试验二  扭转试验

    一、实验目的

1.   测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力和抗扭强度。

2.   测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度。

3.   绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。

    二、实验设备和仪器

1.   扭转试验机。

2.   游标卡尺。

    三、实验试样

按照国家标准GB10128—88《金属室温扭转试验方法》，金属扭转试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样和管形截面试样两种。其中最常用的是圆形截面试样，如图1-3-1所示。通常，圆形截面试样的直径，标距或，平行部分的长度为。若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。

由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB10128—88。

1-3-1   圆形截面试样

    四、实验原理与方法

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。

3．扭转试验机操作规程

l  根据试验所需的扭矩，更换合适的摆锤，确定示力度盘。(一般使示力度盘的量程比试验所需最大扭矩约大20％。)

l  把扭转试样一端先夹紧在固定夹头中（有摆锤的一端）。用手移动主动夹头，靠近试样另一端，打开电机开关，使主动夹头转动，待试样头部刚好与主动夹头匹配时，关掉电源，移动主动夹头套入试样并夹紧。

l  安装夹紧试样时，因两端夹具的微小错位很容易使度盘指针偏离零位，这时用手轮转动主动夹头，使度盘指针指零。

l  在记录T－φ曲线的滚筒上卷上记录纸，装上记录笔，拔动滚筒调整起始记录位置。

l  实验完毕立即按下停止开关。破坏性实验可立即切断电源，取下试样；非破坏性实验经反向卸载后取下试样。

    五、实验步骤

_1.           测定低碳钢扭转时的强度性能指标

l  测量试样尺寸  在标距的两端和中间三个位置上，沿互相垂直的方向，测量试样的直径，以计算试样的平均直径。

l  安装试样  在试验机上正确安装试样，做好试验准备

l  加载  均匀缓慢加载,在加载过程中注意屈服现象和屈服点的观察。若指针停止转动，则表明整个材料发生屈服，记录下此时的外力偶矩。

l  改用电动快速加载，直至试样被扭断为止，关闭扭转试验机，由从动指针读取最大外力偶矩。

_2.           测定灰铸铁扭转时的强度性能指标

u  测量试样的直径（方法与拉伸试验相同）。

u  将试样安装到扭转试验机上，选择合适的测矩盘和相应的摆锤，调整好测矩盘的指针，使之对准“0”，并将从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。

u  均匀缓慢加载，直至试样被扭断为止，关闭扭转试验机，由从动指针读取最大外力偶矩。

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：；