工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)DOC

實(shí)驗(yàn)一金屬材料的拉伸實(shí)驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定低碳鋼（Q235鋼）的強(qiáng)度性能指標(biāo)：上屈服強(qiáng)博su（Rh）,下屈服強(qiáng)度。sL（ReL）和抗拉強(qiáng)度bb（Rm）o測(cè)定低碳鋼（Q235鋼）的塑性性能指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率5（A）和斷面收縮率甲（Z）。測(cè)定灰鑄鐵（HT200）的強(qiáng)度性能指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度bb（Rm）。觀察、比較低碳鋼（Q235鋼）和鑄鐵兩種材料的力學(xué)性能、拉伸過(guò)程及破壞現(xiàn)象。學(xué)習(xí)試驗(yàn)機(jī)的使用方法。二、設(shè)備和儀器WES-600S型電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。Q235鋼和HT200鑄鐵試樣，游標(biāo)卡尺，鋼直尺，劃線筆。三、試樣圖1-1試樣圖三、試樣圖1-1試樣圖1-2低碳鋼的拉伸曲線國(guó)標(biāo)GB/T228-2002采用直徑d0=10mm（名義尺寸）的圓形截面長(zhǎng)比例試樣。四、實(shí)驗(yàn)原理1）低碳鋼（Q235鋼）的拉伸實(shí)驗(yàn)將試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭中，連接試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)線，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣加載，計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制出載荷位移曲線。觀察試樣的受力、變形直至破壞的全過(guò)程。屈服階段反映在F-M曲線圖上為一水平波動(dòng)線。上屈服力Fu是試樣發(fā)生屈服而載荷首次下降前的最大載荷。下屈服力Fl是試樣在屈服期間去除初始瞬時(shí)效應(yīng)（載荷第一次急劇下降）后波動(dòng)最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的載荷。最大力Fb是試樣在屈服階段之后所能承受的最大載荷。相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)由以下公式計(jì)算：上屈服強(qiáng)度b（R）:。=Fr（1-1）sueHsUA0

TOC\o"1-5"\h\z下屈服強(qiáng)度。（R）：b=M（1-2）sLeLsLA0抗拉強(qiáng)度b（R）：b=寸（1-3）bmbA0測(cè)量斷后的標(biāo)距部分長(zhǎng)度匕和頸縮處最小直徑q,按以下兩式計(jì)算其主要塑性指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率5（A）:5=土￡x100%（1-4）l0式中10為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度，1為試樣斷后的標(biāo)距部分長(zhǎng)度。斷面收縮率W（Z）：v=A0-AuX100%A0式中A0和Au分別是原始橫截面積和斷后最小橫截面積。移位法（亦稱(chēng)為補(bǔ)償法）測(cè)定斷后的標(biāo)距部分長(zhǎng)度1。在長(zhǎng)段上從斷口0點(diǎn)起取長(zhǎng)度基本上等于短段格數(shù)的一段得B點(diǎn)，再由B點(diǎn)起取等于長(zhǎng)段所余格數(shù)（偶數(shù)）之半得。點(diǎn)（見(jiàn)圖1-3a）；或取所余格數(shù)（奇數(shù)）減1與加1之半得C與C1點(diǎn)（見(jiàn)圖1-3b）；移位后的L］分別為：A0+0B+2BC或者A0+0B+BC+BC］。(a)圖1-3移位法測(cè)定斷后標(biāo)距］（實(shí)際的）1］（移位后的）（b）2）鑄鐵的拉伸實(shí)驗(yàn)(a)圖1-3移位法測(cè)定斷后標(biāo)距］（實(shí)際的）1］（移位后的）（b）鑄鐵拉伸時(shí)沒(méi)有屈服階段，斷口為平端口，只能測(cè)得其抗拉強(qiáng)度。據(jù)試樣所能承受的最大力值Fb，計(jì)算鑄鐵抗拉強(qiáng)度bb（Rm）：Fb=-A^（1-6）（1-5）圖（1-5）圖1-4鑄鐵拉伸五、實(shí)驗(yàn)步驟1.測(cè)量試樣尺寸劃線。在試樣兩端劃細(xì)線標(biāo)志標(biāo)距。直徑幺。在試樣標(biāo)距兩端和中間三個(gè)截面上測(cè)量直徑，每個(gè)截面在相互垂直方向各測(cè)量一次，取其平均值。