材料力學研究材料在各種力矩的作用下所產生的應力應變,以及剛度強度的問題。通常是機械工程土木工程建築工程以及相關專業的大學生必須修讀的課程,通常在修讀材料力學之前,會要求先修讀應用力學

材料力學的研究對象主要是棒狀材料,如杆、梁、軸等。對於桁架結構的問題在結構力學中討論,彈性結構的問題在彈性力學中討論。

研究內容

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在人們運用材料進行工業工程機械土木建築生產的過程中,需要對材料的實際承受能力和內部變化進行研究,這催生出材料力學。運用材料力學知識可以:

  • 分析材料的強度、剛度和穩定性
  • 在機械設計中使材料在相同的強度下可以減少材料用量,優化機構設計,以達到降低成本、減輕重量等目的。
  • 將研究對象被看作均勻、連續且具有各向同性的線性彈性物體。但在實際研究中不可能會有符合這些條件的材料,所以須要各種理論與實際方法對材料進行實驗比較。
  • 材料在機構中會受到拉伸、壓縮、彎曲、扭轉及其組合等變形。根據虎克定律(Hooke's law),在彈性限度內,物體的應力應變成線性關係。

電阻應變片的測量原理

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金屬絲的電阻值除了與材料的性質有關之外,還與金屬絲的長度,橫截面積有關。將金屬絲黏貼在構件上,當構件受力變形時,金屬絲的長度和橫截面積也隨著構件一起變化,進而發生電阻變化。

 

其中,   為材料的靈敏係數,其物理意義是單位應變的電阻變化率,標誌著該類絲材電阻應變片效應顯著與否。   為測點處應變,為無量綱的量,但習慣上仍給以單位微應變,常用符號   表示。

由此可知,金屬絲在產生應變效應時,應變   與電阻變化率   成線性關係,這就是利用金屬應變片來測量構件應變的理論基礎。

材料力學實驗

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由於研究內容的情況複雜,材料力學的課程一般要求安排材料力學實驗課。

學生可以在材料力學實驗課中對材料的形變進行測量,從而計算材料的應力分布等數據。

典型的實驗包括:

  • 簡單拉伸壓縮實驗
  • 衝擊破壞實驗
  • 穩定性
  • 微小形變測量
  • 材料彈性測量

實驗的內容主要在於對形變的測量和計算,也有些破壞實驗進作為觀察。由於材料的形變可能很小,實際的測量要求較高的精度和靈敏度。很多情況下人們使用電測法測量實驗數據。基本原理是,利用導體(有時稱為電阻應變片)在形變時電阻值的變化,將實驗件的形變轉化為電信號,放大後即可作為測量數據。為了彌補溫度等非測量因素的影響,常常需要安排多個電阻應變片構成差值組或橋路,抵消誤差。