低碳钢和铸铁扭转破坏试验

时间:2024.3.27

 

低碳钢和铸铁扭转破坏试验

一、实验目的和要求

1.测定低碳钢的剪切屈服点、抗剪强度和铸铁的抗剪强度,观察扭矩—扭转角曲线(T-φ曲线)。

2.观察两类材料试样扭转破坏断口形貌,并进行比较和分析。

3.测定低碳钢的切变模量G

4.验证圆截面杆扭转变形的胡克定律()。

二、实验设备和仪器

1.微机控制扭转试验机。

2.游标卡尺。

3.  装夹工具。

三、实验原理和方法

遵照国家标准(GB/T10128—1988)采用圆截面试样的扭转试验,可以测定各种工程材料在纯剪切情况下的力学性能。如材料的剪切屈服点和抗剪强度等。圆截面试样须按上述国家标准制成(如图4-1所示)。试样两端的夹持段铣削为平面,这样可以有效地防止试验时试样在试验机卡头中打滑。

3.15.bmp

图  4-1

试验机软件的绘图系统可绘制扭矩一扭转角曲线,简称扭转曲线(图4-2a、b中的Tφ曲线)。

从图4-2a可以看到,低碳钢试样的扭转试验曲线由弹性阶段(oa段)、屈服阶段(ab段)和强化阶段(cd段)构成,但屈服阶段和强化阶段均不像拉伸试验曲线中那么明显。由于强化阶段的过程很长,图中只绘出其开始阶段和最后阶段,破坏时试验段的扭转角可达以上。

3.16—3.17.bmp

a)低碳钢                          b) 铸铁

图  4-2

图4-2b所示的铸铁试样扭转曲线可近似地视为直线(与拉伸曲线相似,没有明显的直线段),试样破坏时的扭转变形比拉伸破坏时的变形要明显得多。

从扭转试验机上可以读取试样的屈服扭矩Ts和破坏扭矩Tb。由计算材料的剪切屈服点和抗剪强度,式中:为试样截面的抗扭截面系数。

需要指出的是,对于塑性材料,采用实心圆截面试样测量得到的剪切屈服点和抗剪强度,高于薄壁圆环截面试样的测量值,这是因为实心圆截面试样扭转时横截面切应力分布不均匀所致。

当圆截面试样横截面的最外层切应力达到剪切屈服点时,占横截面绝大部分的内层切应力仍低于弹性极限,因而此时试样仍表现为弹性行为,没有明显的屈服现象。当扭矩继续增加使横截面大部分区域的切应力均达到剪切屈服点时,试样会表现出明显的屈服现象,此时的扭矩比真实的屈服扭矩Ts要大一些,对于破坏扭矩Tb也会有同样的情况。

低碳钢试样和铸铁试样的扭转破坏断口形貌有很大的差别。图4-3a所示低碳钢试样的断面与横截面重合,断面是最大切应力作用面,断口较为平齐,可知为剪切破坏;图4-3b所示铸铁试样的断面是与试样轴线成450角的螺旋面,断面是最大拉应力作用面,断口较为粗糙,因而是最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。

3.18.bmp

图  4-3

材料的切变模量G遵照国家标准(GB/T 10128—1988)可由圆截面试样的扭转试验测定。在弹性范围内进行圆截面试样扭转试验时,扭矩厂与扭转角中之间的关系符合扭转变形的胡克定律,式中:为截面的极惯性矩。当试样长度l和极惯性矩Ip均为已知时,只要测取扭矩增量ΔT和相应的扭转角增量ΔΦ,可由式

计算得到材料的切变模量。实验通常采用多级等增量加载法,这样不仅可以避免人为读取数据产生的误差,而且可以通过每次载荷增量和扭转角增量验证扭转变形胡克定律。

注意到三个弹性常数EμG之间的关系,由材料手册查得材料的弹性模量E和泊松比μ,计算得到材料的切变模量,如将计算值取作真值,可将测试得到的G值与值进行比较,检验测试误差。

四、实验步骤

1.测量试样直径d0,长度L

2.装夹试样(操作方法参见试验机使用手册);

3.进入PowerTest软件,选择剪切弹性模量测定试验方案;