用三個(gè)平均值中最小值計(jì)算試樣橫截面面積，數(shù)據(jù)列表記錄。標(biāo)距長(zhǎng)度10。量取標(biāo)距計(jì)算長(zhǎng)度10。開(kāi)機(jī)打開(kāi)試驗(yàn)機(jī)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置按實(shí)驗(yàn)要術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)操作軟件設(shè)量試樣尺寸等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。測(cè)試通過(guò)試驗(yàn)機(jī)操作軟件控制橫梁移動(dòng)對(duì)試樣進(jìn)行加載，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意曲線及數(shù)字顯示窗口的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)記求并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及輸出根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)打印機(jī)輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及曲線。斷后試樣觀察及測(cè)量取下試樣，注意觀察試樣的斷口。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量試樣的延伸率及斷面收縮率關(guān)機(jī)關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng).將相關(guān)儀器還原。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄參考表1-1和表1-2填寫(xiě)。表1-1試樣原始尺寸材料原始標(biāo)距10(mm)原始橫截面直徑do(mm)原始最小橫截面積A0(mm2)IIIIII12平均12平均12平均低碳鋼100鑄鐵/表1-2試樣斷后尺寸斷后標(biāo)距斷后縮頸處最小直徑du(mm)斷后最小橫截面積l(mm)12平均Au(mm2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理低碳鋼據(jù)F-M曲線（拉伸圖）和試樣屈服后所承受的最大力值Fb計(jì)算力軸（F軸）每毫米代表的力值，進(jìn)而確定上屈服力F^和下屈服力Fl的大小。按公式（1-1）?（1-3）計(jì)算上屈服強(qiáng)度。su、下屈服強(qiáng)度。sL和抗拉強(qiáng)度bb。按公式（1-4）和（1-5）計(jì)算斷后伸長(zhǎng)率8和斷面收縮率^。鑄鐵據(jù)試樣所承受的最大力值Fb，按公式（1-6）計(jì)算抗拉強(qiáng)度bb。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)備名稱(chēng)、型號(hào)，實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄（列表表示）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分析討論。打印試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪制的F-M圖附于實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)。打印試樣斷裂后形狀圖片（可畫(huà)在數(shù)據(jù)記錄和處理欄內(nèi)）。用移位法測(cè)定或直接測(cè)量斷后收縮率的計(jì)算過(guò)程。八、思考題拉伸實(shí)驗(yàn)可以測(cè)定哪些力學(xué)性能？Q235鋼的拉伸過(guò)程的四個(gè)階段？鑄鐵試樣拉伸，斷口為何是平截面？實(shí)驗(yàn)二金屬材料的彈性模量E實(shí)驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定金屬材料的彈性模量E。驗(yàn)證胡克定律。二、設(shè)備和儀器WES-600S型電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。Q235鋼和HT200鑄鐵試樣，游標(biāo)卡尺，鋼直尺，劃線筆。三、試樣國(guó)標(biāo)GB/T228-2002采用直徑d0=10mm(名義尺寸)的圓形截面長(zhǎng)比例試樣。四、實(shí)驗(yàn)原理?xiàng)U件承受軸向載荷時(shí)，在比例極限內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變遵循胡克定律：TOC\o"1-5"\h\z。=E&(2-1)式中，為沿拉力方向的線應(yīng)變(或稱(chēng)縱向線應(yīng)變)，E為材料的彈性模量。