等。这些力学性质数据，是通过拉伸、压缩、扭转和冲击等试验测定的。 学生通过这类试验的基本训练，可掌握材料的力学性质的基本测定方法，进一步巩固有 关材料力学性质的知识。 二、验证材料力学理论 把实际问题抽象为理想的计算模型，再根据科学的假设，推导出一般性公式，这是 研究材料力学通常采用的方法。然而，这些简化和假设是否正确，理论计算公式能否在 设计中应用，必须通过实验来验证。学生通过这类实验，可巩固和加深理解基本概念， 学会验证理论的实验方法。 三、实验应力分析 工程实际中，常常会遇到一些构件的形状和载荷十分复杂的情况（如高层建筑物 机车车辆结构等)。关于它们的强度问题、单靠理论计算，不易得到满意的结果。因此 近几十年来发展了实验应力分析的方法，即用实验方法解决应力分析的问题。其内容主 要包括电测法、光测法等，目前已成为解决工程实际问题的有力工具。本书着重介绍目 前应用较广的电测技术。 随着我国现代化建设事业的发展，新的材料不断涌现，新型结构层出不穷，给强度 问题和实验应力分析提出了许多新课题。因此，材料力学实验的内容，愈来愈丰富，实 验技术也将变得更为多样并得以提高。作为一名工程技术人员，只有扎实地掌握实验的 基础知识和技能，才能较快地接受新的知识内容，赶上科技浪潮。 §1一2实验程序 本书列入的实验，其实验条件以常温、载静为主。主要测量作用在试件上的载荷和试件 的变形。载荷有的要求较大，由几千牛顿到几百千牛顿，故加力设备有的较大：而变形 则很小，绝对变形可以小到千分之一毫米，相对变形（应变）可以小到10°~10，因而 变形测量设备必须精密。进行试验，力与变形要同时测量，一般需数人共同完成。 1
1 第一章 绪 论 § 1－1 实验的意义和基本内容 材料力学实验是教学中的一个重要的环节。材料力学的结论及定律、材料的力学的 性质（机械性质）都要通过实验来验证或测定；各种复杂构件的强度和刚度的研究，也 需要通过实验才能解决。故实验课能巩固、加强和应用基本理论知识，掌握测定材料机 械性能及测定应力和变形的基本方法，学会使用有关的机器及仪表（如材料试验机、电 阻应变仪等），初步培养独立确定实验方案、分析处理实验结果的能力。通过实验还能培 养严肃认真的工作态度，实事求是的科学作风和爱护财物的优良品质。因此，实验是工 程专业学生必须掌握的基本技能。 材料力学实验一般可以分为以下三类： 一、测定材料的的力学性质 构件设计时，需要了解所用材料的力学性质。如经常用到的材料的屈服极限、强度 极限和延伸率等。这些力学性质数据，是通过拉伸、压缩、扭转和冲击等试验测定的。 学生通过这类试验的基本训练，可掌握材料的力学性质的基本测定方法，进一步巩固有 关材料力学性质的知识。 二、验证材料力学理论 把实际问题抽象为理想的计算模型，再根据科学的假设，推导出一般性公式，这是 研究材料力学通常采用的方法。然而，这些简化和假设是否正确，理论计算公式能否在 设计中应用，必须通过实验来验证。学生通过这类实验，可巩固和加深理解基本概念， 学会验证理论的实验方法。 三、实验应力分析 工程实际中，常常会遇到一些构件的形状和载荷十分复杂的情况（如高层建筑物、 机车车辆结构等）。关于它们的强度问题、单靠理论计算，不易得到满意的结果。因此， 近几十年来发展了实验应力分析的方法，即用实验方法解决应力分析的问题。其内容主 要包括电测法、光测法等，目前已成为解决工程实际问题的有力工具。本书着重介绍目 前应用较广的电测技术。 随着我国现代化建设事业的发展，新的材料不断涌现，新型结构层出不穷，给强度 问题和实验应力分析提出了许多新课题。因此，材料力学实验的内容，愈来愈丰富，实 验技术也将变得更为多样并得以提高。作为一名工程技术人员，只有扎实地掌握实验的 基础知识和技能，才能较快地接受新的知识内容，赶上科技浪潮。 §1－2 实验程序 本书列入的实验，其实验条件以常温、载静为主。主要测量作用在试件上的载荷和试件 的变形。载荷有的要求较大，由几千牛顿到几百千牛顿，故加力设备有的较大；而变形 则很小，绝对变形可以小到千分之一毫米，相对变形（应变）可以小到 10-5～10-6，因而 变形测量设备必须精密。进行试验，力与变形要同时测量，一般需数人共同完成
