浙江大学材料力学实验报告

（实验项目：扭转）

1.         验证扭转变形公式，测定低碳钢的切变模量G。；

2.         测定低碳钢和铸铁的剪切强度极限。

3.         比较低碳钢和铸铁试样受扭时的变形规律及其破坏特性。

二、设备及试样：

1.      扭转试验机,如不进行破坏性试验,验证变形公式合测定G的实验也可在小型扭转试验机装置上完成；

2.      扭角仪；

3.      游标卡尺；

4.      试样，扭装试样一般为圆截面。

三、实验原理和方法：

1、测定切变模量G

   A、机测法：，其中，为百分表读数，为圆截面的极惯性矩；

选取初扭矩To和比例极限内最大试验扭矩Tn,从To到Tn分成n级加载，每级扭矩增量为，每一个扭矩Ti都可测出相应的扭角i，与扭矩增量对应的扭角增量是，则有，i=1,2,3,…n,取Gi的平均值作为材料的切变模量即：        ，i=1,2,3,…n；

   B、电测法：，应变仪读数为，为抗扭截面系数；

选取初扭矩To和比例极限内最大试验扭矩Tn,从To到Tn分成n级加载，每级扭矩增量为，每一个扭矩Ti都可测出相应的读数_i，与扭矩增量对应的读数增量是，则有，i=1,2,3,…n,取Gi的平均值作为材料的切变模量即：        ，i=1,2,3,…n

2、测定低碳钢和铸铁的剪切强度极限

   对于低碳钢：，

而对于铸铁，变形很小即突然断裂，可按线弹性公式计算，即 

四，实验数据记录计计算结果

     1、切变模量G试验试样尺寸及有关参数

      =1.96×10^-7 m³

         =9.81×10^-10 m⁴

2、切变模量G试样结果

     

3、低碳钢和铸铁的剪切强度极限τ_b的测定结果

五、实验总结报告：

  通过实验得到以下体会：

1.         圆轴扭转的平面假设不但使理论推导变得简单，而且也符合试验结果，以低碳钢扭转试验为例，在低碳钢扭转变形而又不断裂的情况下，横向划线基本没有什么变化，而纵向划线成为螺旋线，且螺旋线逐渐接近，直至断裂，从实验的角度证明了平面假设；

2.         铸铁与低碳钢在断裂时的断裂面不同，低碳钢沿横截面断裂，而铸铁沿45^o螺旋面断裂；

3.         对物理现象过程的分析具有重要意义，过程不同得出的结果甚至计算公式都不同，例如低碳钢和铸铁的断裂过程不相同，剪切强度极限τ_b的计算公式不尽相同。

4.         从理论研究中作出合理的假设，再在试验中进行验证，从而证明假设的正确性，这是理论研究中常用的思想方法，值得我们在以后的学习中体会，借鉴。

六、思考题

   1、由，得=31.36 N·m，由于在测G时，要在其弹性阶段内，所以Tn最大只能取31.36 N·m；

   3、明显的区别在于：低碳钢拉伸实验中进入塑性变形阶段到破坏的全过程经历了屈服阶段，强化阶段和局部变形阶段三个阶段，而低碳钢扭转实验中横截面的边缘处先形成环形塑性区，再逐渐向圆心扩展，直到整个截面几乎都是塑性区，直致断裂，但没有几个阶段的划分。

第二篇：弯曲与扭转实验报告

  

《材料力学实验报告-弯曲扭转》

               

　                          扭转实验

一、实验目的

　1．学习扭转实验机的构造原理，并进行操作练习。

　2．测定低碳钢的剪切屈服极限、剪切强度极限和铸铁的剪切强度极限。

　3．观察低碳钢和铸铁在扭转过程中的变形和破坏情况。

二、实验仪器

　　扭转实验机，游标卡尺。

三．实验原理

　　塑性材料和脆性材料在扭转时的力学性能。(参考材料力学课本及其它相关书籍)

四、实验步骤

1．低碳钢实验

（1）量取试件直径。在试件上选取3个位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均直径值中取最小值作为试件的直径。

（2）将扭转实验机刻度盘的从动针调至靠近主动针。主动针的调零方式为自动调整，如果主动针不在零位，应通知老师，由老师进行调整。绝对不能用调从动针的方法，将两针调至零位。

（3）把试件安装在扭转试验机的夹头内，并将螺丝拧紧（勿太用力）。安装时，一定要注意主动夹头的夹块要保持水平（固定夹头的夹块总是水平的），以避免引起初始扭矩。如果已经出现小量的初始扭矩，只要不超过5N*m，可以开始加载。另外，试件在水平面和垂直面上不能歪斜，否则加载后试件将发生扭曲。

（4）打开绘图记录器的开关；将调速旋钮置于低速位置。开始用档慢速加载，每增加 5N*m 的扭矩，记录下相应的扭转角度。实验过程中，注意观察试件的变形情况和图，当材料发生流动时，记录流动时的扭矩值和相应的扭转角度。另外，注意记录扭矩刚开始下降时的扭矩值和相应的扭转角度。扭矩值估读到0.1N*m。