同時(shí)試件的橫向線應(yīng)變"與縱向線應(yīng)變￡之間存在著以下關(guān)系：sfsfv^—=~(2-2)￡￡式中，V稱(chēng)為橫向變形系數(shù)或泊松比?！?‘0(2-3)1/0式中1為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度，1為試樣斷后的標(biāo)距部分長(zhǎng)度。0￡，=_(2-4)A0式中A0和A^分別是原始橫截面積和斷后最小橫截面積。五、實(shí)驗(yàn)步驟1.測(cè)量試樣尺寸（1）劃線。在試樣兩端劃細(xì)線標(biāo)志標(biāo)距。（2）直徑幺。在試樣標(biāo)距兩端和中間三個(gè)截面上測(cè)量直徑，每個(gè)截面在相互垂直方向各測(cè)量一次，取其平均值。用三個(gè)平均值中最小值計(jì)算試樣橫截面面積，數(shù)據(jù)列表記錄。（3）標(biāo)距長(zhǎng)度10。量取標(biāo)距計(jì)算長(zhǎng)度10。開(kāi)機(jī)打開(kāi)試驗(yàn)機(jī)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置按實(shí)驗(yàn)要術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)操作軟件設(shè)量試樣尺寸等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。測(cè)試通過(guò)試驗(yàn)機(jī)操作軟件控制橫梁移動(dòng)對(duì)試樣進(jìn)行加載，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意曲線及數(shù)字顯示窗口的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)記求并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及輸出根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)打印機(jī)輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及曲線。斷后試樣觀察及測(cè)量取下試樣，注意觀察試樣的斷口。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量試樣的延伸率及斷面收縮率7.關(guān)機(jī)關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng).將相關(guān)儀器還原。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1.采用實(shí)驗(yàn)一金屬材料拉伸的數(shù)據(jù)。2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算彈性模量E,采用方法最小二乘法或在曲線的直線段部分（彈性變形階段）選取N點(diǎn)（至少五個(gè)點(diǎn)以上）。表2-1數(shù)據(jù)記錄12345F(kN)七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)備名稱(chēng)、型號(hào)，實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄（列表表示）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分析討論。試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪制的F-AI圖附于實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)。八、思考試件尺寸、形狀對(duì)測(cè)定彈性模量E和泊松比V有無(wú)影響？為什么？觀察鋁材的彈性模量電測(cè)法。實(shí)驗(yàn)三金屬材料的壓縮實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定低碳鋼（Q235鋼）的壓縮屈服點(diǎn)^sc和鑄鐵的抗壓強(qiáng)度。加。觀察、分析、比較兩種材料在壓縮過(guò)程中的各種現(xiàn)象。二、設(shè)備和儀器WES-600S型電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。Q235鋼和HT200鑄鐵試樣，游標(biāo)卡尺，鋼直尺，劃線筆。三、試樣采用中15x25（名義尺寸）的圓柱形試樣。四、實(shí)驗(yàn)原理低碳鋼（Q235鋼）試樣壓縮圖如圖3-1b所示。試樣開(kāi)始變形時(shí)，服從胡克定律，呈直線上升，此后變形增長(zhǎng)很快，材料屈服。此時(shí)載荷暫時(shí)保持恒定或稍有減小，這暫時(shí)的恒定值或減小的最小值即為壓縮屈服載荷尸SC。