本书共分6章,其主要内容包括:绪论、材料力学试验主要设备、电测应力分析原理和设备、材料力学基本试验、材料力学选做试验、试验应力分析的工程应用实例等。 本书为高等学校土木工程、机械工程、采矿、材冶等专业本科生试验教材,也可供从事材料试验研究方面的工程技术人员学习参考。

目录 第1章绪论 1.1概述 1.2材料的力学性能 1.3误差分析与数据处理 1.3.1误差及误差分析 1.3.2试验数据的处理方法 1.4材料力学试验课要求 第2章材料力学试验主要设备 2.1电子式**材料试验机 2.1.1工作原理 2.1.2操作步骤 2.2变形与位移测量仪器 2.2.1引伸仪 2.2.2千分表及百分表 2.3扭转试验机 2.3.1原理简介 2.3.2试验机操作方法 2.4冲击试验机 2.5材料力学综合试验装置 2.5.1综合试验装置技术指标 2.5.2综合试验装置试验内容 2.5.3可选配试验项目 第3章电测应力分析原理和设备 3.1概述 3.2电阻应变片 3.3测量电路 3.3.1应变电桥 3.3.2温度补偿 3.3.3应变片在电桥中的接线方法 3.4测量电桥的应用 3.4.1应变片串联进行拉伸试验 3.4.2材料弹性模量E和泊松比μ的测量 3.4.3悬臂梁式变形传感器(电子引伸仪) 3.4.4圆筒式测力传感器 3.5电阻应变仪 3.5.1XL2118A16(U)静态电阻应变仪 3.5.2DH3817动静态应变信号测试分析系统 3.6电测应力分析的工程实例 3.6.1闭式轧钢机框架力学模型试验研究 3.6.2造船用脚手架的危险点试验分析 3.6.3FRP混凝土结构力学性能的试验研究 第4章材料力学基本试验 4.1材料在拉伸和压缩时的力学性能测定试验 4.1.1预习要求 4.1.2材料拉伸时的力学性能测定 4.1.3材料压缩时的力学性能测定 4.1.4试验报告 4.1.5相关问题的分析讨论 4.2材料在扭转时的力学性能测定试验 4.2.1预习要求 4.2.2试验目的 4.2.3试验设备及试样 4.2.4试验原理及方法 4.2.5试验报告 4.2.6相关问题的分析讨论 4.3纯弯曲正应力测定试验 4.3.1预习要求 4.3.2试验目的 4.3.3试验设备 4.3.4试验原理及方法 4.3.5试验步骤 4.3.6数据处理及试验报告 4.3.7相关问题的分析讨论 4.4弯扭组合变形主应力测定试验 4.4.1预习要求 4.4.2试验目的 4.4.3试验装置及设备 4.4.4试验原理 4.4.5试验步骤 4.4.6试验报告 4.4.7相关问题的分析讨论 4.5复杂受力杆件综合试验 4.5.1预习要求 4.5.2试验目的 4.5.3试验装置和设备 4.5.4试验原理 4.5.5试验方法和步骤 4.5.6试验数据处理及结果分析 4.5.7相关问题的分析讨论 第5章材料力学开放试验 5.1弯曲变形测定试验 5.1.1预习要求 5.1.2试验目的 5.1.3试验装置和仪器 5.1.4试验原理及方法 5.1.5试验结果处理和试验报告 5.2超静定梁试验 5.2.1预习要求 5.2.2试验目的 5.2.3试验装置和仪器 5.2.4试验原理及方法 5.2.5试验结果处理和试验报告 5.3动荷挠度试验 5.3.1预习要求 5.3.2试验目的 5.3.3试验装置和仪器 5.3.4试验原理 5.3.5试验方法 5.3.6试验结果处理和试验报告 5.4压杆稳定试验 5.4.1预习要求 5.4.2试验目的 5.4.3试验装置和仪器 5.4.4试验原理 5.4.5试验步骤 5.4.6试验结果处理 5.5材料冲击试验 5.5.1预习要求 5.5.2试验目的 5.5.3试验设备和原理 5.5.4试验步骤 5.5.5试验报告和讨论问题 5.6材料疲劳极限测定试验 5.6.1预习要求 5.6.2试验目的 5.6.3试验原理及设备 5.6.4试验试样 5.6.5试验方法 