材料力学实验报告3篇
2026-03-23
材料力学实验报告（一）低碳钢拉伸实验一、实验目的
表格
阶段 载荷F(kN) 变形ΔL(mm) 应力σ(MPa) 应变ε(%) 弹性阶段 15.6 0.10 199.5 0.10 屈服点 21.8 0.25 278.7 0.25 最大载荷 38.5 12.0 492.3 12.0 断后标距L₁=126mm，颈缩处直径d₁=6.12mm计算结果：
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屈服强度σₛ=Fₛ/A₀=278.7MPa
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抗拉强度σᵦ=Fᵦ/A₀=492.3MPa
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延伸率δ=(L₁-L₀)/L₀×100%=26.0%
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断面收缩率ψ=(A₀-A₁)/A₀×100%=(78.21-29.42)/78.21=62.4%
六、实验结果分析
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应力-应变曲线呈现明显的四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段
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屈服现象明显，屈服平台清晰可见，表明材料具有良好的塑性
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延伸率δ=26.0%>5%，为塑性材料；断面收缩率ψ=62.4%，塑性优良
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弹性模量E=σ/ε=199.5/0.001=199.5GPa，与理论值206GPa接近，误差3.2%
七、误差分析
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试样加工尺寸偏差
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引伸计装夹位置误差
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加载速率影响
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温度波动影响
八、结论
本次实验成功测定了低碳钢的主要力学性能指标。低碳钢具有优良的塑性和韧性，屈服强度278.7MPa，抗拉强度492.3MPa，强屈比1.77，满足结构用钢要求。断口呈杯锥状，纤维区、放射区、剪切唇明显，为典型韧性断裂。
材料力学实验报告（二）
纯弯曲梁正应力测定实验
一、实验目的
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测定梁在纯弯曲时横截面上的正应力分布规律
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验证纯弯曲梁的正应力计算公式σ=My/Iz
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学习电测法的基本原理和应变仪的使用方法
二、实验设备与装置
弯曲梁实验装置，矩形截面钢梁（b=20mm，h=40mm，跨度L=600mm），应变片（阻值120Ω，灵敏系数2.18），静态电阻应变仪，砝码（载荷增量ΔF=500N）。
三、实验原理
梁受纯弯曲时，横截面上仅有正应力，沿截面高度线性分布：σ=My/Iz
其中M为截面弯矩，y为测点到中性轴的距离，Iz为截面惯性矩。
通过粘贴应变片测得表面应变ε，由胡克定律σ=Eε计算实测应力，与理论值比较。
四、实验装置与测点布置
简支梁，纯弯曲段CD=200mm。在CD段中性层及上下表面沿轴向粘贴5枚应变片：
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1号片：上表面，y=+20mm
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2号片：距中性轴+10mm
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3号片：中性轴，y=0
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4号片：距中性轴-10mm
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5号片：下表面，y=-20mm
采用半桥接法，温度补偿片贴于不受载的同材质试块上。
五、实验步骤
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测量梁的截面尺寸b、h，计算Iz=bh³/12
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接线检查，预调平衡应变仪
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分级加载：0→500N→1000N→1500N→2000N→2500N
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每级加载后记录各测点应变读数
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重复加载三次，取平均值
六、实验数据与处理
截面惯性矩Iz=20×40³/12=1.067×10⁵mm⁴
| 载荷F(N) | 弯矩M(N·m) | 测点1(με) | 测点2(με) | 测点3(με) | 测点4(με) | 测点5(με) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 500 | 25 | -58 | -29 | 0 | +29 | +58 |
| 1000 | 50 | -116 | -58 | 0 | +58 | +116 |
| 1500 | 75 | -174 | -87 | 0 | +87 | +174 |
| 2000 | 100 | -232 | -116 | 0 | +116 | +232 |
| 2500 | 125 | -290 | -145 | 0 | +145 | +290 |
取F=2000N时计算（E=210GPa）：
| 测点 | y(mm) | 实测应变ε(με) | 实测应力σ(MPa) | 理论应力σ(MPa) | 误差(%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | +20 | -232 | -48.7 | -46.9 | +3.8 |
| 2 | +10 | -116 | -24.4 | -23.4 | +4.3 |
| 3 | 0 | 0 | 0 | 0 | - |
| 4 | -10 | +116 | +24.4 | +23.4 | +4.3 |
| 5 | -20 | +232 | +48.7 | +46.9 | +3.8 |
七、结果分析
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应变分布：沿截面高度线性分布，中性轴处应变为零，上下表面符号相反，验证了平面假设
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应力分布：实测应力与理论应力吻合良好，最大误差4.3%，在允许范围内
