實驗二扭轉(zhuǎn)試驗

1、實驗二 扭轉(zhuǎn)試驗 一、實驗?zāi)康?.驗證剪切胡克定律，測定低碳鋼的彈性常數(shù)：切變模量。2.測定低碳鋼扭轉(zhuǎn)時的強(qiáng)度性能指標(biāo)：扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力和抗扭強(qiáng)度。3.測定灰鑄鐵扭轉(zhuǎn)時的強(qiáng)度性能指標(biāo)：抗扭強(qiáng)度。4.繪制低碳鋼和灰鑄鐵的扭轉(zhuǎn)圖，比較低碳鋼和灰鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞形式。 二、實驗設(shè)備和儀器1.扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)。2.扭角儀。3.游標(biāo)卡尺。 三、實驗試樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB1012888金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法，金屬扭轉(zhuǎn)試樣的形狀隨著產(chǎn)品的品種、規(guī)格以及試驗?zāi)康牡牟煌譃閳A形截面試樣和管形截面試樣兩種。其中最常用的是圓形截面試樣，如圖1-1a所示。通常，圓形截面試樣的直徑，標(biāo)距或，平行部分的長度為。若采用其它直徑的試樣，其

2、平行部分的長度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。試樣頭部的形狀和尺寸應(yīng)適合扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)的夾頭夾持。由于扭轉(zhuǎn)試驗時，試樣表面的切應(yīng)力最大，試樣表面的缺陷將敏感地影響試驗結(jié)果，所以，對扭轉(zhuǎn)試樣的表面粗糙度的要求要比拉伸試樣的高。對扭轉(zhuǎn)試樣的加工技術(shù)要求參見國家標(biāo)準(zhǔn)GB1012888。 四、實驗原理與方法1.測定低碳鋼的彈性常數(shù)為了驗證剪切胡克定律，在彈性范圍內(nèi)，采用等量逐級加載法。試驗裝置如圖1-5所示，將試樣安裝在扭角儀上，每次增加同樣的扭矩，若扭轉(zhuǎn)角也基本相等，即驗證了剪切胡克定律。圖1-5 扭角儀根據(jù)扭矩增量的平均值，測得的扭轉(zhuǎn)角增量的平均值，由此可得到切變模量式中：為試樣的標(biāo)距；為試樣在標(biāo)距內(nèi)橫截面的極

3、慣性矩；為試樣的直徑。若載荷增量的平均值為，則扭矩增量的平均值為，若測量點(diǎn)的位移增量平均值為，則扭轉(zhuǎn)角增量的平均值為，將這些關(guān)系式代入上式，即得式中：為載荷力臂；為測量力臂。2.測定低碳鋼扭轉(zhuǎn)時的強(qiáng)度性能指標(biāo)試樣在外力偶矩的作用下，其上任意一點(diǎn)處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)。隨著外力偶矩的增加，測矩盤上的指針會出現(xiàn)停頓，這時指針?biāo)甘镜耐饬ε季氐臄?shù)值即為屈服力偶矩，低碳鋼的扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力為式中：為試樣在標(biāo)距內(nèi)的抗扭截面系數(shù)。在測出屈服扭矩后，改用電動加載，直到試樣被扭斷為止。測矩盤上的從動指針?biāo)甘镜耐饬ε季財?shù)值即為最大力偶矩，低碳鋼的抗扭強(qiáng)度為對上述兩公式的來源說明如下：低碳鋼試樣在扭轉(zhuǎn)變形過程中，利用扭

4、轉(zhuǎn)試驗機(jī)上的自動繪圖裝置繪出的圖如圖1-6所示。當(dāng)達(dá)到圖中點(diǎn)時，與成正比的關(guān)系開始破壞，這時，試樣表面處的切應(yīng)力達(dá)到了材料的扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力，如能測得此時相應(yīng)的外力偶矩，如圖1-7a所示，則扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力為經(jīng)過點(diǎn)后，橫截面上出現(xiàn)了一個環(huán)狀的塑性區(qū)，如圖1-7b所示。若材料的塑性很好，且當(dāng)塑性區(qū)擴(kuò)展到接近中心時，橫截面周邊上各點(diǎn)的切應(yīng)力仍未超過扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力，此時的切應(yīng)力分布可簡化成圖1-7c所示的情況，對應(yīng)的扭矩為圖1-6 低碳鋼的扭轉(zhuǎn)圖 （a） （b） （c）圖1-7 低碳鋼圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時橫截面上的切應(yīng)力分布（a）；（b）；（c）由于，因此，由上式可以得到無論從測矩盤上指針前進(jìn)的情況，還是從自動繪

