《工程力学A、工程力学A(1)、材料力学》实验指导书
1. 实验总体目标
培养学生利用万能试验机测定低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性能曲线，利用电测法测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律的实验动手能力、数据处理能力，运用应力状态分析方法解释材料的破坏现象的综合分析能力，以提高学生的实验技能和工作实践能力，提高学生综合素质、分析和解决问题的能力。
2. 适用专业
材料科学与工程、热能与动力工程、水利水电工程、核技术和核工程、风能与动力工程
3. 先修课程
高等数学、大学物理
4. 实验课时分配
⒌ 实验环境（对实验室、机房、服务器、打印机、投影机、网络设备等配置及数量要求）
1．10t微机控制电子万能试验机；
2．30t微机控制电液伺服万能试验机；
3．多用电测实验台；
4．YJ一25型电阻应变仪；
5．P20R－25到预调平衡箱；
6．游标卡尺、钢板尺。
⒍ 实验总体要求
熟悉低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性能曲线测定，断口形貌观察以及塑形指标的测量，并能综合运用应力状态分析方法解释材料破坏的现象；熟悉测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律。
⒎ 本实验的重点、难点及教学方法建议
本实验的重点是熟悉低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性能曲线测定、断口形貌观察以及塑形指标的测量以及测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律。
本实验的难点是综合运用应力状态分析方法解释材料的破坏现象。
实验一 塑性材料和脆性材料的力学性能测试与分析
一、实验目的
1．熟悉万能材料试验机的使用方法。
2．低碳钢、铸铁拉伸、压缩力学性能曲线的测定。
3．测定低碳钢的力学性能参数：ss、sb、y、d，测定铸铁的力学性能参数sb。
4．应用应力状态分析方法解释材料的破坏现象。
二、实验类型（含验证型、设计型或综合型）
综合型
三、实验仪器
1．10t微机控制电子万能试验机；
2．30t微机控制电液伺服万能试验机；
3．游标卡尺、钢板尺。
四、实验原理
（一）拉伸和压缩试样
按照国家标准GB6397—86《金属拉伸试验试样》，金属拉伸试样的形状分为圆形截面试样、矩形截面试样、异形截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。其中最常用的是圆形截面试样和矩形截面试样。
如图1-1所示，圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹持三部分组成。平行部分的试验段长度l0称为试样的标距。
圆形截面比例试样通常取：
图1-1 拉伸试样
矩形截面比例试样通常取：
。
对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准GB6397—86。
图1-2 压缩试样
按照国家标准GB7314—87《金属压缩试验方法》，金属压缩试样分为圆柱体试样、正方形柱体试样两种。如图1－2所示。材料的抗压能力与试件高度l和直径d的比值l/d有关，比值愈大，铸铁的抗压强度极限就愈小。因此，压缩实验必须在相同的实验条件下进行，这样才能使不同材料的压缩性能具有可比性。金属材料压缩破坏实验所用的试件，一般规定为：