这就要求严密地组织协作，形成有机的整体，以便有效地完成试验。 一、准备 明确试验目的、原理和步骤，数据处理方法。试验用的试件（或模型）是试验的对 象，要了解它的原材料的质量，加工精度，并细心地测量试件的尺寸。同时要对试件加 载量值进行估算、并拟出加载方案。此外，应备齐记录表格以供试验时记录数据。 实验小组成员，分工明确，操作互助协调，有统一指挥，不可各行其是。试验时， 要有默契或口令，以便互相对应动作。 对所使用的机器和仪器要进行适当的选择（在教学试验中，试验用的机仪器往往是 指定的，但对选择工作怎样进行应当有所了解)。选择试验机的根据是：⊙需用力的类型 (如使试件拉伸、压缩、弯曲或扭转的力)：⊙需用力的量值。前者由试验目的来决定， 后者则主要依据试件（或模型）尺寸来决定。变形仪和择选，应根据试验精度以及梯度 等因素决定。此外，使用是否方便、变形仪安装有无闲难，也都是选用时应当考虑的问 题。 试经作做得愈充分，则试验的进行便会愈顺利，实验工作质量也 开始试验前，要检查试验机测力度盘指针是否对准零点、试件安装是否正确、变形 仪是否安装稳妥等。最后请指导教师检查，确认无误后方可开动机器。第一次加载可不 作记录（不允许重复加载的试验除外），观察各部分变化是否正常。如果正常、再正式加 载并开始记录。记录者及操作者均须严肃认真、一丝不苟地进行工作。试验完毕，要检 查数据是否齐全，并注意清理设备，把借用的仪器归还原处。 三、实验报告 实验报告是实验者最后的成果，是实验资料的总结。报告包括下列内容： 1.实验名称，实验日期，实验人员姓名，同组成员名单。 2.实验目的及原理 3。使用的机器、仪表应注明名称、型号、精度（或放大倍数）等。其它用具也应写 清，并绘出装置简图。 4.实验数据及处理数据要正确填入记录表格内，注明测量单位，如厘米或毫米，牛 顿或千牛顿。此外，还要注意仪器的精度。在正常状况下，仪器所给出的最小读数，应 当在允许误差范围之内。换言之，仪器的最小刻度应当代表仪器的精度。如：百分表的 最小刻度是0.01m,其精度即百分之一毫米。应按误差分析理论对数据进行处理。表格 均应整洁，书写清晰，使人容易看出全部测量结果的变化情况和它们的单位及准确度。 实验中所用仪器的度盘若是用工程单位制标定的，数据整理时一律使用国际单位制。 5.计算在材料力学试验中，用计算器计算，精度足够。但须注意有效数字的运算法 则。工程上一般取3~4位有效数字。 6.图线表示结果注意事项，除根据测得的数据整理并计算出试验结果外，一般还要 采用图表或曲线来表达试验的结果。先建立坐标系，并注明坐标轴所代表的物理量及比 例尺。将试验的坐标点用记号“，”或“.”、“△”、“X”表示出来。当联接曲线时，不 要用直线逐点连成折线，应该根据多数点的所在位置，描绘出光滑的曲线。例如图1() 即为不正确的描法，图1(b)为正确的描法。 2
2 这就要求严密地组织协作，形成有机的整体，以便有效地完成试验。 一、准备．． 明确试验目的、原理和步骤，数据处理方法。试验用的试件（或模型）是试验的对 象，要了解它的原材料的质量，加工精度，并细心地测量试件的尺寸。同时要对试件加 载量值进行估算、并拟出加载方案。此外，应备齐记录表格以供试验时记录数据。 实验小组成员，分工明确，操作互助协调，有统一指挥，不可各行其是。试验时， 要有默契或口令，以便互相对应动作。 对所使用的机器和仪器要进行适当的选择（在教学试验中，试验用的机仪器往往是 指定的，但对选择工作怎样进行应当有所了解）。选择试验机的根据是：○一 需用力的类型 （如使试件拉伸、压缩、弯曲或扭转的力）；○二 需用力的量值。前者由试验目的来决定， 后者则主要依据试件（或模型）尺寸来决定。变形仪和择选，应根据试验精度以及梯度 等因素决定。此外，使用是否方便、变形仪安装有无困难，也都是选用时应当考虑的问 题。 若准备工作做得愈充分，则试验的进行便会愈顺利，实验工作质量也愈高。 二、试验．． 