金属的扭转实验

时间:2024.3.19

                         金属的扭转实验指导书

一、实验目的

1、  测定低碳钢扭转流动极限与扭转强度极限

2、  测定铸铁的扭转强度极限

3、  观察并分析比较低碳钢、铸铁试件的断口形状

二、实验设备

1、扭转试验机。

2、游标卡尺。


图2-21  圆形扭转试样图


图2-22  低碳钢扭转实验T-Ф曲线

三、试样的制备

根据国家标准GB/T10128-1988《金属室温扭转试验方法》的规定,金属扭转试验所使用的试样截面为圆形,推荐采用直径为10 mm,标距L0分别为50mm和100mm,平行长度Le分别为70mm和120mm的试样。试样头部(两端部)的形状和尺寸应根据扭转试验机夹头的具体情况来确定。如果采用其他直径的试样,其平行长度Lc应为标距加上两倍的直径。圆形扭转试样的形状、尺寸以及  加工精度见左图2-21。

四、实验原理

扭转实验是材料力学实验中最基本的实验之一。在进行扭转实验时,试样两端部被装夹在扭转试验机的夹头上。试验机的一个夹头固定不动,另一个夹头绕轴旋转。以实现对试样施加扭转载荷。这时,从试验机上可读出扭矩T和对应的扭转角Φ。通过试验机上的自动绘图装置可绘出该试样的扭矩T与扭转角Φ的关系曲线图。

1、低碳钢扭转破坏实验

对低碳钢试样进行扭转实验时,通过试验机上的自动绘图装置,我们可绘出该试样在整个扭转过程中的扭矩T与扭转角Ф的关系曲线。如图2-22所示。由图2-22知,低碳钢在整个扭转过程中经历了弹性、屈服、强化三个阶段。在弹性阶段——OA直线段,材料服从切变虎克定律。即材料的切应力τ与切应变γ成正比。在屈服阶段——AB曲线段,分两种情况来读屈服点所对应的扭矩Ts

(1)当屈服阶段图形为水平线时,此时试验机扭矩刻度盘上首次出现扭矩不增加(保持恒定)而扭转角增加时的扭矩为屈服扭矩Ts。如图2-22(a)所示。

(2)当屈服阶段图形为锯齿形状时,扭矩刻度盘上主针首次下降(回转)前的的扭矩为上屈服扭矩Tsu。而在屈服阶段中最小扭矩为下屈服扭矩Tsl,如图2-22(b)所示。在强化阶段——BC曲线段,这时要让试样继续发生扭转变形,就必须对试样再施加扭矩,直至扭断。试件扭断后,我们可从试验机的扭矩刻度盘上读出试样扭断前所承受的最大扭矩Tb。根据上述国标的规定,我们用测出的屈服扭矩Ts或下屈服扭矩Tsl,按弹性扭转公式计算剪切屈服极限。即屈服点或下屈服点为

τs=Ts/Wt或τsl=Tsl/Wt                                                                       (2-10)

其中Wt为抗扭截面模量。

同时用测出的最大扭矩Tb,按弹性扭转公式计算抗扭强度

τb=Tb/Wt                                                (2-11) 

2、铸铁扭转破坏试验

在对铸铁试样进行扭转试验时,同样可通过试验机上的绘图装置绘出扭矩T与扭转角Φ的关系曲线。如图2-23所示。从该图和所进行的试验可以看出,铸铁试样从开始受扭直至破坏,近似一直线。它无屈服现象,且扭转变形小。同时破坏是突然发生的,断口形状为与试样轴线约成450的螺旋面。在从试验机度盘上读出最大扭矩Tb后,根据上述国标的规定,按弹性公式计算抗扭强度τb=Tb/Wt.

上述扭转试验要求在室温100C—350C条件下进行。

3、破坏分析

当试样受扭时,材料处于纯剪切应力状态,见图2-24。由图可知,圆轴扭转时横截面上作用着最大切应力τ。而在±450斜面上,分别存在最大拉应力σ1和最大压应力σ2,且它们的绝对值都等于τ。塑性材料低碳钢的抗切(剪)能力弱于抗拉压能力,故试样受扭破坏后,断口平齐,且沿其横截面被切(剪)断。脆性材料铸铁的抗压、抗切(剪)能力均强于抗拉能力,故试样受扭破坏后,沿其450方向被拉断,断口成一螺旋面。两种材料的断口形状见图2-25。


图2-25  两种材料的受扭试样断口

五、实验结果处理

    根据已测出的低碳钢和铸铁的扭矩,按下面的弹性公式算切应力。

低碳钢的扭转屈服点和抗扭强度按下列公式计算:

扭转屈服点:τs=Ts/Wt  或  τsl=Tsl/Wt                                  

抗扭强度:  τb=Tb/Wt

  

铸铁的抗扭强度: τb=Tb/Wt

金属的扭转实验实验报告

一、实验目的

1、

2

3

二、实验设备

三、低碳钢扭转实验T-Ф曲线

   ( 所选试件尺寸:                       )

四、低碳钢扭转屈服点、抗扭强度计算:

铸铁的扭转强度计算:


第二篇:材料力学金属扭转实验报告


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,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

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。

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