试验(二) 扭转试验及剪切弹性模量G的测定
一、实验前预习及准备要求
认真熟悉教材中关于扭转相关的知识内容,阅读实验指导书中扭转实验的各个环节步骤,对思考题进行初步理解,力求带着问题进入实验。
接通电源;打开试验机开关,正常启动后进入试验机控制界面;打开电脑;运行试验程序,进入试验软件主界面。
二、概述
常温、静载条件下,测试材料受扭转变形的力学指标,是一项重要的力学实验。通过试验,可以测定材料的‘抗扭屈服强度’(屈服极限)、‘抗扭强度’(强度极限)及‘切变模量’等力学性能指标。这些性能指标对承受扭转变形的材料进行力学分析计算、工程设计、选择材料和新材料开发都有重要的作用。
三、 实验目的
通过实验测定‘抗扭屈服强度’(剪切屈服极限)τs 、‘抗扭强度’(剪切强度极限)τb,了解掌握这些指标的测取方法及过程。
通过‘数据分析’窗口提取相关数据计算出切变模量(剪切弹性模量)G 。
四、实验原理
1、低碳钢扭转
【抗扭屈服强度】(剪切屈服极限): (Mpa)
[ 式中: T s – 屈服阶段最小扭矩值(N · mm ); W –抗扭截面模量(mm3); (mm3); d -- 试样横截面直径(mm)。]
【抗扭强度】(剪切强度极限): (Mpa)
[ 式中: Tb – 破坏前最大扭矩值(N · mm )]
在上述两式中都存在 3/4 的系数,来源见图一。
(a)初态 (b)中间态 (c)填满态
图 一 扭转等直圆轴进入屈服状态切应力变化图
当扭转等直圆轴到达初态时,T—φ试验曲线上的扭矩T并没有进入屈服阶段,但此时截面边缘上的切应力已经达到τs ,进入实际屈服阶段,有D·τρ= 2ρ·τs。此时的扭矩:
中间变化过程是塑性变形环逐渐变大直到填满整个截面的过程。达到填满态时的扭矩:
结果:= 。 [对应T—φ试验曲线上的扭矩]
抗扭强度式中系数也可如此推理。
图 二 低碳钢扭转试样
对低碳钢等直圆轴扭转在比例变形范围内符合剪切胡克定律,截面Ⅱ相对截面Ⅰ转角:
( ° ) (见图二)
[ 式中:φ– 截面Ⅱ相对截面Ⅰ的转角(°); T – 截面扭矩值(N · mm );
L – 试样试验段长度(mm); G --切变模量 (Mpa ;即N / mm2);
Ip – 对截面中心的极惯性矩(mm4); Ip == (mm4) ]
【切变模量G】: (Mpa) ; (Mpa)
[(见图三)T2、T1 --- 扭转弹性变形阶段选定两点对应的扭矩值(N · mm )。
φ2、φ1 -- 扭转弹性变形阶段选定两点对应的转角值(°)。]
2、铸铁扭转
【抗扭强度】(剪切强度极限): (Mpa)
[ 式中:Tb – 破坏前最大扭矩值(N · mm ); W–抗扭截面模量(mm3):
(mm3); d -- 试样横截面直径(mm)。 ]
铸铁扭转不存在屈服阶段,所以式中系数是1 。
图 三 低碳钢、铸铁扭转(扭矩T—转角φ)试验曲线
五、实验设备
ND-1000微机控制扭转试验机(见图四)。
实验前准备工作:连接电缆线;打开空气开关;打开钥匙开关,试验机正常启动后进入试验机控制界面;打开电脑显示器;打开电脑主机开关;运行试验程序,进入试验软件主界面。
图 四 ND-1000微机控制扭转试验机
六、实验操作过程 (统一说明低碳钢、铸铁扭转试验过程)。
1、测定试样横截面直径d,对低碳钢还需测定试样试验段长度L ,并记录。
2、 装卡试样:(见图四)在传感器箱卡盘上用卡盘钥匙转动,使卡盘轻微卡住试样的一头,然后沿导轨推动,将试样的另一头伸进主轴箱卡盘中后转动卡盘钥匙轻微卡紧,再将两端卡盘略微拧松,用手晃动试样并逐渐将两端卡盘拧紧,以保证试样两头都能与卡盘可靠接触。对铸铁可使用加力杆拧紧,低碳钢则不用。
3、 用粉笔在试样上涂色,可直接观察试样的变形过程。铸铁试样约在转动300~500转角范围内被扭断,断口呈螺旋面。而低碳钢一般在10000~20000转角范围内被扭断,并沿横截面扭断。
图 五 扭转软件入主界面
4、在扭转软件入主界面内(见图五),点击‘联机’,联通电脑与扭转试验机。
