1 前言

　　作为电子{wn}试验机的第三代产品──微机控制电子{wn}试验机，采用先进的微机控制和测量技术，实现全数字化及图形显示，它没有控制柜，任何操作均在计算机上完成。目前在国内越来越多的高校引进微机控制电子{wn}试验机，用于本科生材料力学教学实验，开拓了学生的视野，但如何发挥微机控制电子{wn}试验机在材料力学教学实验的作用，放手让学生自己使用还存在一定问题。

　　我校2003年订购了10台微机控制电子{wn}试验机，用于本科生材料力学实验教学。为满足教学的需要，每台试验机除标准配置外，还配有台阶夹具、引伸计标定器、压杆稳定试验装置、激光打印机及模拟量输入输出接口。通过四年的教学实践和3500多名学员操作使用，对如何使用和发挥微机控制电子{wn}试验机在材料力学教学中的作用、培养学员的动手和分析问题的能力，作了一些探索。

　　2 材料力学实验内容的设置

　　我校材料力学实验共设置了13项实验内容，使用微机控制试验机的实验占有6项，其中用电测作图法测定金属材料的拉伸弹性模量E、切变模量G和规定非比例延伸强度Rp0.2是我校的特色，利用试验机自动绘制试验曲线，教学效果更直观。学生在实验中可实现“手动”控制和“程控”控制两种方式，特别是弹性模量和规定非比例延伸强度的测定，由学生自己安装引伸计，试验软件可同时记录力-变形和力-位移曲线，这对加快学生对所学知识的理解，提高教学实验的质量是很有好处的。

　　在材料力学实验中有三次课要使用微机控制电子{wn}试验机：{dy}次拉伸和压缩试验，学习微机控制电子{wn}试验机操作使用，采用“手动”控制方式，绘制力-位移曲线，测定低碳钢的上屈服强度ReH、下屈服强度ReL、抗拉强度Rm、断后伸长率A和A11.3、断面收缩率Z及铸铁的抗拉强度Rm，观察材料屈服时出现的滑移线、验证卸载定律和观察材料的冷作硬化现象。第二次弹性模量和规定非比例延伸强度的测定，采用“程控”控制方式，绘制力-变形曲线，验证胡克定律、测定低碳钢和硬铝材料的弹性模量E和规定非比例延伸强度Rp0.2、观察材料屈服后产生的滞后现象。第三次压杆稳定试验，绘制力-挠度曲线，测定两端铰支压杆的临界压力Fcr、观察压杆弹性失稳现象。

　　3 微机控制电子{wn}试验机在教学中的使用效果

　　3.1 金属材料的拉伸和压缩试验

　　试验采用“手动”控制方式，用试验机的力(负荷)和位移(光电编码器)单元，绘制(采集)力-位移曲线。在材料的强化阶段，通过软件操作界面的【卸载】和【加载】控制按钮，可对试样进行卸载和再加载，以验证卸载定理和观察材料冷作硬化现象。

　　本次实验主要做低碳钢和铸铁两种材料的拉伸和压缩实验，这个实验内容在高校材料力学实验中必须要做的，所不同的是试验过程和处理方法。我们要求学生在试验过程中要观察材料在拉伸过程中的各种现象(如屈服、强化、颈缩等现象)，特别要注意观察材料屈服后出现的滑移线新三思(材料屈服后，用细砂纸在试样上打磨即可出现与试样轴线成±45？的滑移线);根据绘制的力-位移曲线和试样测量尺寸，学生在软件的数据处理界面上由自己手工判读并计算上屈服强度、下屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断后截面收缩率等，并按国家标准要求进行修约，{zh1}打印实验报告。

　　本次实验要求学员应观察和掌握的重点：微机控制电子{wn}试验机的原理及操作规程、新三思材料的屈服现象及产生的滑移线、强化阶段的新三思卸载与再加载规律及冷作硬化现象、颈缩阶段的形变、断口形状及破坏原因、上下屈服点的判读、短试样断后伸长率和长试样断后伸长率区别、数据修约规则。