5.7光弹性应力分析试验 5.7.1试验目的 5.7.2试验设备 5.7.3试验试样 5.7.4试验原理 5.7.5试验步骤 5.8电桥应用试验 5.8.1试验目的 5.8.2试验仪器和设备 5.8.3试验原理 5.8.4试验方法 5.8.5试验步骤 5.8.6试验数据处理 5.9偏心拉伸内力素测定试验 5.9.1试验目的 5.9.2试验仪器和设备 5.9.3试验原理 5.9.4试验接桥方法 5.9.5试验步骤 5.9.6试验注意事项 5.9.7试验数据处理 5.10单杆双铰支压杆稳定试验 5.10.1试验目的 5.10.2试验仪器和设备 5.10.3试验原理 5.10.4试验方法 5.10.5试验步骤 5.10.6试验注意事项 5.10.7试验数据处理 参考文献 附录材料力学试验报告 材料在拉伸和压缩时的力学性能测定试验报告111 材料在扭转时的力学性能测定试验报告113 纯弯曲正应力测定试验报告115 弯扭组合变形主应力测定试验报告117 材料力学综合(研究)试验报告119

第1章绪论
1.1概述
在科学研究活动中,除了应用各学科领域的逻辑推理方法进行理论分析,科学试验也是一种重要的研究方法,即通过试验的手段研究自然科学和工程技术领域的内在运动变化规律。科学试验和理论研究是相辅相成的,自然科学的理论要靠试验来验证,新的现象和新的规律要靠试验来发现,工程设计和生产要靠试验来推动和完善; 同样,只有借助于理论,试验设计才更能有的放矢,揭示主要矛盾��在设计试验时,可以通过突出某些影响因素,而忽略或消除其他影响因素,为研究复杂自然现象和工程问题提供条件。近代科学技术的发展无一不是把系统的观察和试验与严密的逻辑推理相结合获得的。因此,学习掌握科学试验的原则和方法是培养科学研究素养的重要方面,科学试验也是理解和掌握学科理论的重要手段。在力学领域,试验在力学学科的形成和发展中起到巨大的推动作用。无论是经典力学诞生前**的伽利略的比萨斜塔自由落体试验,还是当今科技前沿的C919大飞机的风洞试验,都彰显出试验在力学研究和产品设计中的重要地位。
材料力学是研究构件在外力作用下应力、变形和破坏规律的课程。材料力学的任务是通过研究构件的强度、刚度和稳定性,为设计经济、**的构件提供必要的理论基础和计算方法。要研究构件的强度、刚度和稳定性,就应了解构件所用材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的规律,即材料的力学性能。而材料的力学性能必须通过试验测定。材料力学理论的形成建立在试验的基础上,通过观察材料在外荷载作用下表现出的变形和破坏规律,经过对材料和构件的理想化假设后,由逻辑推理得到的材料力学理论是否可信,也要由试验加以验证。从材料力学的发展历史来看,材料力学学科的创立与完善建立在大量的科学试验的基础上,关于材料应力应变线性关系的胡克定律就是在经过大量的弹簧试验后提出的。在传统的材料力学理论中,通常假定材料满足连续、均匀、各向同性假设,但实际材料往往具有多样性,使理论方法受到一定的局限,而此时试验研究成为更有效的方法。现代大量新材料在工程中的应用,也要以系统全面地了解其力学性能为基础。因此,材料力学试验在材料力学学科发展和教学中占有重要的地位。
材料力学试验是材料力学课的重要组成部分,其学时占总学时的10%左右。通过材料力学试验教学,可以学到测定材料力学性能试验的基本原理、基本技能和基本方法,验证材料力学的理论,更深刻地理解材料力学理论; 了解试验应力分析的基本概念和方法,学会如何应用试验手段测定应力、应变,并进一步分析复杂受力情况下材料的力学行为; 通过这一教学环节,可以系统培养试验能力和仪器操作技能,提高分析问题、解决实际问题的综合素质,以适应**发展对工程技术人员的要求。