5、点击‘试样录入’出现对话框(见图六),在带有*的选项内填写相应的参数。然后‘保存’、‘关闭’。
图 六 录入试样参数对话框
6、在主界面内点击‘参数设置’出现对话框第一页(见图七),开始扭矩值填写1 N·m(试验机最大扭矩值的千分之四以下即可)。点击‘下一步’,进入第二页(见图八),
在需要获取的指标前方框内打上‘√’。点击‘下一步’,进入第三页(见图九),填写铸铁断裂百分比只要小于100% 即可,而低碳钢填20~50% 即可。后面若干页的参
图七 参数设置第一页
图 八 参数设置第二页
图 十 低碳钢扭转弹性阶段的曲线
数不需变动,点击‘关闭’,返回主界面。
7、清零,①可在主界面内点击‘清零’键清零。②可在试验机控制面板上按动‘0’、‘1’、‘2’三个键完成清零。
8、点击‘试验开始’进行试验。在低碳钢试验中的弹性阶段和屈服阶段,可保持60°/min的转速,进入强化阶段后可在主界面右端‘到达速度’栏内填360°/min ,然后点击‘确定’,则试验机以每秒增加5°速率从60°/min逐渐增加到最大转速360°/min 。这样做可节省时间,对实验结果几乎没有影响。
9、记录实验结果数据。低碳钢试验结束后,①在主界面内‘结果信息’栏内只能记录到‘最大扭矩’和‘下屈服扭矩’,不全面。②进入‘数据管理’窗口,点击‘分析’,并在选项‘最大扭矩’及‘下屈服扭矩’前方框中打上‘√ ’,记录Tb 、Ts 。然后将试验曲线上的弹性阶段放大(见图十,通过点击右键,选择‘改编曲线坐标’项,选用适当纵横坐标量程 ),再选择‘跟踪采样点’项,让小黑点在斜线部分选择相应两点,并记录:φ1(X1)= ?;φ2(X2)= ?;T1(Y1)= ?;T2(Y2)= ?,用于计算G 。
图 九 参数设置第三页
七、思考题
1、低碳钢和铸铁扭转试验在变形方式和破坏特征有何不同?试分析产生破坏的原因。
2、根据拉伸、压缩和扭转试验结果, 分析塑性材料(低碳钢)和脆性材料(铸铁)的力学性能。
3、试对转角φ的公式进行量纲(单位)分析。
4、试说明主界面上显示的转角φ值,就是扭转试样截面Ⅱ相对于截面Ⅰ的转角?
5、对于本次实验,你的体会是什么?你有什么建议吗?
八、书写实验报告要求
6、要求每一位同学独立完成自己的实验报告,禁止抄袭 。
7、叙述清楚实验的目的、原理及做实验使用的设备、工具 。
8、记述清楚试验的具体步骤环节(主要是低碳钢扭转试验)。
9、将实验原始记录认真誊写清楚。
10、 对切变G公式进行量纲(单位)分析 。
11、 对低碳钢扭转,根据公式计算τs 、τb ,再加上材料本身物理性质决定的切变模量G 。 对铸铁,根据公式计算:τb 。要求将具体试验数据代入计算 。
九、实验数据记录
在原始记实验数据录单上需记录的主要数据项目(见图十一) 。
沈 阳 工 程 学 院
原始记实验数据录单
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扭转试验:
低碳钢: τs (Mpa) τb (Mpa)
d = (mm) ; L = (mm) ; Ts = (N.m); Tb = (N.m);
φ1= (°); φ2 = (°) ; T1 = (N.m); T2 = (N.m)
L (T2 – T1) 180
G = ----- -------------- ------- (Mpa)
Ip (φ2 –φ1) π
T1 和 T2代入数值计算时,选择(N.mm) 。
铸铁: τb (Mpa)
d = (mm); Tb = (N.m)。
指导教师签名:
图 十一 需记录数据项目
第二篇:3扭转实验-实验报告
扭转实验
实验日期
姓名 班级 学号
实验组别 同组成员 指导教师(签字)
一、实验目的
二、实验设备名称及型号
三、实验数据记录与处理
1.试样尺寸记录
2.实验数据记录
3.作出两种材料扭转的-曲线(定性画,适当注意比例,特正点要清楚),说明断口形状和特征。(答案写在背面)