（二）低碳钢、铸铁的拉伸、压缩实验
1．低碳钢、铸铁拉伸实验
在实验过程中，与微机控制电子万能试验机联机的计算机的显示屏上实时绘出试样的拉伸曲线(也称为F ―Δl 曲线)，如图1-3所示。
图1-3 低碳钢、铸铁拉伸图
低碳钢试样的拉伸曲线(图1-3a)分为四个阶段―弹性、屈服、强化、局部变形阶段。铸铁试样的拉伸曲线(图1-3b)比较简单，既没有明显的直线段，也没有屈服阶段，变形很小时试样就突然断裂，断口与横截面重合，断口形貌粗糙。抗拉强度sb较低，无明显塑性变形。与电子万能试验机联机的微型电子计算机自动给出低碳钢试样的屈服载荷Ps、最大载荷Pb和铸铁试样的最大载荷Pb。
取下试样测量试样断后最小直径d1和断后标距l1，由下述公式：
， 
， 
， 
可计算低碳钢的拉伸屈服强度σs、抗拉强度σb 、伸长率δ和断面收缩率ψ；铸铁的抗拉强度极限σb。若实验前将试样的初始直径d0、初始标距长度l0等数据输入计算机，计算机可直接计算出以上数据并在实验结束后给出该材料的屈服强度σs 和强度极限σb。
在测量断后标距l1时，若断口位置到最临近的标距线大于l0/3，则可直接测量试样标距两端的距离得到l1。否则就要采用断口移位法使断口居于标距的中央附近。具体方法是，在进行实验前，先把试样在标距内n等份（一般以10mm为一份），并打上标记。试件拉断后，将拉断的试件断口对紧（如图1-4所示），以断口O为起点，在长段上取基本等于短段格数得B点。若长段所余格数为偶数（图1-4（a）），则取其所余格数的一半得出C点，将BC段长度移到试件左端，此时，l1=AB+2BC。若长段所余格数为奇数时（图1-4（b）），可在长段上量取所余格数减1后的一半得C点，再量取长段上所余格数加1后的一半得C1点，此时，l1= AB+BC+BC1。若断口落在标距之外则实验无效，需重作实验。
图1-4 断口移位法
2．低碳钢、铸铁压缩实验
试验机上一般均应附有球形承垫，如图1-5所示。球形承垫位于试件下端或上端。当试件两端面稍有不平行时，球形承垫可以起调节作用，使压力通过试件轴线。
图1-5压缩时球形承垫 图1-6 低碳钢压缩图 图1-7 铸铁压缩图
进行低碳钢压缩试验时，为测取材料的压缩屈服点，应缓慢加载，同时仔细观察F—Δl 曲线的发展情况，曲线由直线变为曲线的拐点处所对应的载荷即为屈服载荷Fs。材料屈服之后开始强化，由于压缩变形使试样的横截面积不断增大，尽管载荷不断增大，但是，直至将试样压成饼形也不会发生断裂破坏，如图1-6所示。因此无法测量低碳钢的抗压强度Fb，压缩试验载荷—变形曲线如图1-6所示。低碳钢的屈服极限公式为：
铸铁压缩试验时，由压缩试验载荷—变形曲线(图1-7)可看出，随着载荷的增加，破坏前试样也会产生较大的变形，直至被压成“微鼓形”之后才发生断裂破坏，破坏的最大载荷即为断裂载荷。破坏断口与试样加载轴线约成45º角(如图1-7)。由于单向拉伸、压缩时的最大切应力作用面与最大正应力作用面约成45º角，因此，可知上述破坏是由最大切应力引起的。仔细观察试样断口的表面，可以清晰地看到材料受剪切错动的痕迹。铸铁的极限强度公式为：
（三）应力状态分析方法
轴向拉伸和压缩时任一斜截面上的正应力和剪应力可用如下公式表示：
图1-8 轴向拉伸时任一斜截面上的正应力和剪应力
其中：
----横截面上的正应力
----斜横截面外法线与x轴的夹角。
从以上两式中可以看出：
的截面（即横截面）上正应力最大，
的截面上剪应力最大，且
。
根据低碳钢、铸铁在拉伸、压缩时的断口特征和应力状态分析方法即可分析出低碳钢、铸铁在拉伸和压缩时的破坏现象。