有時(shí)屈服階段出現(xiàn)多個(gè)波峰波谷，則取第一個(gè)波谷之后的最低載荷為壓縮屈服載荷尸SC。爾后圖形呈曲線上升，隨著塑性變形的增長(zhǎng)，試樣橫截面相應(yīng)增大，增大了的截面又能承受更大的載荷。試樣愈壓愈扁，甚至可以壓成薄餅形狀（如圖3-1a所示）而不破裂，因此測(cè)不出抗壓強(qiáng)度。鑄鐵試樣壓縮圖如圖3-2a所示。載荷達(dá)最大值F后稍有下降，然后破裂，能聽(tīng)到沉悶bc的破裂聲。鑄鐵試樣破裂后呈鼓形，破裂面與軸線大約成45o,這主要是由切應(yīng)力造成的。圖3-1低碳鋼試樣壓縮圖圖3-2鑄鐵試樣壓縮圖五、實(shí)驗(yàn)步驟1.測(cè)量試樣尺寸用游標(biāo)卡尺在試樣高度重點(diǎn)處兩個(gè)相互垂直的方向上測(cè)量直徑，取其平均值，記錄數(shù)據(jù)。開(kāi)機(jī)打開(kāi)試驗(yàn)機(jī)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置按實(shí)驗(yàn)要術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)操作軟件設(shè)量試樣尺寸等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。測(cè)試通過(guò)試驗(yàn)機(jī)操作軟件控制橫梁移動(dòng)對(duì)試樣進(jìn)行加載，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意曲線及數(shù)字顯示窗口的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)記求并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及輸出根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)打印機(jī)輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及曲線。斷后試樣觀察及測(cè)量取下試樣，注意觀察試樣的斷口。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量試樣的延伸率及斷面收縮率關(guān)機(jī)關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng).將相關(guān)儀器還原。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理參考表3-1記錄實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。表3-1實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄參考表材料直徑q(mm)橫截面面枳A0(mm2)屈服載荷/sc(KN)12平均低碳鋼最大載何%(KN)TOC\o"1-5"\h\z鑄鐵/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理?yè)?jù)低碳鋼（Q235鋼）壓縮實(shí)驗(yàn)所得到的屈服載荷F計(jì)算低碳鋼的壓縮屈服點(diǎn)。:scscb=F（3-1）scA0據(jù)鑄鐵壓縮實(shí)驗(yàn)所得到的最大載荷F計(jì)算鑄鐵的抗壓強(qiáng)度bbcbcb=-bc（3-2）bcA0七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康模O(shè)備名稱(chēng)、型號(hào)，實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄（列表表示）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，試樣破壞形狀示意圖，分析討論。八、思考低碳鋼試樣壓縮后為什么成鼓形？鑄鐵試樣壓縮是發(fā)生什么破壞？其原因是什么？低碳鋼拉伸時(shí)可測(cè)得試樣所能承受的最大載荷F，壓縮時(shí)測(cè)不到最大載荷，為什么說(shuō)它是拉壓等強(qiáng)度材料？鑄鐵是拉壓等強(qiáng)度材料嗎？實(shí)驗(yàn)四金屬材料的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)（電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定低碳鋼的屈服點(diǎn)匚s或上屈服點(diǎn)Lu、下屈服點(diǎn)氣l和抗扭強(qiáng)度、。測(cè)定鑄鐵抗扭強(qiáng)度\。觀察并分析不同材料在扭轉(zhuǎn)時(shí)的變形和破壞現(xiàn)象。二、設(shè)備和儀器NDW-500微機(jī)控制電子式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)。游標(biāo)卡尺。