　　3.2 弹性模量和规定非比例延伸强度的测定

　　试验采用“程控”控制方式，利用试验机的引伸计系统，绘制力-变形弹性回归曲线，这个实验内容的技术含量是{zg}的，能充分发挥微机控制电子{wn}试验机的特点。本次试验学生操作要点有二个：一是让学生动手进行变形测量系统标定(即引伸计标定)，使学生明白标定是怎么一回事，标定是本次实验最重要的环节，标定的好坏直接影响试验精度;二是让学生自己动手在试样上装卡引伸计，在材料的弹性范围内用程控方式进行卸载和再加载，绘制力-变形弹性回归曲线，以验证胡克定律。这个实验过程看起来很简单，因为胡克定律是经典理论，不会有错;但在弹性范围内力-变形曲线的加载线、卸载线和再加载线能否重合，实质上是考核微机控制电子{wn}试验机的整体水平(包括测量控制系统和试验软件)及试验者的操作技能。图2是低碳钢试样验证胡克定律(加载→卸载→再加载)的力-变形弹性回归曲线。

　　本次实验要求学员应观察和掌握的重点：电测作图法原理和方法、在弹性直线段验证胡克定律的情况、材料屈服后的滞后现象、变形和位移的区别、硬铝冷作后的硬化现象、硬铝的破坏断口及原因、引伸计装卡技能、规定非比例延伸强度Rp0.2判读和处理;弹性模量修约规则。

　　3.3 压杆稳定试验

　　压杆稳定实验的主要目的是观察压杆的弹性失稳现象，用实验方法测定两端铰支压杆的临界压力，并与理论值进行比较，以验证临界压力公式(欧拉公式)。

　　在微机控制电子{wn}试验机上进行压杆稳定试验需要考虑两个因素：一是试验机的压缩空间大小，二是压杆试样的临界压力大小。在设计压杆试样的截面尺寸和长度时，其临界压力Fcr控制在小于1kN为好。

　　考虑到微机控制电子{wn}试验机的压缩空间为600mm，压杆试样长度为550mm，截面宽为30mm厚为3.54mm，压杆试样两端加工成刀刃安置于V形支座内，可看作是两端铰支杆。压杆试样材料为弹簧钢(E取200GPa)，由两端铰支压杆的欧拉公式计算，其临界压力Fcr理论值为724N。在试样中部粘贴有4枚电阻应变片，组成全桥，直接输入测量，利用试验机加载，可绘制力-挠度曲线，由曲线的水平渐近线便可确定临界压力Fcr。

　　图5是压杆稳定试验的力-挠度( F - f )曲线。

　　微机控制电子{wn}试验机除了可测定两端铰支压杆的临界压力Fcr外，还利用试验机的变形(挠度)显示窗口，可观察压杆的直线平衡现象、曲线平衡现象。在压力小于临界压力Fcr时，压杆的直线平衡是稳定的，即使因微小的横向干扰力暂时发生轻微弯曲，干扰力解除后，仍将恢复直线形状(直线平衡)。压力到达临界压力Fcr时，压杆的直线平衡变为不稳定，将转变为曲线平衡。压杆丧失其直线形状的平衡而过渡为曲线形状的平衡的现象，称为丧失稳定，简称失稳。压杆弹性失稳现象，并不是强度不足，而是稳定性不够。

　　其观察方法：加小于临界压力Fcr的压力F，比如550N，压杆基本保持直线形状的平衡，这时把变形显示窗口数值清零;然后用手加微小的横向干扰力，使压杆暂时发生轻微弯曲，这时变形显示窗口有数值出现;当干扰力解除后，变形显示窗口的数值归零，而压杆恢复直线形状的平衡。若干扰力解除后，压杆能恢复直线形状，这表明压杆直线形状的平衡是稳定的。在压力F接近临界压力Fcr时，压杆的直线形状的平衡转变为曲线形状的平衡，这时再给一个微小的横向干扰力，使压杆发生轻微弯曲，当干扰力解除后，压杆将保持曲线形状的平衡，不能恢复原有的直线形状，这说明细长压杆已丧失稳定，失稳了。

　　本次实验要求学员应观察和掌握的重点：观察压杆弹性失稳现象，明白细长压杆的失效，并不是强度不足，而是稳定性不够引起;观察压杆的直线平衡现象、曲线平衡现象及压杆从直线平衡到弯曲平衡的转变现象;测定两端铰支压杆的临界压力Fcr的实验方法。