五、实验内容和要求
1．低碳钢、铸铁的拉伸实验及力学性能曲线测定，低碳钢的力学性能参数ss、sb、y、d和铸铁的力学性能参数sb的测定。
2．低碳钢、铸铁的压缩实验力学性能测定，低碳钢的力学性能参数ss和铸铁的力学性能参数sb的测定。
3．观察低碳钢、铸铁在拉伸、压缩破坏时断口特征，应用应力状态分析方法解释低碳钢、铸铁在拉伸和压缩时的破坏现象。
六、注意事项
1．实验前认真预习、阅读实验指导书，明确实验原理、任务、操作步骤；
2．实验过程中严格遵守操作规程，自觉遵守实验室各项规章制度；
3．认真观察和分析实验现象，作好实验数据记录；
4．按照格式要求认真撰写实验报告，不得抄袭。
七、思考题
1．分别画出低碳钢、铸铁拉伸时的σ－ε曲线
2．试分别比较低碳钢和铸铁在轴向拉伸和压缩下的力学性能。
3．比较低碳钢、铸铁拉伸和压缩的断口形貌，应用应力状态分析方法解释其破坏的原因。
实验二 梁的弯曲正应力测定
一、实验目的
1.熟悉电测法的基本原理和静态电阻应变仪的使用方法。
2.测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律。
3.比较正应力的实验测量值与理论计算值的差别。
二、实验类型（含验证型、设计型或综合型）
验证型
三、实验仪器
1．多用电测实验台；
2．YJ一25型电阻应变仪；
3．P20R－25到预调平衡箱；
4．游标卡尺及钢尺。
四、实验原理
实验装置如图2-1所示，矩形截面梁采用低碳钢或中碳钢制成。在梁承发生纯弯曲变形梁段的侧面上，沿与轴线平行的不同高度的线段
、
、
、
、
（线位于中性层上，线位于梁的上表面，线位于梁的下表面，和、和各距线等距，其距离分别用
和
表示）上粘贴有五个应变片作为工作片，另外在梁的右支点以外粘贴有一个应变片作为温度补偿片。
将五个工作片和温度补偿片的引线以半桥形式分别接入电阻应变仪后面板上的五个通道中，组成五个电桥（其中工作片的引线接在每个电桥的
和
端，温度补偿片接在电桥的和
端）。当梁在载荷作用下发生弯曲变形时，工作片的电阻值将随着梁的变形而发生变化，通过电阻应变仪可以分别测量出各对应位置的应变值
。根据胡克定律，可计算出相应的应力值
式中，
为梁材料的弹性模量。
梁在纯弯曲变形时，横截面上的正应力理论计算公式为
式中：
为横截面上的弯矩；
为梁的横截面对中性轴的惯性矩；
为中性轴到欲求应力点的距离。
在实验指定截面的电阻片布置如图2－1所示，各电阻片的应变值测出后就能计算出其应力大小和分布．并与理论值比较。
图2-1 矩形截面梁的纯弯曲
五、实验内容和要求
1. 测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律。
2. 比较正应力的实验测量值与理论计算值的差别。
六、注意事项
1．实验前认真预习、阅读实验指导书，明确实验原理、任务、操作步骤；
2．实验过程中严格遵守操作规程，自觉遵守实验室各项规章制度；
3. 加载时要缓慢，防止冲击。
4. 读取应变值时，应保持载荷稳定。
5. 各引线的接线柱必须拧紧，测量过程中不要触动引线，以免引起测量误差。
6．认真观察和分析实验现象，作好实验数据记录；
7．按照格式要求认真撰写实验报告，不得抄袭。
七、思考题
1. CD段梁的挠曲线形状如何？AC和CB段的挠曲线是否与CD段相同？为什么？
2．关系式
和
成立的前提条件是否相同？
第二篇：土的物理力学实验指导书
土的物理力学
实验指导书目 录
实验总则
一、土的密度及含水率实验
二、界限含水率实验
三、固结实验
实验总则
一、土工试验成绩单独评定,占理论课比重大概在20%左右。