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线性关系：应力-应变呈线性，符合胡克定律；应力-弯矩呈线性，符合理论公式
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中性轴位置：实测应变零点与几何中心一致，验证了中性轴通过截面形心
八、误差来源
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应变片粘贴位置偏差
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载荷偏心引起附加扭转
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支座约束力影响
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应变仪读数波动
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材料弹性模量取值误差
九、结论
实验成功验证了纯弯曲梁正应力分布规律。横截面上正应力沿高度线性分布，中性轴处为零，上下边缘最大，σmax=My_max/Iz。实测结果与理论计算吻合，验证了材料力学弯曲理论的准确性。电测法具有精度高、灵敏度高的优点，适用于实际工程测量。
材料力学实验报告（三）
扭转实验
一、实验目的
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测定低碳钢的剪切屈服极限τₛ和剪切强度极限τᵦ
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测定铸铁的剪切强度极限τᵦ
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观察比较两种材料扭转变形和破坏现象
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验证圆轴扭转时的剪切胡克定律
二、实验设备与试样
扭转试验机（型号NJ-100），游标卡尺。试样：低碳钢圆轴（d₀=10mm，L₀=100mm），铸铁圆轴（d₀=10mm，L₀=100mm）。
三、实验原理
圆轴扭转时，横截面上的剪应力τ=Tρ/Ip，其中T为扭矩，ρ为点到圆心距离，Ip为极惯性矩。
剪切胡克定律：在弹性范围内，τ=Gγ，G为剪切弹性模量。
低碳钢扭转过程：弹性阶段→屈服阶段→强化阶段→断裂，断口为横截面，呈塑性断裂特征。
铸铁扭转：无明显屈服，弹性阶段后直接断裂，断口为45°螺旋面，呈脆性断裂特征。
四、实验步骤
低碳钢试样：
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测量直径d₀，计算Wp=πd₀³/16
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安装试样，调整试验机零点
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缓慢加载，记录扭矩-扭转角曲线
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观察屈服现象，记录屈服扭矩Ts
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继续加载至断裂，记录最大扭矩Tb
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观察断口形貌
铸铁试样： 步骤1-3同上，记录断裂扭矩Tb，观察断口。
五、实验数据与计算
| 材料 | d₀(mm) | Wp(mm³) | Ts(N·m) | Tb(N·m) | τₛ(MPa) | τᵦ(MPa) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 低碳钢 | 10.02 | 197.4 | 45.2 | 78.5 | 228.9 | 397.7 |
| 铸铁 | 9.98 | 195.8 | - | 32.6 | - | 166.5 |
计算公式：
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低碳钢：τₛ=Ts/Wp，τᵦ=Tb/Wp
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铸铁：τᵦ=Tb/Wp
六、现象观察与结果分析
低碳钢：
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变形特征：屈服前扭转变形均匀，屈服后出现明显塑性变形，表面出现滑移线，最后沿横截面断裂
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断口特征：断口平整，与轴线垂直，为剪切断断，断口呈纤维状，塑性变形明显
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力学性能：τₛ=228.9MPa，τᵦ=397.7MPa，τᵦ/τₛ=1.74，表明材料具有良好塑性储备
铸铁：
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变形特征：变形很小即突然断裂，无屈服现象，无塑性变形预兆
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断口特征：断口呈45°螺旋面，与轴线成45°角，为拉应力引起的脆性断裂。这是因为铸铁抗拉强度远低于抗剪强度，最大拉应力发生在45°斜截面上
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力学性能：τᵦ=166.5MPa，远低于低碳钢，脆性材料不宜受扭
七、剪切弹性模量测定
采用分级加载法，测定低碳钢的G值：
| 扭矩T(N·m) | 扭转角φ(°) | 剪切应变γ(rad) | 剪应力τ(MPa) |
|---|---|---|---|
| 10 | 0.15 | 2.62×10⁻⁴ | 50.7 |
| 20 | 0.30 | 5.24×10⁻⁴ | 101.3 |
| 30 | 0.46 | 8.03×10⁻⁴ | 152.0 |
由τ-γ曲线线性段斜率得G=τ/γ=79.2GPa，与理论值80GPa接近，误差1.0%。
八、误差分析
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试样尺寸测量误差
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扭转试验机同轴度偏差
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加载速率影响
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温度影响
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铸铁试样存在铸造缺陷
九、结论
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低碳钢扭转时具有明显的屈服阶段和塑性变形，为韧性材料；铸铁扭转时无明显塑性变形即断裂，为脆性材料
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低碳钢抗扭性能优于铸铁，适合制作受扭构件；铸铁因脆性大，应避免受扭
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圆轴扭转剪应力公式τ=Tρ/Ip和剪切胡克定律τ=Gγ得到实验验证
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材料破坏形式与应力状态有关：低碳钢为剪切断断，铸铁为拉应力引起的脆断