4.按软件“运行”键,开始试验。

5.记录多级等增量加载实验数据。

6.选择金属扭转破坏试验方案。

7.按软件“运行”键,开始试验。

8.试样被扭断后停机,取下试样,注意观察试样破坏断口形貌。

9.记录实验数据。

10.请指导教师检查原始记录并签字后,结束实验。将试验机复位并整理现场。

五、实验注意事项

1.推动试验机移动支座时,切忌用力过大,以免损坏试样或传感器。

2.进入软件前请确定试验机电源已打开。

3.退出软件前请确定试验机电源已关闭。

六、思考题

1.为什么低碳钢试样扭转破坏断面与横截面重合,而铸铁试样是与试样轴线成450螺旋断裂面?

答:在圆杆扭转实验中,低碳钢属于剪切强度低于拉伸强度的材料,破坏是由横截面上的最大切应力引起,并从杆的最外层沿横截面发生剪断产生的,而铸铁是属于拉伸强度低于剪切强度的材料,它的破坏是由-45°斜截面上最大拉应力引起,并从杆的最外层沿着轴线约45°倾角的螺旋形曲面发生拉断而产生的,故低碳钢试样扭转破坏断面与横截面重合,而铸铁试样是与试样轴线成45°螺旋断裂面。

七、实验结果

低碳钢直径测量

测得的扭矩及对应的标距转角

破坏扭矩:   屈服扭矩:


实验数据图

由胡克定律

求解结果

实验图片

   


第二篇:低碳钢和铸铁的扭转破坏实验机械技术基础实验中心


低碳钢和铸铁的扭转破坏实验机械技术基础实验中心
机械工程基础实验之
低碳钢和铸铁的扭转破坏实验
实验目的
观察并比较低碳钢及铸铁材料扭转破坏的情况
测定低碳钢的抗剪屈服强度 及抗剪强度
测定铸铁的抗剪强度
比较低碳钢与铸铁的抗扭性能
实验设备
K-50,NJ-100B型扭转试验机
游标卡尺
实验内容
对低碳钢进行扭转破坏,观察低碳钢扭转的现象,分析断裂的原因
对铸铁进行扭转破坏,观察铸铁扭转的现象,分析断裂的原因
实验原理
圆轴受扭矩时,材料完全处于纯切应力状态,所以通常用扭转实验来研究不同材料在纯切作用下的力学性能.
图 1.9 低碳钢转角扭矩曲线
低碳钢试样的扭转
低碳钢试样受到扭转的整个过程中,扭转试验机上的自动绘图器记录出的 关系曲线,如图1.9所示.当扭矩在比例扭矩 以内,材料完全处于弹性状态,OA段为一直线,所以 与 成正比关系变化,试样横截面上的剪应力分布如图1.10(a)所示.当扭矩增大到 时试样横截面周边上的切应力(最大切应力)为材料的比例强度 ,如图1.10(b)所示.当扭矩超过 后,试样横截面上的切应力分布发生了变化,首先是在截面周边处的材料发生了屈服(即流动),周边形成环形塑性区,此区内的切应力达到抗剪屈服强度 ,切应力分布图如图1.10(c)所示.随着扭矩继续增大,塑性区不断向内扩展,塑性区的切应力达到后就不再增大,如图1.10(c)所示, 曲线稍微上升,到B点后至 点趋于水平,即材料完全达到屈服,扭矩不再增加,这时扭矩表盘(即测力表盘)上的指针出现暂时停顿,B点对应的扭矩即为屈服扭矩 ,此时塑性区已扩展到整个截面,横截面上的切应力分布如图1.10(d),即当 达到 时,横截面上各点的剪应力大小均相同,且都为 ,所以由图1.10(e)得:
式中:
图1.10 试样剪应力分布
过了屈服阶段以后,由于材料的强化,又恢复了承载能力,但扭矩增加很小,而变形(扭转角 )增长很快, 段近似一根直线,到达C点时,试样被切断,此时扭矩表盘上的从动指针指示材料破坏时的最大扭矩 ,横截面上各点的切应力仍大小均相同,且都为 ,其分布与图1.10(d)相似,所以 .
铸铁试样的扭转
铸铁试样从开始受扭转直到被破坏,其 关系曲线近似为一条直线,如图1.11(a)所示.从图中可看出铸铁试样受扭转过程中变形(扭转角 )较小,且无屈服现象.试样破坏后记录其最大扭矩 ,横截面上的切应力分布如图1.11(b)所示,所以材料的抗剪强度 应按下式计算:
图1.11 铸铁转角扭矩及应力分布曲线
低碳钢,铸铁扭转破坏断面形状及形成原因
由理论分析可知,被扭转的圆轴材料处于平面应力状态,沿纵,横截面上产生切应力,而与轴线成45度角的斜截面上则只产生正应力.低碳钢的抗拉能力比抗剪能力强,故从横截面切断,如图1.12(a)所示.而铸铁的抗拉能力较抗剪能力弱,故沿45度的方向拉断,如图1.12(b)所示.