三、試樣采用直徑10mm、標(biāo)距100毫米的圓形試樣，端部銑成相對(duì)兩平面以圖4-1扭轉(zhuǎn)試樣便夾持，如圖的圓形試樣，端部銑成相對(duì)兩平面以圖4-1扭轉(zhuǎn)試樣四、實(shí)驗(yàn)原理屈服點(diǎn)Ts、上屈服點(diǎn)Tsu和下屈服點(diǎn)TsL（低碳鋼）拉伸時(shí)有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料（如低碳鋼）在扭轉(zhuǎn)時(shí)同樣有屈服現(xiàn)象。通常T-9曲線有兩種類(lèi)型，見(jiàn)圖4-2。扭矩保持恒定而扭轉(zhuǎn)角仍持續(xù)增加（曲線出現(xiàn)平臺(tái)）時(shí)的扭矩稱(chēng)為屈服扭矩，記作Ts（圖

4-2a）,按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算所得的切應(yīng)力稱(chēng)為屈服點(diǎn)，記作t（4-1）TT=—s-

（4-1）P(b)圖4-2有明顯屈服現(xiàn)象的TN曲線在屈服階段，扭矩首次下降前的最大扭矩稱(chēng)為上屈服扭矩，記作T，按彈性扭轉(zhuǎn)公式su計(jì)算所得的切應(yīng)力稱(chēng)為上屈服點(diǎn)，記作tsu，即suT―suWP（4-2(b)圖4-2有明顯屈服現(xiàn)象的TN曲線在屈服階段，扭矩首次下降前的最大扭矩稱(chēng)為上屈服扭矩，記作T，按彈性扭轉(zhuǎn)公式su計(jì)算所得的切應(yīng)力稱(chēng)為上屈服點(diǎn)，記作tsu，即suT―suWP（4-2）屈服階段中的最小扭矩稱(chēng)為下屈服扭矩（不加說(shuō)明時(shí)即指下屈服扭矩），記作T（圖3-2b），按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算所得的切應(yīng)力稱(chēng)為下屈服點(diǎn)，記作Tsl，即tsLT=—sLWP(4-3)2?抗扭強(qiáng)度tb（低碳鋼）試樣在斷裂前所承受的最大扭矩4按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算得抗扭強(qiáng)度Tb。從自動(dòng)記錄的T-中曲線上讀取試樣斷裂前的最大扭矩T，b（圖4-3），按下式計(jì)算抗扭強(qiáng)度：（a）低碳鋼試樣斷口形貌(4-4)在試驗(yàn)過(guò)程中，試樣直徑不變，由于低碳鋼抗剪切能力小于其抗拉能力，而橫截面上切應(yīng)力（b）鑄鐵試樣斷口形貌

圖4-3試樣斷口具有最大值，故斷口為平斷口（（b）鑄鐵試樣斷口形貌

圖4-3試樣斷口說(shuō)明：在扭轉(zhuǎn)彈性階段，試樣圓截面上的應(yīng)力沿半徑線性分布。對(duì)試樣緩慢加載，試樣橫截面邊緣處材料首先進(jìn)入屈服，而整個(gè)截面的絕大部分區(qū)域內(nèi)仍處于彈性狀態(tài)（圖4-4a）。此后，由于材料屈服而形成的塑性區(qū)不斷向中心擴(kuò)展，橫截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀的塑性區(qū)（圖4-4b）。當(dāng)橫截面上的應(yīng)力均達(dá)到屈服點(diǎn)后，材料全部進(jìn)入塑性（圖4-4c）。(a)(b)(a)(b)(c)圖4-4低碳鋼圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的切應(yīng)力分布

(a)T=七；(b)Ts<T<T；(c)T=孔試驗(yàn)機(jī)測(cè)量出的屈服扭矩實(shí)際上是橫截面上相當(dāng)部分區(qū)域屈服時(shí)的扭矩值，所測(cè)的得的破壞扭矩值也是這樣。因此按前述公式計(jì)算得到的剪切屈服點(diǎn)和抗扭強(qiáng)度均比實(shí)際增大。若按全面屈服考慮（圖4-4c），對(duì)應(yīng)的扭矩為：T=「2tp2兀pdp=2ktJ，2p2dp=:;3考慮到材料剛開(kāi)始進(jìn)入屈服時(shí)的外扭矩值很難精確判定，因此，一般均根據(jù)全面屈服時(shí)測(cè)定的外扭矩值來(lái)計(jì)算扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力ts，即:(4-5)上式是在理想彈塑性情況下導(dǎo)出的，因此對(duì)于有較長(zhǎng)屈服階段，或強(qiáng)化現(xiàn)象不明顯的塑性材料比較吻合。對(duì)于塑性較差的材料則有較大誤差。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得試樣在斷裂時(shí)的扭力偶矩4，按下式計(jì)算抗扭強(qiáng)度:(4-6)_3TTb=4(4-6)上式是Nadai扭轉(zhuǎn)塑性理論公式中略去了一項(xiàng)后得到的，而略去的這一項(xiàng)不一定是高階小量，因此公式是近似的。3.抗扭強(qiáng)度tb（鑄鐵）鑄鐵的扭轉(zhuǎn)曲線T-中有明顯的非線性偏離，變形很小就突然破裂。