实验五　低碳钢、铸铁扭转试验和G值测量

工程上的构件除了受到拉伸、压缩、剪切的载荷作用外，还受到扭矩的作用，像电机、发动机的轴，以及一些曲杆构件，它们都承受着扭矩荷载的作用。为了更好设计这些构件，必须掌握材料在扭矩作用下的力学性能。因此进行材料的扭转试验是工程材料力学试验的重要内容之一。

一、 试验目的

（1） 测定低碳钢的切变模量（也叫剪变模量，或剪切弹性模量）。

（2） 测定低碳钢的剪切屈服极限和抗扭强度。

（3） 测定铸铁的抗扭强度。

（4） 比较低碳钢和铸铁的扭矩－转角曲线，以及破坏特征。

二、 仪器设备与工具

（1） 微机控制扭转试验机ND－500C，或其他扭转试验机。

（2） 扭角仪。

（3） 游标卡尺等。

三、 试样

据国家标准《金属室温扭转试验方法》GB10128－88，圆形试样的形状和尺寸见图3－19。试样的头部及尺寸适合试验机夹持。推荐，或，或。如采用其他值，则。

图3－19　圆形扭转试样

圆形试样尺寸的量测应在标距两端及中间处的2个相互垂直的方向上各测一次直径，取其算术平均值。采用测量扭矩、扭转角以确定切变模量时，计算式中的极惯性矩应按3处测得的直径的平均值计算。抗扭强度测定，剪切屈服点、、测定，以及规定非比例扭转应力测定，所涉及到的截面系数，则按在3处测得的平均直径中的最小值计算。

四、 试验原理

低碳钢的扭矩－扭角曲线见图3－20（a）。在弹性直线段，扭矩作用下的扭转变形为：

　　　 　　　　　　　　　（3－28）

圆截面上的剪应力的分布如图3－20（b）所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　

（a）　                （b）　　　　  　　（c）             （d）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图3－20　扭转试验曲线及截面上的应力分布

1． 切变模量测定

根据国家标准，的测定可用图解法，即根据记录的曲线，读取直线段上相应的扭矩和扭角增量，然后代入下式计算值。

　　 　　　　 　　　　　（3－29）

式中为安装扭角仪的标距。

除图解法外，还可用逐级加载法测定。试验时，对试样施加预扭矩，预扭矩一般不超过预计的规定非比例扭矩的10%。安装上扭角仪，见图3－21，并调整读数，或记下此时的角初读数，它与预加扭矩相对应。在弹性直线段范围内，取为最大试验扭矩，将欲加之扭矩分为等分，≥5，即每级扭矩增量为：

　　　　 　　　　　　　　（3－30）

记录每级扭矩及对应的扭角，读取每对数据对的时间以不超过为宜。计算出平均每级扭角增量：

　　　 　　　　（3－31）

代入式（3－29），得

　　　　　　 　　　（3－32）

在测出各组、值后，也可用最小二乘法求出，做法与求、的方法相同，不再重复。

以上是用测量扭角的方法来确定，除此之外，也可用电阻应变片测量应变的方法测出值（沿与轴向成方向贴片），有兴趣的同学可自行推导其测试原理。

图3－21　扭角仪的安装

2． 低碳钢剪切屈服极限和抗扭强度测定

在加载的全过程中，可用计算机自动绘出曲线。在比例极限内，与成线性关系，横截面上的剪应力与剪应变也成线性关系，见图3－20（b）。当继续增大，横截面边缘的剪应力首先达到剪切屈服极限，曲线开始转弯。塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区，而中心区仍是弹性的，见图3－20（c）。因此扭矩仍可继续上升。当整个截面进入塑性区时，见图3－20（d），则曲线出现平台，这时相应的扭矩为，并且：

　　　　　　　　　　　　

于是                                                     　   （3－33）

屈服阶段过后，随着扭角在继续增加，扭矩也在缓慢增加，这是材料强化所带来的效果。在这个阶段，试验之前画的纵向直线变成螺旋线。加载直至扭矩达到极限值，试件被扭断，相应的剪切强度极限为：

　　　　　　　　　　　  　　（3－34）

这里应当指出，为使测定结果具有可比性，国家标准GB10128－88中，统一规定、以及规定非比例扭转应力的计算式为：

　　　　　　 　　　　 　　　（3－35）

 　　　　　　　　 　　　 　　　（3－36）

 　　　　　　　　  　　　　　　（3－37）

3． 铸铁抗扭强度的测定

铸铁属脆性材料，扭转变形很小时就被扭断，其曲线见图3－22，由于曲线近乎一直线，所以可按线弹性公式计算，即式（3－36）。

　　　　　　　　　　　　　

图3－22　铸铁扭转试验曲线　    　　图3－23　碳钢（左）、铸铁（右）扭转断口

五、 试验步骤

（1） 测量试件尺寸，方法如前所述。

（2） 调整试验机夹头位置，装夹试件，转动夹头暂不夹紧，试件不受扭矩作用。

（3） 进行计算机设置，选择扭矩、转角、量程和加载速度、输入文件名等，然后将、的初始读数置零。根据国标GB10128－88规定，试件屈服前扭转速度为(^o)/min，屈服后不大于(^o)/min。

（4） 夹紧试件。

（5） 点击“正转”，开始加载试验。对于低碳钢试件，首先做值测试。然后记录曲线，注意、及总扭角的值。对于铸铁试件，记录曲线，注意及总扭角的值。

（6） 试件被扭断，试验机自动停机，计算机打印试验结果（等）及曲线。

六、 记录表格

试件直径量测记录（）

值测量记录表

七、 讨论问题

（1） 比较低碳钢和铸铁试件受扭破坏的断口，分析破坏原因。

（2） 根据低碳钢、铸铁的拉、压、扭试验结果，综合分析这2种材料的力学性能。

第二篇：实验3-报告模板

FPGA设计与应用 串口通信实验报告

班级：

姓名：

学号：

日期： 年 月 日

哈尔滨工业大学电子与信息工程学院 FPGA设计与应用 实验指导书 实验性质：验证性

开课单位：电信院

一、实验目的 实验类型：必做 学时：2学时

1、了解串口通信的基本原理；

2、掌握锁相环的基本原理和使用方法；

3、掌握起始位和停止位的含义及实现方法；

4、掌握VHDL状态机的基本使用方法；

5、掌握基本的接口设计和调试技巧；

二、实验准备

2.1 串口通信原理（1分）

2.2 锁相环的基本原理（1分）

三、代码及测试

3.1程序及分析（2分）

3.2 SignalTap II波形测试结果（1分）

四、论述

若串口采用1位起始位，1位停止位，1位奇偶校验位的通信方式，试画出该串口发送数据XXH的波形图。其中XX代表学号的最后两位，例如学号最后两位为15的，就画出发送数据15H的波形图。（1分）

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