材料力學(xué)金屬扭轉(zhuǎn)實驗報告

1、材料力學(xué)金屬扭轉(zhuǎn)實驗報告【實驗?zāi)康摹?、驗證扭轉(zhuǎn)變形公式，測定低碳鋼的切變模量 G;測定低碳鋼和鑄鐵的剪 切強(qiáng)度極限b握典型塑性材料（低碳鋼）和脆性材料（鑄鐵）的扭轉(zhuǎn)性能；2、繪制扭矩一扭角圖；3、觀察和分析上述兩種材料在扭轉(zhuǎn)過程中的各種力學(xué)現(xiàn)象，并比較它們性 質(zhì)的差異；4、了解扭轉(zhuǎn)材料試驗機(jī)的構(gòu)造和工作原理，掌握其使用方法。【實驗儀器】儀器名稱數(shù)量參數(shù)游標(biāo)卡尺10-150mm 精度 0.02mmCTT502微機(jī)控制電液伺 服扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)1最大扭矩500N m,最大功率 0.4kw低碳鋼、鑄鐵各1標(biāo)準(zhǔn)【實驗原理和方法】1. 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，其上任意一點處于純

2、剪切應(yīng)力狀態(tài)。隨著外力偶 矩的增加，當(dāng)達(dá)到某一值時，測矩盤上的指針會出現(xiàn)停頓，這時指針?biāo)甘镜耐?力偶矩的數(shù)值即為屈服力偶矩Mes，低碳鋼的扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力為3 IVLs 4 W式中：Wp d3/16為試樣在標(biāo)距的抗扭截面系數(shù)。在測出屈服扭矩Ts后，改用電動快速加載，直到試樣被扭斷為止。這時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 Meb，低碳鋼的抗扭強(qiáng)度eb4 Wp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，利用扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)上的自動繪圖裝置繪出的Me 圖如圖1-3-2所示。當(dāng)達(dá)到圖中A點時，Me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s,如能

3、測得此時相應(yīng)的外力偶矩Mep，如圖1-3-3a所示，則扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力為epWp經(jīng)過A點后，橫截面上出現(xiàn)了一個環(huán)狀的塑性區(qū)，如圖1-3-3b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M eb矩TS為圖 1-3-3s(b) Tp T Tss(C)T Ts低碳鋼圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時橫截面上的切應(yīng)力分布Tsd/2d/220 s 2 d 2 s 0 d3 d1243Wps由于Ts Mes，因此,由上式可以得到| MeBA廠ThLM es1:M ep3 Mes4 Wp無論從測矩盤上指針前進(jìn)的情況，還是

4、從自動繪圖裝置所繪出的曲線來看，A點的位置不易精確判定，而B點的位置則較為明顯。因此，一般均根據(jù)由B點測定的Mes來求扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力s。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Mes后，扭轉(zhuǎn)角 增加很快，而外力偶矩Me 增加很小，BC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s大。根據(jù)測定的試樣在斷裂時的外力偶矩 Meb，可求得抗扭強(qiáng)度為3 Meb4 Wp2. 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Meb (方法

5、同2)，抗扭強(qiáng)度為Mebb Wp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45角，表明破壞是由拉應(yīng)力引起的。【實驗步驟】、低碳鋼1、試件準(zhǔn)備：在標(biāo)距的兩端及中部三個位置上，沿兩個相互垂直方向各測量一次直徑取平均值，再從三個平均值中取最小值作為試件的直徑 do在 低碳鋼試件表面畫上一條縱向線和兩條圓周線，以便觀察扭轉(zhuǎn)變形。2、試驗機(jī)準(zhǔn)備：按試驗機(jī)一計算機(jī)一打印機(jī)的順序開機(jī)，開機(jī)后須預(yù)熱十 分鐘才可使用。根據(jù)計算機(jī)的提示，設(shè)定試驗方案，試驗參數(shù)。3、裝夾試件：(1) 先將一個定位環(huán)夾套在試件的一端，裝上卡盤，將螺釘

6、擰緊。再將另 一個定位環(huán)夾套在試件的另一端，裝上另一卡盤；根據(jù)不同的試件標(biāo)距 要求，將試件擱放在相應(yīng)的 V形塊上，使兩卡盤與V形塊的兩端貼緊， 保證卡盤與試件垂直，以確保標(biāo)距準(zhǔn)確。將卡盤上的螺釘擰緊。(2) 先按“對正”按鍵，使兩夾頭對正。如發(fā)現(xiàn)夾頭有明顯的偏差，請按 下“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”按鍵進(jìn)行微調(diào)。將已安裝卡盤的試件的一端放入 從動夾頭的鉗口間，扳動夾頭的手柄將試件夾緊。按“扭矩清零”按鍵 或試驗操作界面上的扭矩“清零”按鈕。推動移動支座移動，使試件的 頭部進(jìn)入主動夾頭的鉗口間。先按下“試件保護(hù)”按鍵，然后慢速扳動 夾頭的手柄，直至將試件夾緊。(3) 將扭角測量裝置的轉(zhuǎn)動臂的距離調(diào)好，轉(zhuǎn)動