开始试验前，要检查试验机测力度盘指针是否对准零点、试件安装是否正确、变形 仪是否安装稳妥等。最后请指导教师检查，确认无误后方可开动机器。第一次加载可不 作记录（不允许重复加载的试验除外），观察各部分变化是否正常。如果正常、再正式加 载并开始记录。记录者及操作者均须严肃认真、一丝不苟地进行工作。试验完毕，要检 查数据是否齐全，并注意清理设备，把借用的仪器归还原处。 三、实验报告 ．．．． 实验报告是实验者最后的成果，是实验资料的总结。报告包括下列内容： 1． 实验名称，实验日期，实验人员姓名，同组成员名单。 2． 实验目的及原理。 3．使用的机器、仪表应注明名称、型号、精度（或放大倍数）等。其它用具也应写 清，并绘出装置简图。 4．实验数据及处理数据要正确填入记录表格内，注明测量单位，如厘米或毫米，牛 顿或千牛顿。此外，还要注意仪器的精度。在正常状况下，仪器所给出的最小读数，应 当在允许误差范围之内。换言之，仪器的最小刻度应当代表仪器的精度。如：百分表的 最小刻度是 0.01mm，其精度即百分之一毫米。应按误差分析理论对数据进行处理。表格 均应整洁，书写清晰，使人容易看出全部测量结果的变化情况和它们的单位及准确度。 实验中所用仪器的度盘若是用工程单位制标定的，数据整理时一律使用国际单位制。 5．计算在材料力学试验中，用计算器计算，精度足够。但须注意有效数字的运算法 则。工程上一般取 3～4 位有效数字。 6．图线表示结果注意事项，除根据测得的数据整理并计算出试验结果外，一般还要 采用图表或曲线来表达试验的结果。先建立坐标系，并注明坐标轴所代表的物理量及比 例尺。将试验的坐标点用记号“。”或“.”、“△”、“×”表示出来。当联接曲线时，不 要用直线逐点连成折线，应该根据多数点的所在位置，描绘出光滑的曲线。例如图 1（a） 即为不正确的描法，图 1（b）为正确的描法
D (a)不正确描法 图1一1 (6)正确描法 7.试验的总结及体会，对试验的结果进行分析，说明其优缺点之所在、精度是否满 足要求等。对误差加以分析，并回答教师指定的思考题。 §1一3误差分析及数据处理简介 一、误差的概念及分类 实验中，依靠各种仪表、量具测量某个物理量时，由于主客观原因，总不可能测得 该物理量的真值，即在测量中存在着误差。若对实验数据取舍和误差分析得当，则一方 面可以避免不必要的误差，另一方面可以正确地处理测量数据，使其最大限度地接近真 值。 测量误差根据其产牛原闲和性质可可以分为系统误差、时失误差和随机误差。实验时 必须明确自己所使用的仪器、量具本身的精度，创造好的环境条件，认真细致地工作， 这样就可使误差控制在最小程度。 二、系统误差的消除与增量法 分析实验中的具体情况，可以尽可能地减小其至消除系统误差。常用的方法有： 1、对称法：材力实验中所采用的对称法包括两类：对称读数一一例如拉伸试验中， 试件两侧对称地装上引伸仪测量变形，取其平均值就可消去加载偏心造成的影响（球铰 式引伸仪构造本身减弱了这种影响)：再如，为了达到同样目的，可在试件对称部位分别 贴应变片。加载对称一一在加载和卸载时分别读数，这样可以发现可能出现的残余应力 应变，并减小过失误差。 2、校正法：经常对实验仪表进行校正，以减小因仪表不准所造成的系统误差。如根 据计量部门规定，材料试验机的测力度盘（相对误差不能大于1%）必须每年用标准测力 计（相对误差小于0.5%）校准：又如电阻变应仪的灵敏系数度盘，应定期用标准应变模 拟仪进行校准。 3、增量法（逐级加载法）：当需测量某根杆件的变形或应变时，在比例极限内，载 荷由P,牛顿增加到P、PP.。在测量仪表上，便可以读出各级载荷所对应的读数 A、A、A.Ai.。△A=A一A-1称为读数差。各个读数的平均值就是当载荷增加△P (一般载荷都是等量增减)时的平均变形或应变。 增量法可以避免某些系统误差的影响。如材料试验机如果有摩擦力f(常量)存在， 则每次施加于试件上的真实力为P十f,P,十f .。再取其增量△P=(P+f)一(P+f 3