由于在與桿軸線成土45度角的面上，分別受到主應(yīng)力％=匚和b亍T的作用，而鑄鐵的抗拉能力較抗剪切能力弱，故沿與軸線成45度方向被拉斷，斷裂面呈螺旋面（見(jiàn)圖4-3b）。據(jù)斷裂前的最大扭矩T，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算抗扭強(qiáng)度七:tb=Ww（"）p五、實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)量試樣尺寸在試樣的標(biāo)距兩端及其中間處兩個(gè)相互垂直的方向上各測(cè)一次直徑，計(jì)算三處測(cè)量直徑的平均值，取三處直徑平均值中的最小值計(jì)算試樣的抗扭截面系數(shù)W，以三處直徑平均值P的均值計(jì)算試樣的極慣性矩I。記錄表4-1。P表4-1試樣原始尺寸記錄及處理列表材料直徑4(mm)抗扭截面模量Wp（mm3）極慣性矩Ip（mm4）IIIIII12平均12平均12平均低碳鋼鑄鐵試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備打開(kāi)試驗(yàn)機(jī)電源，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)及測(cè)試軟件，設(shè)定相關(guān)參數(shù)。加載速度按實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)選擇（屈服前應(yīng)在6/min30/min范圍內(nèi)，屈服后不大于360/min。OU°O安裝試樣注意試樣的對(duì)中和夾緊，移動(dòng)固定夾具。測(cè)試點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，按預(yù)先設(shè)定的測(cè)試程序?qū)υ嚰M(jìn)行加載，直至試件斷裂。保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在測(cè)屈服點(diǎn)及抗扭強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)注意觀察試樣變形及破壞情況。取下試樣，觀察并分析斷口形貌和形成原因。關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng).將相關(guān)儀器還原。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理試樣原始尺寸記錄及處理參考表4-1進(jìn)行。按公式（4-5）和（4-6）分別計(jì)算低碳鋼的剪切屈服極限二和剪切強(qiáng)度極限、。按公式（4-7）計(jì)算鑄鐵的抗扭強(qiáng)度7b。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告"實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、原始數(shù)據(jù)（包括原始測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)試曲線）。在實(shí)驗(yàn)曲線中標(biāo)示出屈服扭矩Ts及最大扭矩Tb（測(cè)屈服點(diǎn)及抗扭強(qiáng)度）。試件斷口形貌描述和破壞斷口形貌分析（測(cè)屈服點(diǎn)及抗扭強(qiáng)度）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析。1.根據(jù)低碳鋼和鑄鐵試樣扭轉(zhuǎn)破壞的情況分析破壞原因。鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞斷裂面為何是45度螺旋面而不是45度平面?實(shí)驗(yàn)四金屬材料的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)（手動(dòng)扭力試驗(yàn)機(jī)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定低碳鋼的剪切屈服極限7s及剪切強(qiáng)度極限7b。測(cè)定鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限7b。3.觀察并比較低碳鋼及鑄鐵試件扭轉(zhuǎn)破壞的情況。二、設(shè)備和儀器扭力試驗(yàn)機(jī)游標(biāo)卡尺扭力試驗(yàn)機(jī)是一種可對(duì)試樣施加扭矩并能指示出扭矩大小的機(jī)器。