材料力学金属扭转实验报告

 

【实验目的】

1、验证扭转变形公式，测定低碳钢的切变模量G。；测定低碳钢和铸铁的剪切强度极限握典型塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的扭转性能；  

2、绘制扭矩一扭角图；

3、观察和分析上述两种材料在扭转过程中的各种力学现象，并比较它们性质的差异；

4、了解扭转材料试验机的构造和工作原理，掌握其使用方法。

【实验仪器】

【实验原理和方法】

1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标

试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，当达到某一值时，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩，低碳钢的扭转屈服应力为

式中：为试样在标距内的抗扭截面系数。

在测出屈服扭矩后，改用电动快速加载，直到试样被扭断为止。这时测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩，低碳钢的抗扭强度为

对上述两公式的来源说明如下：

低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的图如图1-3-2所示。当达到图中点时，与成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力，如能测得此时相应的外力偶矩，如图1-3-3a所示，则扭转屈服应力为

经过点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图1-3-3b所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图1-7c所示的情况，对应的扭矩为

图1-3-2  低碳钢的扭转图

        

（a）               （b）             （c）

图1-3-3  低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布

由于，因此，由上式可以得到

无论从测矩盘上指针前进的情况，还是从自动绘图装置所绘出的曲线来看，点的位置不易精确判定，而点的位置则较为明显。因此，一般均根据由点测定的来求扭转切应力。当然这种计算方法也有缺陷，只有当实际的应力分布与图1-7c完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料差异是比较大的。从图1-6可以看出，当外力偶矩超过后，扭转角增加很快，而外力偶矩增加很小，近似于一条直线。因此，可认为横截面上的切应力分布如图1-7c所示，只是切应力值比大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩，可求得抗扭强度为

2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标

对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩（方法同2），抗扭强度为

由上述扭转破坏的试样可以看出：低碳钢试样的断口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成角，表明破坏是由拉应力引起的。

【实验步骤】

一、低碳钢

1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。

2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。

3、装夹试件：

（1）先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另一个定位环夹套在试件的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试件标距要求，将试件搁放在相应的V形块上，使两卡盘与V形块的两端贴紧，保证卡盘与试件垂直，以确保标距准确。将卡盘上的螺钉拧紧。

（2）先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显的偏差，请按下“正转”或“反转”按键进行微调。将已安装卡盘的试件的一端放入从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试件夹紧。按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。推动移动支座移动，使试件的头部进入主动夹头的钳口间。先按下“试件保护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试件夹紧。

（3）将扭角测量装置的转动臂的距离调好，转动转动臂，使测量辊压在卡盘上。

4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运行”键，开始试验。

5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。

6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的碎屑，关断电源。

二、铸铁

1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。

2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。

3、装夹试件：启动扭转试验机并预热后,将试件一端固定于机器,按"对正"按钮使两夹头对正后,推动移动支座使试件头部进入钳口间.

4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运行”键，开始试验。

5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。

6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的碎屑，关断电源。

【实验数据与数据处理】

一. 低碳钢扭转

1.低碳钢直径D测量

2.低碳钢定位环间距L测量

注：第二次实验修正标距为100

3.线性阶段相关数据

当处于线性阶时,有

二. 铸铁扭转

1.铸铁直径d测量

【实验结果分析】

一、低碳钢数据处理

1、验证线性阶段的数据是否为一条直线，以验证比例极限内的扭转角公式

根据Original Data,运用matlab拟合实验数据

则选取数据如下表

数据

用matlab绘制的图如下

满足线性关系

二、计算低碳钢模量G

所以，

三、计算低碳钢和铸铁的剪切强度极限

1、低碳钢：

屈服极限：

强度极限：

2、铸铁

强度极限：

端口形状：

 

低碳钢                                     铸铁

【实验思考】

1、试件的尺寸和形状对测定弹性模量有无影响?为什么?

答：弹性模量是材料的固有性质，与试件的尺寸和形状无关。

2、逐级加载方法所求出的弹性模量与一次加载到最终值所求出的弹性模量是否相同?为什么必须用逐级加载的方法测弹性模量?

答: 逐级加载方法所求出的弹性模量与一次加载到最终值所求出的弹性模量不相同，采用逐级加载方法所求出的弹性模量可降低误差，同时可以验证材料此时是否处于弹性状态，以保证实验结果的可靠性。

3、碳钢与铸铁试件扭转破坏情况有什么不同?分析其原因.

答：碳钢扭转形变大，有屈服阶段，断口为横断面，为剪切破坏。

    铸铁扭转形变小，没有屈服阶段，断口为和轴线成约45°的螺旋形曲面，为拉应力破坏。

4、铸铁扭转破坏断口的倾斜方向与外加扭转的方向有无直接关系?为什么?