二、实验注意事项：
1、实验前学生必须预习实验原理实验指导书及实验报告的具体内容,准备思考题,编写实验提纲,不预习者,不准进行实验。不计实验成绩。
2、实验过程中学员应独立操作,认真思考,培养严格的科学作风。
3、实验过程中应注意技术安全,不得任意使用与本次实验无关的仪器设备,或任意搬动电门开关,以免造成事故。
4、爱护仪器,节约用水用电,注意实验室整洁。实验完毕应清理仪器设备,打扫卫生。
5、原始记录不要随便涂改，试验报告要文字工整,计算正确,图表清晰,按要求写出分析说明,按时上交。
三、实验计划安排(见下表)
（四）实验参考书
1、《土工试验规程》（SD128-88）
2、《土工实验方法标准》（GB/T50123-1999）
一、土的密度实验及含水率实验
1.1 土的密度实验
（一）实验目的
测定土的密度，以了解土的疏密和干湿状态，供换算土的其他物理性质指标和工程设计以及控制施工质量之用。
（二）实验方法
常用的测试方法有环刀法、蜡封法、灌砂法等。环刀法操作简便而准确，在室内和野外普遍应用。对易碎裂或含有粗颗粒、难以切削的土样可用蜡封法——取一块试样称其质量后浸入融化的石蜡中，使试样表面包上一层蜡膜，分别称蜡加土在空气中及水中的质量，已知蜡的比重，通过计算便可求得土的密度。对难取原状试样的砂土、砂砾土和砾质土在现场可用灌砂法或灌水法求土的密度。
（三）仪器及工具
1.环刀：内径6.18厘米，高2厘米，体积为60立方厘米。
2.天平：感量0.1克。3.其它工具：钢丝锯、刮土刀、玻璃片、凡士林油等。
（四）实验步骤（环刀法）
1.将环刀内壁涂一薄层凡士林油，并将其刃口向下放在土样上；
2.切土时用钢丝锯（硬土用刮土刀），沿环刀外壁将土样削成略大于环刀外径的土柱，然后将环刀垂直下压，边压边削，直至试样凸出环刀为止；
3.用钢丝锯将环刀两端余土削去，再用刮土刀刮平两端，将试样两端余土留作含水率实验用；
4.擦净环刀外壁，称环刀和试样合质量，准确至0.1克；
5.按下式计算土的湿度和干密度：
=
计算至0.01
。
（五）注意事项
1.用环刀切取试样，应尽量防止扰动，为避免环刀下压时挤压四周土样，要边压边削，直至土样伸出环刀，然后用刮土刀一次校平，严禁用刮土刀在土面上来回抹平，如遇石子等其它杂物空洞要尽量避开，如无法避开视情况酌情补土。
2.本实验须进行两次平行测定，其平行差值不得大于0.03克/立方厘米，其计算平均值，取两位小数（克/立方厘米）。
（六）数据记录
密度实验
工程编号 实验者
土样编号 校核者
（七）思考问题
1.环刀法适用于测定哪些土的密度？
2.测定密度时为什么要边压边削？
1.2 土的含水率实验
土的含水率是指土在温度100～105摄氏度下烘至恒重时失去水分的质量与达到恒重后干土质量的比值，以百分数表示。
（一）实验目的
测定土的含水率，以了解土的含水情况并提供计算土的干密度、土的孔隙比、饱和度及土的其它物理力学指标的基本参数。
（二）实验方法
室内实验的标准方法为烘干法。
（三）仪器及工具
1.温度能保持在100～105摄氏度的电热烘箱；
2.天平：感量0.01克；
3.其它工具：称量盒及干燥器等。
（四）实验步骤
1.取代表性试样，粘性土约15～30克，砂性土，约50g，放入称量盒内，盖好盒盖，立即称盒加湿土质量，准确至0.01克。
2.打开盒盖，将盒置于烘箱内，在105～110摄氏度的恒温下烘干。（烘干时间对于粘性土不得少于8h，对砂性土不得少于6h）。
3.将称量盒从烘箱中取出，盖上盒盖，放入干燥容器内冷却至室温，称盒加干土质量，精确至0.01g。
4.按下式计算含水率