(a)低碳钢 (b)铸铁
图1.12低碳钢,铸铁扭转破坏断面形状
实验步骤
沿试样轴向等间距测量三处的直径d,每处相隔90度各测一次并求平均值,以最小平均直径作为计算直径.
选择测力表盘刻度(选择量程),并挂上相应的摆锤,将指针对准"零"点.
试样一端的头部完全置于固定夹头中并夹紧,然后调整活动夹头的位置,使试样另一端的头部完全置于其中并夹紧.注意,扭转过程中试样不能发生打滑.缓慢加载到700N,切忌不要超过800N
在试样的表面上用有色笔画一轴向直线,以便观察变形及破坏情况.
将绘图纸安置在自动绘图器的圆筒上,并将扭转角指示器调整到0圈及0度.退出滑动轴承测试软件,卸掉轴承上施加的外载荷,关闭实验台电源
为了便于观察和记录数据,建议:
加载之前一定要将扳紧手柄取下,以免扳紧手柄甩出发生人伤事故.
对低碳钢试样,加载时要缓慢,连续,均匀,不得停顿.当测力表盘上的指针出现停顿时,记录屈服扭矩 ,直到试样剪断,立即停车,记录最大扭矩 .
对铸铁试样,直接加载到试样破坏为止,记录最大扭矩 .
观察低碳钢,铸铁试样扭转破坏现象,并画出断口形状草图.
实验结果的处理
按计算直径d(最小平均直径)计算抗扭截面模量( ),并将计算结果填人表格中;
根据低碳钢试样的屈服扭矩计算其抗剪屈服强度
根据低碳钢试样的最大扭矩 计算其抗剪强度
根据铸铁试样的最大扭矩 计算其抗剪强度
思考题
根据低碳钢和铸铁的拉伸,压缩和扭转三种实验结果,分析总结两种材料的力学性能.
低碳钢与铸铁试样扭转破坏的情况有什么不同 为什么
扭转试样上的标距刻线在扭转后发生了哪些变化 说明什么原理


低碳钢铸铁力学性能比较

1.低碳钢:

低碳钢为塑性材料.开始时遵守胡克定律沿直线上升,比例极限以后变形加快,但无明显屈服阶段。相反地,图形逐渐向上弯曲。这是因为在过了比例极限后,随着塑性变形的迅速增长,而试件的横截面积逐渐增大,因而承受的载荷也随之增大。

从实验我们知道,低碳钢试件可以被压成极簿的平板而一般不破坏。因此,其强度极限一般是不能确定的。我们只能确定的是压缩的屈服极限应力。

2.铸铁:

铸铁为脆性材料,其压缩图在开始时接近于直线,与纵轴之夹角很小,以后曲率逐渐增大,最后至破坏,因此只确定其强度极限。

σbc=Fbc/S

铸铁试件受压力作用而缩短,表明有很少的塑性变形的存在。当载荷达到最大值时,试件即破坏,并在其表面上出现了倾斜的裂缝(裂缝一般大致在与横截面成45°的平面上发生)铸铁受压后的破坏是突然发生的,这是脆性材料的特征。

从试验结果与以前的拉伸试验结果作一比较,可以看出,铸铁承受压缩的能力远远大于承受拉伸的能力。抗压强度远远超过抗拉强度,这是脆性材料的一般属性。

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