材料力学试验的测试原理和试验方法综合应用了应力分析理论、误差分析、数据处理、电学、光学等基础知识,涉及的知识面较广。材料力学试验的测试内容主要包括受力构件的应力和变形状态的测量,测量方法分为机械测试法、电测法和光测法三种。机械测试法是通过材料试验机加载测力,利用机械式引伸仪测量试样的变形,受力和变形都是通过机械方式放大和读取; 电测法主要指电阻应变测试方法,是将构件上一点的变形转化为应变片的电阻改变,通过电学量的放大、处理、分析,得到应力和变形量; 光测法是通过光学原理观察模型应力分布情况的方法。当仅需要了解构件某一局部的应力情况时,比较适合用电测法; 如需要了解构件的整体应力分布,则以光测法为宜。有时也结合使用几种方法,例如用光测法判定构件应力状况及危险截面位置,再用电测法测出危险截面的局部应力状况。随着科学技术的发展,新的试验手段和测试技术不断涌现,材料力学试验也会得到创新和发展。
材料力学试验包括以下具体内容和试验目的。
1. 材料的力学性能测定
材料的强度指标(如屈服极限、强度极限),弹性指标(如弹性模量、泊松比、弹性极限),塑性指标(如延伸率、断面收缩率等),是评价材料性能的主要依据,它们一般要通过试验来测定。材料的力学性能与试样形状、尺寸、表面加工状况、加载速度、试验环境温度等有关。为了具有**性,**标准对此作出了明确规定。同时,在该部分试验时,应用先进的电子**试验机以及自动记录和分析数据的测试技术,可使学生了解目前材料力学性能测试仪器设备的*新发展,以适应科研、生产的需要,提高操作能力。这方面的试验包括低碳钢和铸铁的轴向拉伸试验、低碳钢和铸铁的轴向压缩试验、低碳钢和铸铁的扭转试验、材料的冲击试验等。
2. 验证理论
材料力学的理论是以假设为基础导出的,用试验验证这些理论的正确性和适用范围,可加深对理论的理解。要求学生学会用试验的方法寻求结论,掌握试验研究的基本方法和特点,能够正确分析试验误差及产生原因。这方面的试验有纯弯曲正应力测定试验、弯曲变形试验、压杆稳定试验等。
3. 试验应力分析
在复杂应力情况下,理论计算有一定困难,用试验直接测定构件的应力是一种非常有效的分析方法。通过试验掌握试验测试技术和数据处理方法,为独立进行复杂的试验设计和分析打下基础。这方面的试验有弯扭组合变形主应力测定试验、复杂受力杆件综合试验等。
4. 材料力学试验其他方法介绍
随着新材料的发展和材料应用场合的新变化,出现了许多应用传统材料力学理论无法解决的力学问题,试验也成为研究力学问题的主要手段。了解材料力学的其他试验方法对开阔学生视野很有帮助。这方面试验包括光弹性应力分析试验、材料疲劳极限测定试验等。
材料力学试验具有很强的实践性,在学习中要密切联系实际,积极思考,勤于动手。要树立良好的科学态度,严谨的工作作风,应分析试验数据处理结果的合理性,如果发现明显的不合理现象,应查找原因,进行改正。1.2材料的力学性能
材料的力学性能一般是指材料在外力作用下在强度、变形方面所表现出的性质,也称为材料的机械性能。力学性能是工程结构材料研究和应用中*关键的问题。首先,力学性能是工程结构设计中*重要的数据和理论依据,是选材、用材的基础; 其次,力学性能是新材料能否投入工程应用的决定性因素; 此外,力学性能也是进行机械结构失效分析的主要方面。
材料的力学性能与工作环境和荷载有密切的关系,因此材料的力学性能按工作环境温度分为低温、常温和高温力学性能,按加载速度分为静载和动载力学性能。
材料的力学性能与加载方式密切相关。根据荷载的作用方式,可分为静荷载和动荷载。所谓静荷载是指构件在使用时,荷载是缓慢平稳地施加到它上面,并且使用过程中不再改变。在试样上均匀缓慢地加载的试验称为静载试验,测出的力学性能就是静载力学性能。所谓动荷载是指所作用的荷载的大小或方向明显地随时间发生改变,包括冲击荷载和交变荷载等。在试样上作用的荷载是动荷载的试验称为动载试验,测出的力学性能称为动载力学性能。
材料(主要指金属材料)包含以下几种力学性能指标。