13煨窿4水平導(dǎo)曠~也3調(diào)距手柄緩沖器口自動(dòng)繪圖部活動(dòng)3%*磐夾頭Z1213煨窿4水平導(dǎo)曠~也3調(diào)距手柄緩沖器口自動(dòng)繪圖部活動(dòng)3%*磐夾頭Z12潮力度盤(pán)及指針3停臂軸,務(wù),7變速箱痹/客點(diǎn)5溶角度盤(pán)oi^lllPR\16測(cè)角工阱,）指標(biāo)桿5變速桿6手擂柄一9電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)-一10電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)機(jī)采用機(jī)械傳動(dòng)加載，用擺式機(jī)構(gòu)測(cè)示扭矩。它的量程隨所用擺錘的不同重量而分三種：100N?m(10Kg*m)>200N?m(20Kg*m)500N?m(50Kg*m)；相應(yīng)的精度分別為0.5N?m(0.05Kg?m)、1.0N?p(0.10Kg?m)、2.0N?m(0.20Kg?m)。它適用于直徑為10?25mm長(zhǎng)度為100?700mm的試件。其傳動(dòng)系統(tǒng)如圖4-2所示。其操作步驟如下:圖4-2K-50型扭力試驗(yàn)傳動(dòng)系統(tǒng)圖檢查試驗(yàn)機(jī)夾頭1、2的形式與試件是否配合；測(cè)角度盤(pán)15置“0”；檢查自動(dòng)繪圖器工作是否正常。估計(jì)試件所需的最大扭矩，選擇適宜的測(cè)力度盤(pán)12并配置相應(yīng)的擺錘13。當(dāng)擺桿保持鉛直時(shí)，測(cè)力指針12應(yīng)對(duì)準(zhǔn)“零”點(diǎn)。否則，松開(kāi)度盤(pán)上的螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)度盤(pán)使指針對(duì)準(zhǔn)“零”點(diǎn)。再擰緊螺母。安裝試件一一先將試件的一端放在固定夾頭2中，搖動(dòng)調(diào)距手柄3,使活動(dòng)夾頭1連同與它在一起的齒輪箱17沿傳動(dòng)主軸8和水平導(dǎo)軸4移動(dòng)，使試件另一端插入活動(dòng)夾頭中后，再予以?shī)A緊。加載一一有手搖加載與電動(dòng)加載之分。手搖加載：將變速桿5放在“空轉(zhuǎn)”位置，搖動(dòng)手搖柄6,帶動(dòng)變速箱中的軸II，使傳動(dòng)主軸8、活動(dòng)夾頭I旋轉(zhuǎn)。通過(guò)試件使固定夾頭2也跟著旋轉(zhuǎn)。這樣，與固定夾頭連在一起的擺桿11和擺錘13也就跟著擺起來(lái)了，以平衡活動(dòng)夾頭加在試件上的力偶，于是試件便發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，隨受扭矩作用。因此，擺錘力矩就等于試件所承受的扭矩。擺錘在擺起時(shí)推動(dòng)與測(cè)力度盤(pán)相聯(lián)的齒桿，使齒輪和指針轉(zhuǎn)動(dòng)，于是指針便在測(cè)力度盤(pán)12上指出試件所受扭矩的大小。測(cè)扭轉(zhuǎn)角一一傳動(dòng)主軸8除帶動(dòng)活動(dòng)夾頭轉(zhuǎn)動(dòng)外，在它的一端還裝有一個(gè)測(cè)角度盤(pán)15,用它指示試件轉(zhuǎn)動(dòng)端的絕對(duì)扭轉(zhuǎn)角。測(cè)角度盤(pán)上的測(cè)角指標(biāo)16與試件被動(dòng)端聯(lián)動(dòng)，

因此指標(biāo)桿在度盤(pán)上所指數(shù)值便是試件兩端的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。度盤(pán)最小刻度為1o,因此只適用于測(cè)量大變形。測(cè)角度盤(pán)上還附有一個(gè)計(jì)數(shù)裝置，可以指出試件扭轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)。（7）自動(dòng)繪圖一一如果需要記錄試驗(yàn)過(guò)程中扭矩和扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，應(yīng)在加載荷前調(diào)好自動(dòng)繪圖器的傳動(dòng)裝置、圖紙、筆尖和墨水。筆尖由推動(dòng)測(cè)力指針的齒桿帶動(dòng)，而圖紙滾動(dòng)則與傳動(dòng)主軸8聯(lián)動(dòng)。這樣，隨著試驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行，筆尖便在圖紙上自動(dòng)地繪出Mn一平曲線。曲線上各點(diǎn)的縱坐標(biāo)為扭矩，橫坐標(biāo)為試件轉(zhuǎn)動(dòng)端的絕對(duì)扭轉(zhuǎn)角。（8）注意事項(xiàng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，操作者不得離開(kāi)。所見(jiàn)異聲或發(fā)生故障，應(yīng)立即停車(chē)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，不得觸動(dòng)擺錘，以免影響測(cè)讀扭矩精度。采用電動(dòng)加載時(shí)，手搖柄必須先取掉，以免其飛出造成事故。