答：有关系。扭转方向改变后，最大拉应力方向随之改变，而铸铁破坏是拉应力破坏，所以铸铁断口和扭转方向有关。

 

第二篇：扭转试验

试验（二） 扭转试验及剪切弹性模量G的测定

一、实验前预习及准备要求

认真熟悉教材中关于扭转相关的知识内容，阅读实验指导书中扭转实验的各个环节步骤，对思考题进行初步理解，力求带着问题进入实验。

接通电源；打开试验机开关，正常启动后进入试验机控制界面；打开电脑；运行试验程序，进入试验软件主界面。

二、概述

常温、静载条件下，测试材料受扭转变形的力学指标，是一项重要的力学实验。通过试验，可以测定材料的‘抗扭屈服强度’（屈服极限）、‘抗扭强度’（强度极限）及‘切变模量’等力学性能指标。这些性能指标对承受扭转变形的材料进行力学分析计算、工程设计、选择材料和新材料开发都有重要的作用。

三、 实验目的

   通过实验测定‘抗扭屈服强度’（剪切屈服极限）τs 、‘抗扭强度’（剪切强度极限）τb,了解掌握这些指标的测取方法及过程。

   通过‘数据分析’窗口提取相关数据计算出切变模量（剪切弹性模量）G 。

四、实验原理

1、低碳钢扭转

【抗扭屈服强度】（剪切屈服极限）：     （Mpa）

[ 式中：  T s – 屈服阶段最小扭矩值（N · mm ）；     W –抗扭截面模量（mm³）；          （mm³）；   d -- 试样横截面直径（mm）。]

【抗扭强度】（剪切强度极限）：    （Mpa）

[ 式中：  Tb – 破坏前最大扭矩值（N · mm ）]

在上述两式中都存在 3/4 的系数，来源见图一。

 

（a）初态                  （b）中间态              （c）填满态

图 一  扭转等直圆轴进入屈服状态切应力变化图

当扭转等直圆轴到达初态时，T—φ试验曲线上的扭矩T并没有进入屈服阶段，但此时截面边缘上的切应力已经达到τs ，进入实际屈服阶段，有D·τρ= 2ρ·τs。此时的扭矩：

中间变化过程是塑性变形环逐渐变大直到填满整个截面的过程。达到填满态时的扭矩：

结果：=  。  [对应T—φ试验曲线上的扭矩]

抗扭强度式中系数也可如此推理。

 

图 二  低碳钢扭转试样

对低碳钢等直圆轴扭转在比例变形范围内符合剪切胡克定律，截面Ⅱ相对截面Ⅰ转角：

   （ ° ）      （见图二）     

[ 式中：φ– 截面Ⅱ相对截面Ⅰ的转角（°）；   T – 截面扭矩值（N · mm ）；

 L – 试样试验段长度（mm）；   G --切变模量 （Mpa ；即N / mm²）；

  Ip – 对截面中心的极惯性矩（mm⁴）；   Ip == （mm⁴） ]

【切变模量G】：  （Mpa） ；      （Mpa）

[（见图三）T2、T1  --- 扭转弹性变形阶段选定两点对应的扭矩值（N · mm ）。　

φ2、φ1 -- 扭转弹性变形阶段选定两点对应的转角值（°）。]

2、铸铁扭转

【抗扭强度】（剪切强度极限）：   （Mpa） 

[ 式中：Tb – 破坏前最大扭矩值（N · mm ）；   W–抗扭截面模量（mm³）:

           （mm³）；      d -- 试样横截面直径（mm）。 ]

铸铁扭转不存在屈服阶段，所以式中系数是1 。

 

图 三  低碳钢、铸铁扭转（扭矩T—转角φ）试验曲线

五、实验设备

ND-1000微机控制扭转试验机（见图四）。

实验前准备工作：连接电缆线；打开空气开关；打开钥匙开关，试验机正常启动后进入试验机控制界面；打开电脑显示器；打开电脑主机开关；运行试验程序，进入试验软件主界面。

 

            图 四  ND-1000微机控制扭转试验机

六、实验操作过程     （统一说明低碳钢、铸铁扭转试验过程）。  

1、测定试样横截面直径d，对低碳钢还需测定试样试验段长度L ，并记录。

2、        装卡试样：（见图四）在传感器箱卡盘上用卡盘钥匙转动，使卡盘轻微卡住试样的一头，然后沿导轨推动，将试样的另一头伸进主轴箱卡盘中后转动卡盘钥匙轻微卡紧，再将两端卡盘略微拧松，用手晃动试样并逐渐将两端卡盘拧紧，以保证试样两头都能与卡盘可靠接触。对铸铁可使用加力杆拧紧，低碳钢则不用。