3 δ P P 0 0 δ (a)不正确描法 图 1—1 (b)正确描法 7．试验的总结及体会，对试验的结果进行分析，说明其优缺点之所在、精度是否满 足要求等。对误差加以分析，并回答教师指定的思考题。 §1－3 误差分析及数据处理简介 一、误差的概念及分类 实验中，依靠各种仪表、量具测量某个物理量时，由于主客观原因，总不可能测得 该物理量的真值，即在测量中存在着误差。若对实验数据取舍和误差分析得当，则一方 面可以避免不必要的误差，另一方面可以正确地处理测量数据，使其最大限度地接近真 值。 测量误差根据其产生原因和性质可以分为系统误差、过失误差和随机误差。实验时， 必须明确自己所使用的仪器、量具本身的精度，创造好的环境条件，认真细致地工作， 这样就可使误差控制在最小程度。 二、系统误差的消除与增量法 分析实验中的具体情况，可以尽可能地减小甚至消除系统误差。常用的方法有： 1、对称法：材力实验中所采用的对称法包括两类：对称读数——例如拉伸试验中， 试件两侧对称地装上引伸仪测量变形，取其平均值就可消去加载偏心造成的影响（球铰 式引伸仪构造本身减弱了这种影响）；再如，为了达到同样目的，可在试件对称部位分别 贴应变片。加载对称——在加载和卸载时分别读数，这样可以发现可能出现的残余应力 应变，并减小过失误差。 2、校正法：经常对实验仪表进行校正，以减小因仪表不准所造成的系统误差。如根 据计量部门规定，材料试验机的测力度盘（相对误差不能大于 1%）必须每年用标准测力 计（相对误差小于 0.5%）校准；又如电阻变应仪的灵敏系数度盘，应定期用标准应变模 拟仪进行校准。 3、增量法（逐级加载法）：当需测量某根杆件的变形或应变时，在比例极限内，载 荷由 P1 牛顿增加到 P2、P3.Pi.。在测量仪表上，便可以读出各级载荷所对应的读数 A1、A2、A3.Ai.。ΔA=Ai—Ai-1 称为读数差。各个读数的平均值就是当载荷增加 ΔP （一般载荷都是等量增减）时的平均变形或应变。 增量法可以避免某些系统误差的影响。如材料试验机如果有摩擦力 f（常量）存在， 则每次施加于试件上的真实力为 P1＋f ，P2＋f. 。再取其增量 ΔP＝（P2+f）－（P1+f）
=P,-P,摩擦力f便消去了。又如某试验者读引伸仪时，习惯于把数字读得偏高。如 果采用增量法，而试验过程中自始至终又都是同一个人读数，个人的偏向所带来的系统 误差也可以消除掉。 试验过程中，记录人员如果能随时将读数差算出，还可以消去由于实验者粗心所致 的过失误差。 材料力学实验中，一般采用增量法。 三、实验数据整理的几条规定 1、读数规定 1)、从仪表或量具上读出的标度值是试验的原始数据，一定要认真对待，如实地记 录下来，不得进行任何加工整理。 2)、表盘读数一般读到最小分格的1/10，其中最后一位有效数字是可疑数字。 2、数据取舍的规定 明显不合理的实验结果通常称为异常数据。例如：外载增加了，变形反而减小：理 论上应为拉应力的区域测出为压应力等。这种异常数据往往由过失误差造成，发生这种 情况时必须首先找出数据异常的原因，再重新进行测试。对于明显不合理数据产生的原 因也应在实验报告中进行分析讨论。 3、实验结果运算的规定 1)、实验结果运算必须遵循有效数字的计算法则。 ①加减法运算时，各位所保留的小数点后的位数应与各数中小数点后位数最少的相 同。例如：8.346+0.0072+13.49应写为8.44+0.01+13.49=21.94而不应算成21.9332。 ②乘除法时，各因子保留的位数以有效数字最少的为准，所得积或商的准确度不应 高于准确度最低的因子。 ③大于或等于四个数据计算平均值时，有效数增加一位 2)、实验结果必须用国际单位制表示。 3)、对于理论值的验证实验，应计算实验值和理论值之间的相对误差。 相对误差=理论值一实验值X1O0% 理论值 对理论值为零的误差，计算时采用绝对误差
