金屬材料扭轉(zhuǎn)實驗-實驗指導

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1、東南大學力學實驗中心金屬材料扭轉(zhuǎn)實驗金屬材料扭轉(zhuǎn)實驗扭轉(zhuǎn)問題是工程中經(jīng)常遇到的一類問題。金屬材料的室溫扭轉(zhuǎn)實驗通過對試樣（低碳鋼和鑄鐵）施加扭矩，測量扭矩及其相應的扭角（一般扭至斷裂），來測定一些材料的扭轉(zhuǎn)力學性能指標。國家標準GB/T10128-2007《金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法》是本試驗的依據(jù)。一、實驗目的1了解GB/T10128-2007《金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法》所規(guī)定的定義和符號、試樣、實驗要求、性能測定方法。2了解扭轉(zhuǎn)試驗機的基本構(gòu)造和工作原理，掌握其使用方法。3測定金屬材料扭轉(zhuǎn)時的上下屈

2、服強度、抗扭強度和相應的扭角。4比較不同材料在扭轉(zhuǎn)時的機械性能及其破壞情況。二、實驗設備扭轉(zhuǎn)試驗機（介紹參看附錄），游標卡尺。扭轉(zhuǎn)試樣采用圓柱形試樣，材料為低碳鋼和鑄鐵。三、實驗原理使直桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)的外力，是一對大小相等、轉(zhuǎn)向相反、作用面垂直于桿軸線的外力偶。在這種外力偶作用下，桿表面的縱向線將變成螺旋線，即發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。當發(fā)生扭轉(zhuǎn)的桿是等直圓桿時，桿的物性和橫截面幾何形狀具有極對稱性，桿的變形滿足平面假設（橫截面像剛性平面一樣繞軸線轉(zhuǎn)動），這是扭轉(zhuǎn)問題中最簡單的情況。標準中定義了多種可測的扭轉(zhuǎn)性能指標

3、，表1列出了扭轉(zhuǎn)破壞實驗常用的幾種指標的符號、名稱和單位。表1符號、名稱及單位符號名稱單位符號名稱單位規(guī)定非比例Le扭轉(zhuǎn)計標距mmτpMPa扭轉(zhuǎn)強度T扭矩N·mmτeH上屈服強度MPa最大非比例φmax（o）τeL下屈服強度MPa扭角I極慣性矩mm4pτm抗扭強度MPa最大非比例3W截面系數(shù)mmγmax%切應變1規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強度的測定圖解法：根據(jù)試驗機自動記錄的扭矩-扭角曲線，在曲線上延長彈性直線段交扭角軸于O點，截取OC（OC=2Leγp/d）段，過C點作彈性直線段的平行線CA交曲線于A點，A點對

4、應的扭矩為所求扭矩Tp，見圖1。東南大學力學實驗中心金屬材料扭轉(zhuǎn)實驗Tpτ=pW圖1規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強度ττ2上屈服強度（eH）和下屈服強度（eL）的測定圖解法：實驗時用自動記錄方法記錄扭轉(zhuǎn)曲線（扭矩—扭角曲線或扭矩—夾頭轉(zhuǎn)角曲線）。首次下降前的最大扭矩為上屈服扭矩；屈服階段中不計初始瞬時效應的最小扭矩為下屈服扭矩，見圖2。按下式分別計算上屈服強度和下屈服強度。TeHτ=eHWTeLτ=eLW圖2上、下屈服強度τ3抗扭強度（m）的測定對試樣連續(xù)施加扭矩，直至扭斷。從記錄的扭轉(zhuǎn)曲線（扭矩—扭角曲線或扭矩—

5、夾頭轉(zhuǎn)角曲線）上讀出試樣扭斷前所承受的最大扭矩，見圖3。按下式計算抗扭強度。東南大學力學實驗中心金屬材料扭轉(zhuǎn)實驗Tmτ=mW圖3抗扭強度4最大非比例切應變（γ）的測定max試驗時對試樣連續(xù)施加扭矩，記錄扭矩—扭角曲線，直至扭斷。過斷裂點K作曲線的彈性直線段的平行線KJ交扭角軸于J點，OJ即為最大非比例扭角，見圖3。按下式計算最大非比例切應變。?φd?maxγ(%)=??×100%max?2L??e?5測得性能數(shù)值的修約實驗結(jié)果數(shù)值應按照表2的要求進行修約。表2性能結(jié)果數(shù)值的修約間隔扭轉(zhuǎn)性能范圍修約間隔

6、≤200MPa1MPaτ>200MPa～1000MPa5MPa>1000MPa10MPaγ—0.5%6斷口分析在線彈性范圍內(nèi)，等直圓桿扭轉(zhuǎn)時橫截面上任一點處的剪應力為Tρτ=ρIp可見，當ρ等于橫截面的半徑r時，即在橫截面周邊上的各點處，剪應力將達到其最大值τ，maxTrτ=maxIp東南大學力學實驗中心金屬材料扭轉(zhuǎn)實驗而在純剪切應力狀態(tài)下，桿件表面任一斜截面上的正應力和剪應力分別為σ=?τsin2ααmax和τ=τcos2ααmax從以上兩式可知，在α=0°和α=90°兩個面上的剪應力絕對值最大，均

7、等于τ。而在maxα=?45°和α=45°兩個斜截面上的正應力分別為最大、最小值，絕對值均等于τ，分max別為拉應力和壓應力。上述應力分析所得結(jié)果可從圓桿在扭轉(zhuǎn)實驗中的破壞現(xiàn)象得到驗證。對于抗剪強度低于抗拉強度的材料（低碳鋼），破壞是首先從桿的最外層沿橫截面放生剪斷而產(chǎn)生的。對于抗拉強度低于抗剪強度的材料（鑄鐵），破壞是首先在桿的最外層沿著與桿軸線約成45o傾角的螺旋形曲面發(fā)生拉斷而產(chǎn)生的，見圖4。圖4斷口分析四、實驗步驟1試樣的測量圓柱形試樣應在標距兩端及中間處兩個相互垂直的方向上各測一次直徑，并取

8、其算術(shù)平均值，取用3處測得直徑的算術(shù)平均值計算試樣的極慣性矩；取用3處測得直徑的算術(shù)平均值中的最小值計算試樣的截面系數(shù)。2試驗機的準備打開試驗機的啟動開關(guān)，打開控制軟件，設定試驗參數(shù)（見標題五“控制軟件操作流程”），扭矩、扭角調(diào)零。3安裝試樣根據(jù)試樣長度調(diào)整夾頭位置，保證試樣兩端夾持充分。試樣夾緊后取下夾頭上配備的加力扳手，置于適當位置。用粉筆在試樣上沿軸線畫一條直線，能夠直觀地觀察到試樣的變形情況。4加載點擊控制軟件上的“開始”按鈕，正式加載。加載過程