引言
材料力学教学实验是《材料力学》和《工程力学》课程的一个重要组成部分，它不仅是巩固所学理论，而且是培养学员分析问题和解决问题能力的重要环节。针对学员在材料力学教学实验使用微机控制电子万能试验机引伸计系统测定材料的弹性模量中，由于试验机载荷偏心、引伸计装卡方向不同等因素，引起力一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。为了解答学员的这些问题，充分挖掘济南试金集团10台wDw一E系列微机控制电子万能试验机潜在的功能，组织学习有余力感兴趣的学员，利用课外时间参加电子引伸计标定、试验机同轴度及应变控制速率为内容的开放性实验，引导学员用所学的力学知识进行分析和解决问题。对在《材料力学》和《工程力学》课程实验如何开展开发性实验进行探讨，从开放性实验实施的情况看，取得较好的效果，学员反映良好。
2开放性实验内容的设置
开放性实验是利用学员的课外时间进行，由学员自己确定试验方案，通过学员自己动手试验来解答材料力学教学实验中不理解的问题，它是材料力学教学实验的一个重要补充内容。开放性实验内容应根据实验室的设备能力、学员感兴趣的题目、能结合现代测试技术发展的方向设置。
2007年我们设置了电子引伸计的标定与分级、试验机同轴度对弹性模量测定的影响、固体推进剂拉伸试验等内容。2008年春季学期又增设了金属材料物理屈服点的正确判读方法及分析、力一变形曲线与力一位移曲线对屈服点判读的影响、如何用应变控制速率测定低碳钢的拉伸性能等内容。其中一些开放性实验内容与正在修订的国家标准GB/T8653一200x《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》、GB/T228一ZOOx《金属材料拉伸试验室温试验方法》有直接联系，使学员了解材料性能的现代测试技术。
3开放性实验的组织工作
为保证开放性实验能顺利实施和进行，达到应用的实验教学效果，组织工作十分重要。材料力学开放性实验是在学院机关和学员大队的支持下，以学员队为单位，组织学习有余力有兴趣的学员进行，事先与实验室老师联系，利用实验室的空余时间和学员的课余时间合理安排实施时间。
2007年有航天与材料工程学院、机械工程与自动化学院、指挥军官基础教育学院82名学员参加了开放性实验，力学实验室根据学员的课余时间和实验室的设备能力，组织了5批次相关内容的开放性实验。2008年春季学期有110名学员参加开放性实验，组织了8批次相关内容的开放性实验。
4开放性实验的实施工作
开放性实验的组织实施工作十分重要。力学实验室为达到开放性实验的效果，充分挖掘实验设备的潜力，微机控制电子万能试验机1 ^} 2人一台进行相关实验。图1是航天与材料工程学院学员利用微机控制电子万能试验机进行开放性实验的照片。
所有开放性实验项目都是由学员自己确定试验方案，完成实验内容，如“试验机同心度对弹性模量测定的影响”，试验采用“程控”控制方式，利用试验机的引伸计系统，绘制力一变形弹性回归曲线，这个实验内容的技术含量是最高的，能充分发挥微机控制电子万能试验机的特点。学员自己设计试验方案，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/T8653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析，分析了万能试验机夹具的施力不均匀对测定结果影响，提出了解决偏心影响的途径，对提高弹性模量测试精确度有一定指导意义。
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2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在微机控制电子万能试验机上测试的曲线，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。
学员完成开放性实验内容，只是开放性实验的第一步，负责指导开放性实验的老师应引导有创意的学员就完成相关论文，组织相关学员来实验室进行讨论，补充实验内容，就论文的编写内容、选题进行指导并提供相关参考资料。
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。其中有指挥军官基础教育学院院五大队六队邓义林和闰永腾二位学员用YYU5010引伸计和WYUS/50引伸计，在微机控制电子万能试验机上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。
5有关结合国家标准修订开展实验情况介绍
今年结合国家标准GB/T8653一200x《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》、GB/T228一200x《金属材料拉伸试验室温试验方法》的修订，组织学员进行引伸计系统的考核与标定、用应变速率和位移速率测定金属材料的屈服强度为内容的开放性实验。
1)引伸计考核与标定
材料力学实验离不开力、变形等基本力学量的测试。在现代测试工作中，传感器(引伸计)技术得到广泛的应用，对微机控制电子万能试验机而言，力传感器系统和引伸计系统是实现试验机自动检测和自动控制的首要环节。而引伸计测量主要用于试样的微变形测量，绝对变形可以小到0.1pm，相对应变可小到1J5一10一6，因此引伸计的准确度在测试中起到关键的作用。
WDw一E系列微机控制电子式万能试验机配置WYUS/50引伸计，标距50nun，量程snun，其结构采用整体刚性框架结构、闭环式夹持弹簧、微隙自动对中刀刃、标距定位结构、单手夹持装置等先进技术。主要特点是重量轻、夹持方便、自动对中、测量准确高、稳定性好，见图3所示。
(2)应变速率与位移速率的影响及分析
WDw一E系列微机控制电子万能试验机具有应变速率控制、应力速率控制和位移速率控制功能，试验软件界面有应力速率、应变速率、位移速率等实时显示功能。在材料力学实验中一般采用位移速率控制方式，结合GB/T2乏8的修订，在今年开放性实验中增加了应变速率控制方式。内容包括:试验机柔度的测量;金属材料物理屈服点的正确判读方法及分析;用应变控制速率和位移速率控制方式，分别测定低碳钢的拉伸上屈服强度ReH、下屈服强度ReL、抗拉强度Rm、屈服点延伸率Ae、弹性模量E，测定硬铝的规定非比例延伸强度RPO.:、抗拉强度Rm、弹性模量E等.