4 ＝P2－P1 ，摩擦力 f 便消去了。又如某试验者读引伸仪时，习惯于把数字读得偏高。如 果采用增量法，而试验过程中自始至终又都是同一个人读数，个人的偏向所带来的系统 误差也可以消除掉。 试验过程中，记录人员如果能随时将读数差算出，还可以消去由于实验者粗心所致 的过失误差。 材料力学实验中，一般采用增量法。 三、实验数据整理的几条规定 1、读数规定 1）、从仪表或量具上读出的标度值是试验的原始数据，一定要认真对待，如实地记 录下来，不得进行任何加工整理。 2）、表盘读数一般读到最小分格的 1/10，其中最后一位有效数字是可疑数字。 2、数据取舍的规定 明显不合理的实验结果通常称为异常数据。例如：外载增加了，变形反而减小；理 论上应为拉应力的区域测出为压应力等。这种异常数据往往由过失误差造成，发生这种 情况时必须首先找出数据异常的原因，再重新进行测试。对于明显不合理数据产生的原 因也应在实验报告中进行分析讨论。 3、实验结果运算的规定 1）、实验结果运算必须遵循有效数字的计算法则。 ①加减法运算时，各位所保留的小数点后的位数应与各数中小数点后位数最少的相 同。例如：8.346+0.0072+13.49 应写为 8.44+0.01+13.49＝21.94 而不应算成 21.9332。 ②乘除法时，各因子保留的位数以有效数字最少的为准，所得积或商的准确度不应 高于准确度最低的因子。 ③大于或等于四个数据计算平均值时，有效数增加一位。 2）、实验结果必须用国际单位制表示。 3）、对于理论值的验证实验，应计算实验值和理论值之间的相对误差。 相对误差= ×100% 对理论值为零的误差，计算时采用绝对误差。 理论值－实验值 理论值
第二章主要仪器设备介绍 §2一1液压式万能试验机 该机为WE系列试验机，能给试件（或模型）施加的最大载荷通常为5O、10OKN、 30OKN、600KN、1000KN和2000KN等多种，能兼作拉伸、压缩、剪切和弯曲等多种试验 并广泛应用于材料试验中。其组成结构可分为四大部分。主要由加载部分、测力部分 自动绘图器和操作面板共四部分组成。其外形如图2一1，结构原理如图2一2所示。 1品小横梁 、16工作油缸 15,话动立料 19.测力度盘 20.主力指针 21.从动指 25,摆杆 自动图器 6.下夹头 26.摆 器停止按扭 5固定立柱 39.启动按扭 生.蜗杆 2下夹头升降电动根 图21 液压式万能试验机外形图 18,小横坚 入渗油管) 6,工作油 一日油管 5活动立 14大横梁 支 一32.透油阀 五圆定立 油系 力油1 3.解轮 图2一2液压式万能试验机原理图
5 第二章 主要仪器设备介绍 §2－1 液压式万能试验机 该机为 WE 系列试验机，能给试件（或模型）施加的最大载荷通常为 50KN、100KN、 300KN、600KN、1000KN 和 2000KN 等多种，能兼作拉伸、压缩、剪切和弯曲等多种试验 并广泛应用于材料试验中。其组成结构可分为四大部分。主要由加载部分、测力部分、 自动绘图器和操作面板共四部分组成。其外形如图 2—1，结构原理如图 2—2 所示。 19.测力度盘 20.主力指针 21.从动指针 25.摆杆 26.摆锤 18.小横梁 16.工作油缸 15.活动立柱 14.大横梁 13.上压板 12.下压板 11.支座 10.活动平台 9.上夹头 8.试件 7.下夹头升降按扭 6.下夹头 5.固定立柱 4.蜗杆 2.下夹头升降电动机 1.底座 37.自动绘图器 32.进油阀 33.回油阀 38.停止按扭 39.启动按扭 油管 40.绘图笔 27.螺杆 图 2—1 液压式万能试验机外形图 19.测力度盘 20.主动针 21.从动针 22.推杆 23.支点 24.平衡铊 25.摆杆 26.摆锤 32.进油阀 33.回油阀 34.油箱 35.油泵 36.电动机 18.小横梁 17.工作活塞 16.工作油缸 15.活动立柱 14.大横梁 13.上压板 12.下压板 11.支座 10.活动平台 9.上夹头 8.试件 7.下夹头升降按扭 6.下夹头 5.固定立柱 4.蜗杆 3.蜗轮 2.下夹头升降电动机 1.底座 渗油管(3) 回油管(2) 进油管(1) 29.拉杆 30.测力活塞 27.齿轮 28.螺杆 31. 测力油缸 图 2—2 液压式万能试验机原理图