材料力学实验资料——电测法

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1、实验三　扭转实验一、实验目的1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力和抗扭强度。2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度。3.绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。二、实验设备和仪器1.扭转试验机2.游标卡尺三、实验试样按冶金部标准采用圆形截面试件，两端成扁圆形。如图1所示。aa图1扭转试件图圆形截面试样的直径，标距或，平行部分的长度为。若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，

2、试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB10128—88。四、实验原理与方法1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩，低碳钢的扭转屈服应力为21　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）式中：为试样在标距内的抗扭截面系数。在测出屈服扭矩后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。测矩盘上

3、的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩，低碳钢的抗扭强度为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）对上述两公式的来源说明如下：低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的图如图12所示。当达到图中点时，与成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力，如能测得此时相应的外力偶矩，如图13a所示，则扭转屈服应力为　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）　经过点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图2b所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截

4、面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图2c所示的情况，对应的扭矩为图1低碳钢的扭转图（a）（b）（c）图2低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布（a）；（b）；（c）由于，因此，由上式可以得到21　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）无论从测矩盘上指针前进的情况，还是从自动绘图装置所绘出的曲线来看，点的位置不易精确判定，而点的位置则较为明显。因此，一般均根据由点测定的来求扭转切应力。当然这种计算方法也有缺陷，只有当实际的应力分布与图2c完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料

5、差异是比较大的。从图1可以看出，当外力偶矩超过后，扭转角增加很快，而外力偶矩增加很小，近似于一条直线。因此，可认为横截面上的切应力分布如图1-7c所示，只是切应力值比大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩，可求得抗扭强度为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩（方法同2），抗扭强度为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）由上述扭转破坏的试样可以看出：低碳钢试样的断口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰

6、铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成角，表明破坏是由拉应力引起的。铸铁属脆性材料，扭转变形很小时就被扭断，其曲线见图3－22，由于曲线近乎一直线，所以可按线弹性公式计算，即式（3－36）。　　　　　　　　　　　　　图3－22　铸铁扭转试验曲线　　　图3－23　碳钢（左）、铸铁（右）扭转断口3.切变模量测定根据国家标准，的测定可用图解法，即根据记录的曲线，读取直线段上相应的扭矩和扭角增量，然后代入下式计算值。　　　　　　　　　　　（3－29）式中为安装扭角仪的标距。21除图解法外，还可用逐级加载法测定。试验时，对试样

7、施加预扭矩，预扭矩一般不超过预计的规定非比例扭矩的10%。安装上扭角仪，见图3－21，并调整读数，或记下此时的角初读数，它与预加扭矩相对应。在弹性直线段范围内，取为最大试验扭矩，将欲加之扭矩分为等分，≥5，即每级扭矩增量为：　　　　　　　　　　　　（3－30）记录每级扭矩及对应的扭角，读取每对数据对的时间以不超过为宜。计算出平均每级扭角增量：　　　　　　　（3－31）代入式（3－29），得　　　　　　　　　（3－32）在测出各组、值后，也可用最小二乘法求出，做法与求、的方法相同，不再重复。试件以上是用测量扭角的方法来

8、确定，除此之外，也可用电阻应变片测量应变的方法测出值（沿与轴向成方向贴片），有兴趣的同学可自行推导其测试原理。图3－21　扭角仪的安装五、试验步骤（1）测量试件尺寸，方法如前所述。（2）调整试验机夹头位置，装夹试件，转动夹头暂不夹紧，试件不受扭矩作用。（3）进行计算机设置，选择扭矩、转角、量程和加载速度、输入文件名等，然后将、21的初始读数置零