鉴于实验室的10台微机控制电子万能试验机每台都配置了GWB一200)高精度引伸计标定器，学员1~2人一套设备，根据GB/T12160一2002《单轴试验用引伸计的标定》的要求，由学员自己动手进行引伸计系统标定。标定要做三组测量，每组测量一般不少于10个测量点(不包括零点)。通过引伸计标定，学员掌握引伸计标定与分级的技能和方法，保证测试结果的准确性。10台试验机引伸计测量系统O一0.Sllun测量范围学员标定结果见表1。从学员的引伸计标定结果可看出，济南试金集团的10台WDW一E系列的微机控制电子万能试验机变形测量系统(引伸计系统)准确度达到0.5级，可以用于金属材料弹性模量的测试。
试验是在8台WDW一E100D微机控制电子万能试验机上进行，其中4台试验机采用应变控制速率，初始应变速率分别为0.00022/S、0.00025/s、0.00027/s、0.00030/s，符合国际标准150/DIS6892:2007方法A测定上屈服强度和下屈服强度推荐使用应变控制速率0.00025/:士20%的要求。另4台试验机采用位移控制方式，初试位移速率分别为0.smm/min、lmm/min、Zmm/min、smm/min。表2是参加实验的两组学员(每组16人)用不同的应变速率和位移速率测定低碳钢力学性能结果的平均值(每种速率10根试样)，表3是硬铝力学性能结果的平均值(每种速率也是10根试样)。
从学员试验数据和测试曲线分析，可得出一下结论:
a.对于有明显物理屈服的材料，若弹性阶段和屈服阶段使用同一应变速率，在材料屈服瞬时拉伸特征曲线发生了明显变化(见图4和图5)，影响下屈服强度的判读。而弹性阶段和屈服阶段使用同一位移速率，材料屈服瞬时拉伸特征曲线正常(见图6和图7)。
b.对于无明显物理屈服的材料，应变速率和位移速率的材料屈服特征曲线均正常(见图8和图9)，对测定规定非比例延伸强度RPO.:均无影响。
c.使用应变控制速率更能反映材料的屈服特性，特别对于应变速率敏感的材料，减少试验结果的测量不确定度。国际标准工50/DIS6892:2007推荐的应变控制速率0.00025/S士20%，对测定下屈服强度ReL和规定非比例延伸强度Rp。.:是合适的。
d.使用应变控制速率测定材料的屈服强度，一定要注意弹性阶段和屈服阶段使用不同的应变速率，在速率转换点可采用逐步增速控制模式，以减轻对材料屈服瞬时拉伸特征曲线的影响。
6学员在开放性实验中的成果
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)，学员在指导老师引导下用所学力学知识撰写了有关论文，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最佳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。其中指挥军官基础教育学院五大队二队张云龙和熊攀撰写的《试验机夹具的施力不均匀对弹性模量测定结果的影响》、指挥军官基础教育学院五大队六队邓义林和闰永腾撰写的《试验机拉伸夹具的设计与探索》分别发表在((试验技术与试验机》期刊2007年4期和2008年1期上。
7结束语
上述介绍了国防科技大学工程力学实验室利用微机控制电子万能试验机在材料力学教学实验中开展开放性实验的情况，并重点介绍了结合国家标准GB/T228的修订，组织学员用应变速率和位移速率测定金属材料屈服强度的情况，汇总和分析了学员的试验曲线和数据，从中得出一些有益的结论。
国内好多高校在开放性实验方面有不少好的经验和成果，希望能相互交流，发挥教学实验室在高校教学的作用，提高实验教学的质量，有利于培养高科技创新人才。
参考文献
[1」150/DIS6892:2007((Metalliematerials一Tensiletesting一Methodoftestatambienttemprerature》[S〕
本文作者：郑文龙，丛广年，钟芳程
