材料在扭转时力学性能测定实验new

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1、材料在扭转时力学性能测定实验　　在机械工程中，许多传动零件都是在扭转受力条件下工作的。测定材料在扭转时的力学性能，对轴类零件的设计计算和选材具有实际意义。　　一、预习要求1、推导测量低碳钢剪切屈服极限计算公式：；2、简述测量低碳钢剪切弹性模量G的原理和步骤。　　二、实验目的1、测定低碳钢的剪切弹性模量G，验证扭转变形公式。2、测定低碳钢的剪切屈服极限、低碳钢和铸铁的剪切强度极限。3、比较低碳钢和铸铁扭转变形和破坏规律。三、实验设备及试样1、扭转试验机。2、扭转测G仪或扭角仪。3、游标卡尺。4、试样。扭转试样一般为圆截面（图1）。安装扭角仪的A、B两

2、截面的距离l0称为标距。实验前在低碳钢试样表面画上两条纵向线和两圈圆周线，以便观察扭转变形。　　四、实验原理及方法无论是验证扭转变形公式还是测定剪切弹性模量G，都需要准确测量试样的扭转角。扭转角的测量通常用扭角仪。扭角仪的构造原理及安装示意图如图2所示。扭角仪安装在试样A、B两截面上后，用定位螺钉旋紧，同时通过A处联结的推杆顶住B处联结的百分表顶尖，使百分表有一定的预位移。当试样扭转变形时，若百分表指示的顶尖处位移为δ，则根据图2b可得，A、B两截面间扭转角为。在剪切比例极限范围内，圆轴扭转变形公式为。式中T为扭矩，它等于扭转试验机加于试样上的扭转

3、外力偶矩；IP为圆截面的极惯性矩。可见扭矩T与扭转角φ成正比。实验时，测定不同的扭转角φ和对应的扭矩T，即可验证两者是否存在线性关系。1、剪切弹性模量G的测定用低碳钢试样进行试验时，取初扭矩T0，在比例极限内的最大试验扭矩为Tn，从T0到Tn分成n级加载，每级扭矩增量为ΔT，如图3所示。与ΔT相对应的扭转角增量为Δφ。则由上述扭转角计算公式可变为求解G的公式　　若取n次加载获得的Δφ的平均值Δφm　　　　　　　　　　　　取代前式中的Δφ，即可得试验测得的平均剪切弹性模量G。为了提高测量精度，可以反复测量三遍取平均值。　　实验时也可用专用于教学的NY

4、-4扭转测G仪测定材料的剪切弹性模量G，其实验原理和过程与上述方法基本相同，加载方式为砝码加载，操作更简便。　　2、低碳钢剪切屈服极限和剪切强度极限的测定　　测定G值后，应先取下扭角仪，然后继续加载，以测定剪切屈服极限和剪切强度极限。在加载的全过程中，可用机器的记录装置绘制T-φ曲线。在剪切比例极限范围内，T与φ成线性关系，横截面上剪应力沿半径线性分布（图4a）。随着T的增大，横截面边缘上的切应力首先达到剪切屈服极限，进入屈服阶段，而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区（图4b），但中心部分仍然是弹性的，所以T仍可增大，T与φ的关系变为曲线，直到

5、整个截面几乎都是塑性区（图4c），在T-φ曲线上出现屈服平台（图3），示力度盘的指针基本不动或轻微摆动，相应的扭矩为Ts。此时整个截面为塑性区。理论上Ts与关系为　　　　　　　　　　或　　由于在测量时，只有横截面上全部点进入塑性区时，我们才能观察到屈服现象（在T-φ曲线上出现屈服平台，示力度盘的指针基本不动或轻微摆动），因此测量时以此刻作为采集数据的依据，读出Ts。　　过了屈服阶段后，材料的强化使扭矩又有缓慢的上升，但变形非常明显，试样上实验前画的纵向线变为螺旋线。直到扭矩达到极限值Tb，试样被扭断，断口沿横截面方向。与Tb对应的剪切强度极限由下式

6、计算　　但是，为了使测定的指标具有可比性，根据国标GB10128-88规定，扭转时仍采用下面两式来计算屈服极限和强度极限。这样计算出的结果比实际值要大一些。　　　　　　　　　　　　和　　3、铸铁剪切强度极限的测定　　铸铁试样受扭时，变形很小即被扭断。断口沿与横截面成450的受拉螺旋面方向。其T-φ曲线图接近直线，剪切强度极限可按如下公式计算表1测量剪切弹性模量G数据记录表第一级第二级第三级第四级第五级第六级载荷（Nm）扭角仪读数读数增量　　材料名称直径d0（mm）抗扭截面模量Wt（mm3）屈服载荷PsL(Nm)破坏载荷Pb(Nm)位置一位置二位置三

7、12均12均12均低碳钢铸铁-　　五、实验报告　　1、按表1和表2形式记录、处理实验数据。　　2、实验结果计算应列出公式，写出步骤。　　3、回答问题：试比较低碳钢和铸铁试样受扭时破坏现象并分析原因。　　六、相关问题的分析讨论　　1、破坏现象及断口截面位置　　低碳钢和铸铁试样在断裂时的断口形式完全不同。低碳钢试样的断口为横截面方向的平面断口（图5a），而铸铁试样的断口为约450方向的螺旋面（图5b）。为什么会出现这样的现象呢？两种材料的性质有什么不同呢？根据材料力学理论,扭转时圆试样上各点处于纯剪切应力状态,如图6所示。若从试样表面任一点取单元体，其

8、横截面方向具有最大切应力，而在±450方向存在最大正应力，其中最大拉应力恰好作用在铸铁扭转断裂破坏的斜截面上（图6b）。可