(1) 材料在静载拉伸和压缩时表现出的力学性能指标,包括反映材料线弹性范围的比例极限σp,反映材料弹性范围的弹性极限σe,反映材料发生塑性屈服的屈服极限σs,反映材料所能承受的*大拉应力的抗拉强度极限和所能承受的*大压应力的抗压强度极限(统称强度极限σb),反映材料抵抗弹性变形能力的弹性模量E和泊松比μ,以及反映材料塑性变形能力的延伸率δ和截面收缩率ψ。
(2) 材料在静载扭转时表现出的力学性能指标,包括反映材料剪切线弹性范围的剪切比例极限τp,反映材料发生剪切塑性屈服的剪切屈服极限τs,反映材料所能承受*大切应力的抗扭强度极限τb,反映材料抵抗剪切弹性变形能力的剪切弹性模量G等。
(3) 其他力学性能指标包括表征材料抗冲击能力的力学性能指标冲击韧性ak,表征材料抗断裂能力的力学性能指标断裂韧性KIc,表征材料在交变应力作用下疲劳强度的力学性能指标持久极限σr等。
对于材料力学性能的测定,**有专门的标准规定了测试力学性能所用试样的形状、尺寸,取样的部位,表面加工状况,测试所用仪器,测试的过程步骤,数据的处理等,如《钢及钢产品 力学性能试验取样位置和试样制备》(GB/T 2975—1998)、《金属材料 拉伸试验 **部分: 室温试验方法》(GB/T 228—2010)、《金属材料 室温压缩试验方法》(GB/T 7314—2005)等,要严格按照标准化的程序进行测试。
1.3误差分析与数据处理
在试验过程中,要进行大量的数据测量和处理工作。测量就是借助仪器把待测量物理量的大小用某种计量单位表示出来。用仪器设备与待测量物理量进行比较,得出测量结果称为直接测量,由几个直接测量按一定函数关系计算出的待测量称为间接测量。因此,测量包括对各种量的检测和对测量数据的处理两个过程。试验前,要对测量对象进行分析,确定试验方法,选择具有适当精度的测量仪器; 试验后,要对测得的数据进行归纳整理,*后用一定的方式表达出来。
在一定的条件下,每个量都是客观存在的数值,称为真值。测量的目的就是要获得待测量的真值。但是在测量过程中,由于各种客观因素和主观方法的影响,测出的结果总与真值有一定差值,这种差值称为误差。
测量误差是试验时必然遇到的问题,在测量过程中只可以减少误差,而不会消灭误差。研究误差产生的原因和规律,可以更有效地在试验中减少误差,提高测量精度。下面具体介绍误差的一些基本知识和数据处理方法。
1.3.1误差及误差分析
1. 误差的表示方法

测量误差通常用**误差和相对误差表示。**误差是指测量值与待测量真值之间的差值,简称误差。
**误差=测量值-真值(11)
真值是理想的概念,一般不可能确切地知道,因此在实际计量中引入约定真值来代替真值,如国际计量大会决定的长度单位、质量单位、时间单位等。有时也把高一级精度的标准量具的示值作为约定真值。
相对误差是指**误差与被测量的真值的比值,因为测量值与真值接近,也常近似用**误差与测量值的比值作为相对误差。
相对误差=**误差真值≈**误差测量值(12)
相对误差通常用百分数(%)表示。误差可能是正值,也可能是负值。
2. 误差的分类和产生原因
按照误差的特点和性质,误差可分为系统误差、随机误差和过失误差三类。
在同一条件下多次测量同一量时,如果误差数值的大小和正、负号保持不变,或按一定规律变化,这种误差称为系统误差。系统误差产生的原因通常包括仪器本身构造上的不完善或未经校准产生的仪器误差; 测量方法或试验条件达不到理论要求而产生的方法误差; 外界环境(如光照、温度、湿度、电磁场等)对试验的影响而产生的环境误差; 观测者个人引起的误差。要消除系统误差,必须找到造成误差的原因,并改进测量方法,仅凭增加试验次数是不能减少或消除系统误差的。
在试验中,由于观察者感官灵敏度和仪器精度有限、周围环境的干扰等偶然因素引起的不可预测的误差称为随机误差或偶然误差。随机误差不能像系统误差那样找出原因加以消除,但随机误差具有统计规律性,在一定条件下,可用增加测量次数的方法减少误差,提高测量精度。