（5）流动以后，继续加载，试件进入强化阶段，关闭记录器后，将电机速度选择在档，加快加载速度。这时由于变形速度较快，可每增加180度取一次扭转角度。直至试件扭断为止，记下断裂时的扭矩值，注意观察断口的形状。注意，试件扭断后应立即停止加载，以便记录断裂时的扭转角度。

2．铸铁实验

　　操作步骤与低碳钢相同。因铸铁在变形很小时就破坏，所以只能用档慢速加载。每增加5N*m的扭矩，记录下相应的扭转角度。注意观察铸铁试件在扭转过程中的变形及破坏情况，并记录试件扭断时的极限扭矩值和相应的扭转角度。注意，试件扭断后应立即停止加载，以便记录断裂时的扭转角度。

五、实验记录

　注：低碳钢的剪切流动极限及强度极限的计算公式中应该乘一系数3/4。原因是这样：圆轴扭转在弹性变形范围内剪应力分布如参考图(a)所示，对于塑性材料，当扭矩增大到一定数值后，试件表面应力首先达到流动极限，并逐渐向内扩展，形成环形塑性区，如参考图(b)所示。若扭矩逐渐增大，塑性区也不断扩大。当扭矩达到时，横截面上的剪应力大小近似为，如参考图(c)所示,在这种剪应力分布形式下，剪应力公式为。

　　试件继续变形，材料进一步强化，当试件扭断时，假设整个截面的剪应力都达到，此时最大扭矩为，因此剪切强度极限和流动极限一样，近似地写为。

　　由于铸铁是脆性材料，应力在截面上从开始受力直至破坏都保持线性分布，当边缘上的剪应力达到时。此时最大扭矩为，故仍用弹性阶段的应力公式计算强度极限。

六．预习思考题

1)分析试件在扭转状态下各点的主应力大小和方向。

答：扭转状态下，横街面上主应力大小从圆心向外线性增大，在半径处达到最大，方向垂直于半径和扭转力矩方向相同。

2) 低碳钢屈服极限和强度极限的计算公式中为什么会出现3/4？请分析并推导计算公式。

答：圆轴扭转在弹性变形范围内剪应力分布为线性分布，对于塑性材料，当扭矩增大到一定数值后，试件表面应力首先达到流动极限，并逐渐向内扩展，形成环形塑性区，若扭矩逐渐增大，塑性区也不断扩大。当扭矩达到时，横截面上的剪应力大小近似为，在这种剪应力分布形式下，剪应力公式为

由于铸铁是脆性材料，应力在截面上从开始受力直至破坏都保持线性分布，当边缘的剪应力达到时，最大扭矩为，故仍用弹性阶段的应力公式计算强度极限。

3) 为什么扭转试件两端较粗,中间较细？中间和两端采用光滑曲线过渡，而不是直角连接

答：这样便于试件的安装，中间和两端采用光滑曲线过渡是为了防止应力集中而产生扭断。

4)如果扭转试件是屈服失效，请用最大剪应力理论分析一下试件可能的断口形状。

答：最大剪应力应是与试件端面平行，如果是屈服失效，则断口形状应是平面。

5)如果扭转试件是断裂失效，请用最大拉应力理论分析一下试件可能的断口形状。

答：根据最大拉应力理论，如果试件是断裂失效，则会出现α=45°时，拉应力最大，这时断口形状应是45°的斜面。

6)什么是塑性材料？什么是脆性材料？(如果在你做的其它实验中也有此题，回答一次即可)

答：伸长率δ＞5%的材料称为塑性材料，δ＜5%的材料称为脆性材料。

七．分析思考题

1) 扭转实验中你是怎样测量试件直径的？为什么采用这种方法？你有其它方法测量直径吗？你的依据是什么？

答：取三个不同的位置，每个位置相互垂直测两次，为了减少材料在加工过程中使试件不规则而引起的误差。

2) 扭转实验对试件的放置有什么要求？为什么？

答：主动夹保持平衡，是为了避免引起初始扭矩。

3) 夹紧试件后，如果读数盘的主动针偏离了零位，这是什么原因造成的？对实验结果有什么影响？应该怎样解决？

答：夹块没有保持水平位置，影响实验所测得数据。重新调整试件的位置。

4) 两种扭转试件的断口形状分别是什么样的？怎样解释这种结果？

答：低碳钢为平面，铸铁为螺旋曲面。

5) 通过实验你觉得低碳钢的塑性性能如何？你的依据是什么？铸铁呢？

答：通过实验我们知道低碳钢的可塑性比铸铁好，因为强度极限比较大；铸铁可塑性比较差，易断裂。

6) 在拉伸、压缩、扭转三个试验中，你已经做了那些实验？请通过这些实验，总结一下低碳钢的抗拉、抗压、抗扭强度的大小关系。同样地，请总结一下铸铁的抗拉、抗压、抗扭强度的大小关系。