　　4 教学管理措施

　　我校力学实验室每年承担1000左右学生的教学任务，一次课进50名左右学生，由一位老师负责讲授和指导实验。对于力学性能测试的实验，一般3～5人一组，分10组(10台试验机每组一台)，整个实验过程只有一位老师负责带实验，而学生是{dy}次接触微机控制电子式{wn}试验机，好奇性大，都喜欢操作，这要求试验机软硬件保护措施和教学管理措施要得当，{jd1}不能出现由于软件误操作而引起计算机死机、试验机损坏等现象。

　　① 硬件保护措施要到位。要求负责讲授和指导实验的老师自己必须熟悉试验机的性能，要有临时判断和处理试验机故障的能力。开课前，必须重点检查试验机中横梁的上下限位开关是否到位。

　　② 软件保护措施要到位。试验软件是应能满足高校材料力学教学实验的要求，并有相应的软件保护措施。在学生使用级下，软件误操作不能引起设备的损坏和丢失试验数据。

　　③ 教学讲授和管理措施要到位。因为一次课50名学生只有一位老师带实验，在教学管理上必须采取相应措施。课前预先把试验软件及典型的试验数据文件、操作说明拷贝给学生，学生可提前接触试验软件进行虚拟试验，体会试验软件功能和操作步骤。讲授和示范实验时，要突出实验重点及操作要点。学生试验时，既要放手让学生动手操作，又要眼观四方及时发现问题，指导学生正确操作。

　　从四年来的使用情况看，由于微机控制电子{wn}试验机的硬件和软件保护措施完善，软件操作方便、易懂，教学讲授和管理措施要到位。通过八个学期8400多人次学生的使用，微机控制电子{wn}试验机运行正常，没有出现设备故障，较好完成教学任务，学生反应良好。

　　5 开放性实验介绍

　　针对学员在使用引伸计系统测定材料弹性模量实验中，由于试验机载荷偏心、引伸计装卡方向不同等因素，引起力-变形曲线初始段走向不规则而影响弹性模量测定，学员对这些现象的出现不理解而提出各种问题。为了解答这些问题，引导学员利用所学的力学知识进行分析，今年我们组织学习有余力感兴趣的学员，利用课外时间参加考核新型电子引伸计和试验机的同心度为内容的开放性实验。三个学院有68名报名参加，分四批进行实验，1～2人一台设备，由学员自己确定试验方案，四个方向(左、右、前、后)装卡引伸计，进行低碳钢和硬铝的弹性回归曲线测试。按照GB/T 8653-1988的要求，每个方向进行三次有效测试，计算材料的弹性模量并进行结果分析。

　　从开放性实验过程和效果看，学员的积极性很高，实验的测试曲线和数据分析都说明达到预期的效果，对试验机偏心影响有了直观认识。图6是指挥军官基础教育学院五大队二队赵东升和行凯二位学员测试的曲线，他们是每个方向重装引伸计进行测试的。从叠加的曲线分析可知，由于试验机载荷偏心的原因，前后装卡引伸计所测得试样变形是反对称的，若取平均值则是一条直线。

　　开放性实验后，部分学员为了进一步分析问题，多次到实验室进行补充测试。其中有二位学员用YYU5010引伸计和WYU5/50引伸计，对低碳钢和硬铝试样进行八个方向装卡，完成了128条曲线的测试，试验从下午3点一直到晚上9点才结束。有的学员为了求证弹性模量的处理方法，对铸铁试样也进行了4个方向装卡引伸计的测试。新三思集团

　　根据开放性实验结果及分析(包括试验设备及夹具、测试曲线、计算结果)，部分学员用所学力学知识撰写了有关论文，他们从各个方面进行分析，有的从试验机夹具的施力不均匀来分析对弹性模量测定结果的影响、有的进行了有关试验机拉伸夹具的设计与探索、有的从平面假设理论入手分析偏心对弹性模量测定的影响、有的从处理方法入手分析弹性直线段{zj0}取点而正确确定斜率、有的从刚度在结构中的重要性来说明弹性模量测试的重要性等等。在这次会议上收集的几篇学员的论文，从一定角度上反映了国防科技大学学员分析问题和解决问题的能力。

　　6 结束语

　　上述介绍了国防科大力学实验室在材料力学教学实验中使用微机控制电子{wn}试验机的情况，国内好多高校在使用微机控制电子{wn}试验机方面有不少好的经验和成果，希望能相互交流，发挥微机控制电子{wn}试验机在高校教学与科研的作用，提高材料力学实验教学的质量，有利于培养高科技创新人才。