由于操作者操作不规范、试验记录不认真等人为过失造成的测量误差称为过失误差或粗大误差。这种误差数值较大,明显歪曲了测量结果。只要在试验过程中操作者责任心强、注意力集中,就可避免过失误差。同时,在处理数据时,要注意发现并剔除
有过失误差的试验数据,从而获得正确的结果。
3. 有效数字及运算法则
测量结果都存在误差,在表达测量结果时,就要考虑用多少位数字表示测量结果。
通常用测量结果中可靠的几位数字(计量工具或仪表有刻度或显示的数字)加上一位估
计的数字表示测量结果,称为有效数字。一个数值有效数字的多少,往往反映所用仪器的精度和测量方法等具体情况。为了反映数值的精度,在测量和记录数据时,应读完整仪器所能反映的有效数字,即使后面的数是0。
在数字计算时,可能有很多参加运算的量,各量的有效数字也可能不同。为了保证运算的精度,又减少运算量,应遵循一定的运算规则。
对于加、减运算,要求以参与运算的各数中有效数字的*后一位所在位数*高的数为准,其他各数保留到它下面一位进行运算,*后用四舍六入五考虑的方法与该位取齐。如有效数字后**位数为5,且5以后非零,则进1; 5以后皆为0,且有效数字的末位为偶数,则舍去; 若5以后皆为0,且有效数字的末位为奇数,则进1。例如,测量的三个力分别为235.4N、10.367N、891N,求三力之和时,由于三力中891N的*后一位的位数是个位,*高误差在个位,所以其他两数保留到小数点后一位,即235.4和10.4,相加得1136.8,*后应取1137N。
对于乘、除运算,要求以参与的数中有效数字位数*少的一个为准,其他各数保留到比该数的有效数字多一位来进行运算,*后结果取到与该数的位数相同。如计算x=AB/C,而A=42.5,B=4.167, C=0.026。由于C的有效位数只有两位,为*少,故其他两数取三位进行运算,即
x=42.5×4.170.026=6.8×103
对于乘方、开方运算,要求*后结果与底数的有效数字位数相同,如(3.285)2=10.79,3.285=1.812。
1.3.2试验数据的处理方法
在试验过程中和试验完成后,对试验数据的记录、整理和分析是必不可少的工作。通过对试验数据的记录和整理,可以科学地概括测量工作的情况。对试验数据进行全面分析,可以找出所研究问题的规律或结果。应如实记录试验过程中的一切必要数据,为寻找规律提供一手资料。
整理数据是试验研究的一项基本技能,一定要养成细致、严谨的工作作风。试验的目的往往是找出两个量或多个量之间的关系,为了直观地表示这些量之间的关系,常用公式或图表等方式进行表达。具体的数据处理方法有列表法、图示法等。
列表法就是在记录和处理数据时,把数据列成表格。这种记录方法能把测量数据集
中展现出来,清楚地反映出有关量的对应关系,便于检查测量结果是否合理,在试验时及时发现问题,也便于及时分析得出结论。
图示法就是把试验测量值按对应关系在坐标纸上描绘出一条光滑的曲线,以清楚地揭示各量之间的相互关系。作图是处理数据常用的基本方法之一,可以把测得的数据结果直观地表达出来,因为图线是依据许多数据点作出的光滑曲线,相当于多次测量后取平均值,所以对测量的数据有修正作用。
除上述两种数据处理方法外,还有其他处理方法,如平均法、*小二乘法等,需要时可以参阅其他书籍。

方治华  1962年12月生于内蒙古包头市,硕士研究生学历,现为内蒙古科技��学土木工程学院工程力学系教授,工程力学专业硕士生导师。主要从事工程力学专业的教学和科研工作。先后承担了本科生理论力学、材料力学、工程力学、振动力学、高等动力学,研究生线性振动、非线性振动、试验振动分析等课程的教学工作和课程建设工作。负责的《材料力学》获内蒙古自治区精品课程,《工程力学》获内蒙古科技大学精品课程。近年来发表了数十篇学术论文和教学研究论文。