5.本实验需进行两次平行测定，取两次测值的平均值。允许平行差值： 含水率<40％时，允许平行差值不得大于1％；含水率 
40％时，允许平行差值不得大于2％。否则需重新测试。
（五）操作注意事项
含水率实验的结果是否准确，关键在于取土的代表性，一般从取密度实验环刀两端余土测试，这样有助于了解土层的真实情况和对实验成果的分析。取样的数量、温度及烘箱时间等均会影响实验精度，但可以人为避免。
（六）数据记录
含水率试验
工程名称 实验者
试验方法： 烘干法 校核者
（七）思考问题
1.在含水率测定时如何选取具有代表性的试样？
二、界限含水率试验
（一）、实验目的
本试验的目的是测定细粒土的液限含水率和塑限含水率，并计算该土的塑性指数，确定该土的名称。本试验使用于小于0.5毫米颗粒组成的有机质含量不超过土颗粒干质量5%的土。
（二）、实验方法
液限实验，可采用圆锥仪法和碟式仪法两种，我国、前苏联东欧等国也多采用圆锥仪法，美国、日本等国多采用碟式仪法。塑限实验，可采用人工搓滚法。
我们主要介绍液塑限联合测定法。液限、塑限联合实验是采用76g圆锥仪测落锥后5s时圆锥在不同含水率的土样中的入土深度。在双对数坐标纸上绘成圆锥入土深度和含水率的关系直线，在直线上查圆锥入土深度为10mm处的对应含水率为液限，下沉深度为2mm处的对应含水率为塑限。
（三）、试验设备：
数显式液、塑限联合测定仪，见图2。天平（称量200g，感量0.01g），烘箱，干燥缸，铝盒，调土刀，筛（孔径0.5mm）凡士林或润滑油，纯水等。
图2 数显式液、塑限联合测定仪
（四）实验步骤：
操作指南（现试验室所用联合测定仪）
1、试样制备。取通过0.5mm筛的风干土样约400g分成三份，加不同数量的纯水将土样分别调成均匀土膏，然后放入密封的保温缸中，静置一昼夜。
2、将已制备好的土样取出，调匀后密实地装入试样杯中（土中不能有孔洞），高出试样杯口的余土，用刮土刀刮平。
3、仪器放置在水平的工作台上，调整水平螺旋脚，使水泡聚中。
4、将仪器的电源插头插好，打开电源开关，预热3分钟。测量前用手轻轻托起锥体至限位处，此时显示屏上的数字为随机数，测量时会自动消除。
5、将调好的土样放入试杯中。刮平表面，放到仪器的升降座上。在锥尖附近涂抹凡士林，然后缓缓地向顺时针方向调节升降旋钮，当试杯中的土样刚接触锥尖时，接触指示灯立刻发亮，此时应停止旋动，然后按“测量”键。
6、按下“测量”键后，锥体落下。当测量时间一到，时间音响发出声音，叫声停止，此时显示屏上显示出5秒钟的入土深度值。
7、顺时针方向旋动旋钮，使圆锥在其自重作用下沉入土体，约十五分钟读出入土深度h1，精确至0.01mm。
8、改变锥尖与土样接触位置，重复3、4步骤得读数h2，h1和h2的差值不超过0.5mm。
9、剔除锥尖处含有凡士林的土，取出锥体附近的试样不少于10g测定含水率。
10、重复2～6步骤，测试另两个含水率土样的圆锥入土深度和含水率。
五、数据记录
液限、塑限联合实验
工程名称 ＿＿＿＿＿ 实验者 ＿＿＿＿＿
土样编号 ＿＿＿＿＿ 计算者 ＿＿＿＿＿
试验日期 ＿＿＿＿＿ 校核者 ＿＿＿＿＿
1.按下式计算含水量：
×100
式中 ω——含水量，%
m——湿土质量，g
ms——干土质量，g
计算至0.1%。
2.将三个含水量与相应的圆锥下沉深度绘与双对数坐标纸上，三点连一直线，如图3—3中的A线。如果三点不在一直线上，通过高含水量的一点与其余两点连两根直线，在圆锥下沉深度为2mm处查得相应的含水量，如果差值不超过2%，用平均值的点与高含水量点做一直线，如图3—3中的b线，若含水量差值超过2%，应补做实验。
图3-3圆锥下沉深度与含水量关系图