7) 结合你已经做过的实验(拉伸、压缩、扭转)，请对比低碳钢和铸铁的抗拉、抗压、抗扭强度的大小关系。举例说明其使用范围。

8) 结合你已经做过的实验(拉伸、压缩、扭转)，请分析低碳钢的荷载-位移曲线有什么共同点？

9) 对于本次实验，你的体会是什么？你有什么建议吗？

答：这次试验做完后，我对铸铁和低碳钢的性质有了较全面的认识，拉伸、压缩、扭转、弯曲等，低碳钢和铸铁都有不同的性质。铸铁表现脆性，低碳钢表现韧性。但是由于客观条件的原因使得我们实验设备较少，这就使得很多同学没有实际操作试验，建议每组同学人数保持在2~3人，增加硬件设备。

实验数据处理:

低碳钢：

铸铁：

 

弯曲实验

一．实验目的

测定纯弯曲梁的正应力，并与理论计算结果进行比较，以验证弯曲正应力公式。

二．实验仪器

　　组合实验台弯曲梁实验装置，电阻应变仪，预调平衡箱，数字测力仪。

三．实验原理

　　示意图请参见两端铰支的矩形截面钢梁，在距两端支座为处，分别作用相同大小的力。梁的AB段为纯弯曲，其弯矩为。为了实测正应力，可在梁的AB段内沿横截面表面均匀粘贴7个电阻应变片（7个测点）。

　　当梁受到荷载作用时，可从电阻片的变形测得各点的应变值。在比例极限范围内，应力与应变之间存在着正比关系，即。因而通过测得应变值便可计算出该点正应力的数值。

　　关于电阻应变片和应变测量电路的原理参见电阻应变仪。

四．实验步骤

　1.观察预调平衡箱后面板的接线，将测点与通道的对应关系记录下来。

　2.数字测力仪的量程设为20KN，初始调零。

　3.将电阻应变仪的“基零、测量”开关置在“基零”位置，调节“基零平衡”，使显示为零。

　4.将电阻应变仪的“基零、测量”开关置在“测量”位置，旋转“换点开关”，调节相应的通道，使其电桥平衡（显示为零）。将所用的7个通道同时调零。

　5.逐级加载，每增加0.5KN记录7个通道的应变仪读数。

　6.加载到4KN后，卸载。

　7.根据应变仪读数求出各测点应变差值的算术平均值，然后计算应力值。

　

五．实验记录

宽度  b=20mm

高度  h=40mm

加力点到支座的距离 a=120 mm

弹性模量　　210 Gpa

　注：先求出各测点应变差值的算术平均值，然后计算应力值。

六．预习思考题

1) 分析在纯弯曲状态下，梁截面的应力分布情况。

答:由；梁截面的正应力从圆心处向外径依次增大，方向垂直于试件。

2) 如果将电阻应变片的灵敏系数由2.0改为2.1，则测出的应变值会有什么影响？

答：由可知，当k由2.0变为2.1时，应变减小。

3) 电阻应变片由金属电阻丝制成，测量应变时电阻丝是有电流的；弯曲实验中的钢梁也是金属，由于电阻应变片是直接粘贴在钢梁表面的，所以实验时钢梁中也会有电流通过，这是正常现象，不会影响测量结果。你是否同意这种看法？为什么？

答：同意，因为应变片是通过电阻的微小变化来测量，由于电流很小，对测量影响不大。

4) 一位同学在操作中有这样一个过程：将电阻应变仪的“基零、测量”开关置在“基零”位置，调节“基零平衡”，使显示为零，然后旋转“换点开关”，调节所有通道，使其电桥平衡，接着就开始加载测量应变。请问，这位同学的操作正确吗？为什么？

答：不正确。应先旋到“换点开关”，调节所有通道，使电桥平衡，再将应变仪的“基零、测量”开关置在调节“基零平衡”，使显示为0，开始加载。

5) 如果电阻应变仪的显示窗口的读数为“-200”，这是什么意思？

答：表示应变为

6) 我们知道，在拉伸、压缩、弯曲、扭转作用下物体都会产生应变，那么电阻应变片可以用来测量那些应变呢？为什么？

答：电阻应变片可以测量弯曲和扭转，而拉伸压缩会使其贴在表面的应变片损坏而不能测量。

7) 温度补偿片有什么作用？

答：因为电阻应变片对温度变化十分敏感，因此用温度补偿片来补偿温度对应变片的影响。

七．分析思考题

1) 在弯曲实验中采用的是全桥测量还是半桥测量？

答：全桥测量。

2) 如果加载前应变有初读数，应该怎样处理测量结果？

答：将测量所得的数据减去初读数即可得实验所需数据。

3) 对于本次实验，你的体会是什么？你有什么建议吗？

答：这次试验所得的值与理论值有一定差距，但不是很大。这是因为加载力时，在所需的力之间来回调，导致实验存在误差。通过这次实验我加深了弯曲力矩、正应力的理解，从试验中对弯曲有了更深的认识。增强了实际动手能力。

 

实验数据处理：；