3、        用粉笔在试样上涂色，可直接观察试样的变形过程。铸铁试样约在转动30⁰~50⁰转角范围内被扭断，断口呈螺旋面。而低碳钢一般在1000⁰~2000⁰转角范围内被扭断，并沿横截面扭断。

 

   图 五  扭转软件入主界面

4、在扭转软件入主界面内（见图五），点击‘联机’，联通电脑与扭转试验机。

5、点击‘试样录入’出现对话框（见图六），在带有*的选项内填写相应的参数。然后‘保存’、‘关闭’。

 

图 六  录入试样参数对话框

6、在主界面内点击‘参数设置’出现对话框第一页（见图七），开始扭矩值填写1 N·m（试验机最大扭矩值的千分之四以下即可）。点击‘下一步’，进入第二页（见图八），

在需要获取的指标前方框内打上‘√’。点击‘下一步’，进入第三页（见图九），填写铸铁断裂百分比只要小于100% 即可，而低碳钢填20~50% 即可。后面若干页的参

 

图七  参数设置第一页

 

图 八  参数设置第二页

 

图 十  低碳钢扭转弹性阶段的曲线

数不需变动，点击‘关闭’，返回主界面。

7、清零，①可在主界面内点击‘清零’键清零。②可在试验机控制面板上按动‘0’、‘1’、‘2’三个键完成清零。

8、点击‘试验开始’进行试验。在低碳钢试验中的弹性阶段和屈服阶段，可保持60°/min的转速，进入强化阶段后可在主界面右端‘到达速度’栏内填360°/min ，然后点击‘确定’，则试验机以每秒增加5°速率从60°/min逐渐增加到最大转速360°/min 。这样做可节省时间，对实验结果几乎没有影响。

9、记录实验结果数据。低碳钢试验结束后，①在主界面内‘结果信息’栏内只能记录到‘最大扭矩’和‘下屈服扭矩’，不全面。②进入‘数据管理’窗口，点击‘分析’，并在选项‘最大扭矩’及‘下屈服扭矩’前方框中打上‘√ ’，记录Tb　、Ts 。然后将试验曲线上的弹性阶段放大（见图十，通过点击右键，选择‘改编曲线坐标’项，选用适当纵横坐标量程 ），再选择‘跟踪采样点’项，让小黑点在斜线部分选择相应两点，并记录：φ1（X1）= ？；φ2（X2）= ？；T1（Y1）= ？；T2（Y2）= ？，用于计算G 。

 

图 九  参数设置第三页

七、思考题

1、低碳钢和铸铁扭转试验在变形方式和破坏特征有何不同？试分析产生破坏的原因。

2、根据拉伸、压缩和扭转试验结果， 分析塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的力学性能。

3、试对转角φ的公式进行量纲（单位）分析。

4、试说明主界面上显示的转角φ值，就是扭转试样截面Ⅱ相对于截面Ⅰ的转角？

5、对于本次实验，你的体会是什么？你有什么建议吗？

八、书写实验报告要求

6、要求每一位同学独立完成自己的实验报告，禁止抄袭 。

7、叙述清楚实验的目的、原理及做实验使用的设备、工具 。

8、记述清楚试验的具体步骤环节（主要是低碳钢扭转试验）。

9、将实验原始记录认真誊写清楚。

10、          对切变Ｇ公式进行量纲（单位）分析 。

11、          对低碳钢扭转，根据公式计算τs 、τb ，再加上材料本身物理性质决定的切变模量Ｇ 。 对铸铁，根据公式计算：τb 。要求将具体试验数据代入计算 。

九、实验数据记录

在原始记实验数据录单上需记录的主要数据项目（见图十一） 。

沈 阳 工 程 学 院

 

原始记实验数据录单 

   

   ------------------------------------------------------------------------------------------------

    扭转试验：

        低碳钢： τs   （Mpa）     τb  （Mpa）

d =     （mm） ；  L =      （mm） ； Ts =     （N.m）；  Tb =    （N.m）；

 φ1=     （°）； φ2 =     （°） ；  T1 =    （N.m）；  T2 =    （N.m）

     

                   L   （T2 – T1）   180        

      G = -----  --------------   -------   （Mpa）     

                            Ip  （φ2 –φ1） π 

T1 和 T2代入数值计算时，选择（N.mm） 。

       铸铁：  τb    （Mpa）

d =     （mm）；    Tb =    （N.m）。

 指导教师签名：               

                    图 十一   需记录数据项目