5、圖裝置所繪出的曲線來看，點(diǎn)的位置不易精確判定，而點(diǎn)的位置則較為明顯。因此，一般均根據(jù)由點(diǎn)測定的來求扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。當(dāng)然這種計算方法也有缺陷，只有當(dāng)實際的應(yīng)力分布與圖1-7c完全相符合時才是正確的，對塑性較小的材料差異是比較大的。從圖1-6可以看出，當(dāng)外力偶矩超過后，扭轉(zhuǎn)角增加很快，而外力偶矩增加很小，近似于一條直線。因此，可認(rèn)為橫截面上的切應(yīng)力分布如圖1-7c所示，只是切應(yīng)力值比大。根據(jù)測定的試樣在斷裂時的外力偶矩，可求得抗扭強(qiáng)度為3.測定灰鑄鐵扭轉(zhuǎn)時的強(qiáng)度性能指標(biāo)對于灰鑄鐵試樣，只需測出其承受的最大外力偶矩（方法同2），抗扭強(qiáng)度為由上述扭轉(zhuǎn)破壞的試樣可以看出：低碳鋼試樣的斷口與軸線垂直，表明破壞

6、是由切應(yīng)力引起的；而灰鑄鐵試樣的斷口則沿螺旋線方向與軸線約成角，表明破壞是由拉應(yīng)力引起的。 五、實驗步驟1.測定低碳鋼的彈性常數(shù)（1）調(diào)整好扭角儀上的百分表，使指針對準(zhǔn)“0”。（2）采用等量逐級加載法，每加一塊砝碼，記錄一次百分表的讀數(shù)。（3）卸載，整理儀器。2.測定低碳鋼扭轉(zhuǎn)時的強(qiáng)度性能指標(biāo)（1）測量試樣的直徑（方法與拉伸試驗相同）。（2）將試樣安裝到扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)上，選擇合適的測矩盤和相應(yīng)的擺錘，調(diào)整好測矩盤的指針，使之對準(zhǔn)“0”，并將從動指針與之靠攏，同時調(diào)整好自動繪圖裝置。（3）用手搖柄均勻緩慢加載，注意觀察測矩盤上的指針，若指針停止轉(zhuǎn)動，則表明整個材料發(fā)生屈服，記錄下此時的外力偶矩。（4

7、）改用電動快速加載，直至試樣被扭斷為止，關(guān)閉扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)，由從動指針讀取最大外力偶矩。3.測定灰鑄鐵扭轉(zhuǎn)時的強(qiáng)度性能指標(biāo)（1）測量試樣的直徑（方法與拉伸試驗相同）。（2）將試樣安裝到扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)上，選擇合適的測矩盤和相應(yīng)的擺錘，調(diào)整好測矩盤的指針，使之對準(zhǔn)“0”，并將從動指針與之靠攏，同時調(diào)整好自動繪圖裝置。（3）用手搖柄均勻緩慢加載，直至試樣被扭斷為止，關(guān)閉扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)，由從動指針讀取最大外力偶矩。 六、實驗數(shù)據(jù)記錄與計算1.測定低碳鋼和灰鑄鐵扭轉(zhuǎn)時的強(qiáng)度性能指標(biāo)表1-7 測定低碳鋼和灰鑄鐵扭轉(zhuǎn)時的強(qiáng)度性能指標(biāo)試驗的數(shù)據(jù)記錄與計算材料低 碳 鋼灰 鑄 鐵試樣尺寸直 徑 直 徑 實驗后的試樣草圖實驗數(shù)據(jù)屈 服 扭 矩 最 大 扭 矩 扭轉(zhuǎn)屈