六、思考问题
.塑限状态下及塑限含水率时的土有何特性？
三、固结实验
（一）实验目的
压缩实验的目的是测定一般粘性土在侧限和排水条件下,承受荷载时的稳定压缩量和固结过程,绘制孔隙比与压力的关系曲线(即压缩曲线)或沉降量与时间的关系曲线(即固结曲线),最后确定压缩系数
和压缩模量
等。
对于天然地基需采用原状土,对于填土则要求控制一定密度,湿度制备试样。试样应根据土的实际工作条件,在饱和或非饱和的情况下进行。如试样不经饱和,则不必测定固结过程。
（二）实验方法
固结实验根据工程的不同需要，可采用标准固结实验或快速固结实验。
（三）仪器设备:
1.杠杆式压缩仪:加压设备和压缩容器,图6－1,6－2 所示环刀面积50平方厘米或30平方厘米，高2厘米。
2.天平：感量0.01及0.1克。
3.测微表：最大量距10毫米，精度0.01毫米。
4.其他：秒表，烘箱，削土刀，称量盒，滤纸，脱脂棉花，凡士林等
（四）实验步骤
1.用环刀取土，先将土样用钢锯或削土刀整平其两端，如为原状土样，取土方向应与天然受荷方向一致。将环刀内壁涂一层凡士林，刃口向下放在土样上。
2.为了不扰动原状土的结构，用钢丝锯或削土刀将土样削成略大于环刀外径的土柱，然后将环刀垂直下压，边压边削直至土样凸出环刀为止，用钢丝锯将两端余土削去并用削土刀刮平，刮平时不允许在土面上往返涂抹。
3.擦净环刀外壁，称环刀加土样质量，准确至0.1g，求其密度。在试样的两端，各放一张湿滤纸，暂放一边待用。
4.将底环放入压缩容器内，底环内放入一块大的湿透水石，再放一块护环，并将带有环刀的试样小心装入护环内，然后在试样上放一块小湿透水石，最后放加压盖板，抬高横梁，将装有试样的容器对准加压横梁正中，安装量表。
5.为了使试样与仪器各部件之间接触良好，应予施加1kPa小砝码，然后调整量表（使其短针调至5mm，长针调至0）。
6.加荷等级50，100，200，400kPa四级荷重。加第一级荷重（50kPa），退去预压荷重。如试样为饱和土则在加荷后立即向容器内注水至近满，如属非饱和土，则在加荷前用湿布围住加压盖板及透水石周围，避免水份蒸发。
7.经过一小时后，记录该级荷重下量表读数（即试样与仪器的总变形量）并立即施加第二级荷重，再经过一小时后，记录第二级荷重下量表读数，依次重复上述步骤，分别施加第三、第四荷重并记录相应的读数，最后第四级荷重（即400kPa），除记录一小时读数外还需记录24小时的读数。
8.实验结束后，迅速拆除仪器各部件，取出试样，放入烘箱烘干，测定试样含水率。
注：学生做试验时，按教学试验时数要求在较短的加荷时间间隔顺次加100、200、400kPa的第二级至第四级荷载（注意：荷载系累计数），在加每级荷载前测记测微表读数，记下最后一级荷载下的规定时间的测微表读数后，加荷工作便告完成。
（五）数据记录
1.按下式计算实验开始试样的孔隙比。
式中: 
－土粒比重,
－实验开始时的含水量,%;
－实验开始时试样的密度,克/立方厘米;
－水的密度,克/立方厘米 。
2.按下式计算单位沉降量:
式中: 
－在某一荷载下的单位沉降量,毫米/米;
－在某一荷重下的试样总变形量,等于该荷载下测微表的读数减去该荷重下的仪器变形量,毫米。
－实验开始时试样高度(等于环刀高度),毫米.
3.按下式计算各级荷重下,压缩稳定后的孔隙比
:
或
式中: 
－为试样加荷压缩后稳定高度;
为试样土粒净高.
4.按下式计算压力从
到
时的压缩系数,。及压缩模量(公斤/平方厘米).
5.以孔隙比e纵坐标,压力P为横坐标,绘制孔隙比与压力关系曲线.(见图7--3).
（五）数据记录
压缩试验（一）
压缩试验（二）