三、試樣采用直徑10mm、標(biāo)距100毫米的圓形試樣，端部銑成相對(duì)兩平面以便夾持，如圖4-3所示。圖4-3扭轉(zhuǎn)試樣四、實(shí)驗(yàn)原理將試件裝在扭力試驗(yàn)機(jī)上，開(kāi)動(dòng)機(jī)器，給試件加扭矩。利用機(jī)器上的自動(dòng)繪圖裝置，可以得到Mn一甲曲線。這Mn一甲曲線也叫扭轉(zhuǎn)圖。低碳鋼試件的Mn一甲曲線，如圖4-4所示。圖中起始直線段OA表明試件在這階段中的Mn與平成比例，截面上的剪應(yīng)力呈線性分布，如圖4-5（a）。在A點(diǎn)處，Mn與中的比例關(guān)系開(kāi)始破壞，此時(shí)截面周圖4-4低碳鋼試件扭轉(zhuǎn)圖邊上的剪應(yīng)力達(dá)到了材料的剪切屈服極限t,，相應(yīng)的扭矩記為Mp。由于這時(shí)截面內(nèi)部的剪應(yīng)力尚小于七，故試件仍具有承載能力，Mn一中曲線呈繼續(xù)上升的趨勢(shì)。扭矩超過(guò)Mp后，截面上的剪應(yīng)力分布發(fā)生變化，如圖4-5（b）。在截面上出現(xiàn)了一個(gè)

環(huán)狀塑性區(qū)，并隨著Mn的增長(zhǎng)，塑性區(qū)逐步向中心擴(kuò)展，Mn一甲曲線稍微上升，直到B點(diǎn)趨于平坦，截面上各材料完全達(dá)到屈服，扭矩度盤(pán)上的指針幾乎不動(dòng)或擺動(dòng)，此時(shí)測(cè)力度盤(pán)上指示出的扭矩或指針擺動(dòng)的最小值即為屈服扭矩Ms。如圖4-5（c），根據(jù)靜力平衡條件，可以求得is與Ms的關(guān)系為:M=jpi^dA將式中dA用環(huán)狀面積元素2兀pdp表示，則有4（4-1）M=2兀ijd/2p2dp=—iWss°3sn（4-1）故剪切屈服極限I3故剪切屈服極限Is4Wn式中W=蘭3是試件的抗扭截面模量。n16(b)M〉Mn>Mp時(shí)圖4-5截面上剪應(yīng)力分布圖繼續(xù)給試件加載，試件再繼續(xù)變形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化。當(dāng)達(dá)到Mn一中曲線上的C點(diǎn)時(shí)，試件被剪斷。由測(cè)力度盤(pán)上的被動(dòng)計(jì)可讀出最大扭矩M，與公式（4-1）相似，可得剪切強(qiáng)(b)M〉Mn>Mp時(shí)圖4-5截面上剪應(yīng)力分布圖繼續(xù)給試件加載，試件再繼續(xù)變形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化。當(dāng)達(dá)到Mn一中曲線上的C點(diǎn)時(shí)，試件被剪斷。由測(cè)力度盤(pán)上的被動(dòng)計(jì)可讀出最大扭矩M，與公式（4-1）相似，可得剪切強(qiáng)b度極限_3M1b—4Wn鑄鐵的Mn一甲曲線如圖4一7所示。從開(kāi)始受扭，直到破壞，近似為一直線，按彈性應(yīng)力公式，其剪切強(qiáng)度極限:（4-2）(4-3)試件受扭，材料處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)，在圖4-6鑄鐵的扭轉(zhuǎn)圖垂直于桿軸和平行于桿軸的各平面上作用著剪應(yīng)力，而與桿軸成45°角的螺旋面上。則分別只作用著b1=T、b3=—T的正應(yīng)力，如圖4-7所示。由于低碳鋼的抗拉能力高于抗剪能力，故試件沿橫截面剪斷，而鑄鐵的抗拉能圖4-7試沖受扭的應(yīng)力分布圖五、實(shí)驗(yàn)步驟1.用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件直徑，求出抗扭截面模量Wn。在試件的中央和兩端共三處，每處測(cè)一對(duì)正交方向，取平均值作該處直徑，然后取三處直徑最小者，作為試件直徑d，并據(jù)此計(jì)算w據(jù)此計(jì)算w。將試件兩端裝入試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)，調(diào)整好繪圖裝置，將指針對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)，并將測(cè)角度盤(pán)調(diào)整到零。用粉筆在試件表面上畫(huà)一縱向線，以便觀察度件的扭轉(zhuǎn)變形情況。對(duì)于低碳鋼試件，可以先用手動(dòng)緩慢而均勻地加載，當(dāng)測(cè)力指針前進(jìn)速度漸漸減慢以至停留不動(dòng)或擺動(dòng)，這時(shí)，它表明的值就是Ms（注意：指針停止不動(dòng)時(shí)間很短，因此要留心觀察），直至試件破壞并立即停車(chē)。記下被動(dòng)指針?biāo)傅淖畲笈ぞ兀⒁庥^察測(cè)角度盤(pán)

的讀數(shù)。鑄鐵試件的試驗(yàn)步驟與低碳鋼相同，可直接用電動(dòng)加載，記錄試件破壞時(shí)的最大扭矩值。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理試樣原始尺寸記錄及處理參考表4-1進(jìn)行。按公