7、轉(zhuǎn)動臂，使測量輥壓在卡 盤上。4、開始試驗：按“扭轉(zhuǎn)角清零”按鍵，使電腦顯示屏上的扭轉(zhuǎn)角顯示值為 零。按“運行”鍵，開始試驗。5、記錄數(shù)據(jù)：試件斷裂后，取下試件，觀察分析斷口形貌和塑性變形能力， 填寫實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果。6、試驗結(jié)束：試驗結(jié)束后，清理好機(jī)器，以及夾頭中的碎屑，關(guān)斷電源。、鑄鐵1、試件準(zhǔn)備：在標(biāo)距的兩端及中部三個位置上，沿兩個相互垂直方向各測量一次直徑取平均值，再從三個平均值中取最小值作為試件的直徑d。在低碳鋼試件表面畫上一條縱向線和兩條圓周線，以便觀察扭轉(zhuǎn)變形。2、試驗機(jī)準(zhǔn)備：按試驗機(jī)一計算機(jī)一打印機(jī)的順序開機(jī)，開機(jī)后須預(yù)熱十分 鐘才可使用。根據(jù)計算機(jī)的提示，設(shè)定試驗方案，試驗

8、參數(shù)。3、裝夾試件：啟動扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)并預(yù)熱后，將試件一端固定于機(jī)器，按"對正"按鈕使兩夾頭對正后，推動移動支座使試件頭部進(jìn)入鉗口間4、開始試驗：按“扭轉(zhuǎn)角清零”按鍵，使電腦顯示屏上的扭轉(zhuǎn)角顯示值為零。 按“運行”鍵，開始試驗。5、記錄數(shù)據(jù)：試件斷裂后，取下試件，觀察分析斷口形貌和塑性變形能力， 填寫實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果。6、試驗結(jié)束：試驗結(jié)束后，清理好機(jī)器，以及夾頭中的碎屑，關(guān)斷電源?！緦嶒灁?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理】一 低碳鋼扭轉(zhuǎn)1.低碳鋼直徑D測量第一次測量第二次測量平均值上部10.00mm10.00mm10.00mm中部10.00mm10.00mm10.00mm下部10.00mm10

9、.00mm10.00mm2.低碳鋼定位環(huán)間距L測量第一次測量第二次測量平均值L61.55mm61.57mm61.56mm注：第二次實驗修正標(biāo)距為1003.線性階段相關(guān)數(shù)據(jù)當(dāng)處于線性階時，有扭矩M(Nm)扭角(° )相對扭角0( ° )43.8186353.4819645.10207二.鑄鐵扭轉(zhuǎn)1.鑄鐵直徑d測量第一次測量第二次測量平均值上部10.00mm10.00mm10.00mm中部10.00mm10.00mm10.00mm下部10.00mm10.00mm10.00mm【實驗結(jié)果分析】滿足線性關(guān)系、計算低碳鋼模量G? ? = ?. ? x ? x ?-?. ? x ?.

10、? x ? ? ? = ?. ? x ? x ?. ? x ?. ? x ?x ?=? ?一、低碳鋼數(shù)據(jù)處理1、驗證線性階段的數(shù)據(jù)是否為一條直線，以驗證比例極限的扭轉(zhuǎn)角公式根據(jù)Original Data, 運用matlab擬合實驗數(shù)據(jù)則選取數(shù)據(jù)如下表數(shù)據(jù)LoadV5.00637.503010.00312.53015.00617.49220.00122.517PosV0.95591.33851.68822.01672.32192.62182.90533.1942LoadV25.00827.50030.02232.51935.01137.50640.01442.5016PosV3.47773.76

11、114.03334.31624.60044.87295.14505.4336用matlab繪制的圖如下?99?.? X ? X ?-? ? X ?. ? X ?XF-? ? ?=? ?+ ?+ ? ? + ? ? + ? ? = ? ?三、計算低碳鋼和鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限1、低碳鋼:? ? ?99? ? - ?X?=- ?X?. ? X? ? ? ? ? ?- ?X?=9999? X?. ? X?- ? ?2、鑄鐵強(qiáng)度極限：？?99? ? - ? = ? ? X? . ? X?- ?.端口形狀:低碳鋼鑄鐵【實驗思考】1、試件的尺寸和形狀對測定彈性模量有無影響 ？為什么？ 答：彈性模量是材料的固有性質(zhì)，與試件的尺寸和形狀無關(guān)。2、逐級加載方法所求出的彈性模量與一次加載到最終值所求出的彈性模量是否 相同？為什么必須用逐級加載的方法測彈性模量 ？答：逐級加載方法所求出的彈性模量與一次加載到最終值所求出的彈性模量不相同，采用逐級加載方法所求出的彈性模量可降低誤差，同時可以驗證材料此時是否處于彈性狀態(tài)，以保證實驗結(jié)果的可靠性。3、碳鋼與鑄鐵試件