金属材料的扭转试验.pdf

《金属材料的扭转试验.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、金属材料的扭转实验一、实验目的1.测定低碳钢（或铝合金）的切变模量G。2.测定铝的规定非比例扭转应力τ。p3.测定低碳钢的屈服点τ或上屈服点τ、下屈服点τ和抗扭强度τ。ssusLb4.观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。二、设备和仪器1.RNJ-500微机控制电子扭转试验机。2.小扭角传感器3.游标卡尺三、试样采用直径10mm、标距50毫米的圆形试样，端部铣成相对两平面以便夹d0持，如图2-1所示。L0四、测试原理和方法测试原理图2-1扭转试样1．切变模量G切变模量G是在扭转线弹性范围内切应力和切应变之比，是材料的弹性常数之一。可采用逐级加载法或图解法测定材

2、料的切变模量G。（1）.逐级加载法测G先通过试验机采用手动形式施加初始扭矩T0，然后采用等增量加载，加载五次，第i次加载后扭矩为：T=T+i∆T(i=0,1,2,?5)（a）i0式中：T为初扭矩，∆T为每级扭矩增量。0标距间相对扭转角由试验机提供的小角度扭角仪测量获得，记录每级载荷下的扭转角ϕ()i=0,1,2,?5。各级加载过程中的切变模量为：i1∆TL0G=i()ϕϕii−−1PI取平均值：G∑iG=（2-2）n∆TL0或采用最小二乘法计算切变模量G。由弹性扭转公式∆=ϕ，令GIP∆ϕL0a==(b)∆TGIP式中：L0为试样的标距，IP为截面对圆心的极惯性矩。

3、由最小二乘原理知系数a为：∑xiyia=（c）2∑xi因实验给出的载荷是T−T，测得的变形是ϕ−ϕ，因此上式中x表示T−T，y表示i0i0ii0iϕ−ϕ，代入上式并与(b)联立得i02L0∑()TTi−0G=(2-3a)ITP0∑()ii−−T()ϕϕ0将（a）式代入，上式化为2LT0∆∑iG=(2-3b)IiP0∑()ϕi−ϕ（2）.图解法测G通过试验机配备的扭矩传感器以及小角度扭角仪，可自动∆T记录扭矩－扭转角（T-ϕ）曲线，如图2-2所示。∆ϕ在所记录的曲线的弹性直线段上，选取扭矩增量∆T和相ϕ应的扭转角增量∆ϕ。按下式计算材料的切变模量G：图2-2图解法测G

4、2∆TL0G=（2-4）∆ϕIP式中：L为小角度扭角仪的测量标距；I为试样截面对圆心的极惯性矩。0P2.屈服点τ、上屈服点τ和下屈服点τ以及抗扭强度τ测定ssusLb（1）屈服点τ、上屈服点τ和下屈服点τ（低碳钢）ssusL拉伸时有明显屈服现象的金属材料（如低碳钢）在扭转时同样有屈服现象。通常T-ϕ曲线有两种类型，见图2-3。扭矩保持恒定而扭转角仍持续增加（曲线出现平台）时的扭矩称为屈服扭矩，记作T（图s2-3a），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为屈服点，记作τ，即sTsτ=（2-5）sWPϕϕ图2-3有明显屈服现象的T-ϕ曲线在屈服阶段，扭矩首次下降前的最大扭矩

5、称为上屈服扭矩，记作T（图2-3b），按弹性su扭转公式计算所得的切应力称为上屈服点，记作τ，即suTsuτ=(2-6)suWP屈服阶段中的最小扭矩称为下屈服扭矩（不加说明时即指下屈服扭矩），记作T（图sL32-3b），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为下屈服点，记作τ，即sLTsLτ=(2-7)sLWP（2）抗扭强度τ（低碳钢）b试样在断裂前所承受的最大扭矩T按弹性b扭转公式计算得抗扭强度τ。从自动记录的bT−ϕ曲线上读取试样断裂前的最大扭矩Tb，（a）低碳钢试样断口形貌（图2-3），按下式计算抗扭强度：Tbτ=(2-8)b(b)铸铁试样断口形貌WP图2-4试样断

6、口在试验过程中，试样直径不变，由于低碳钢抗剪切能力小于其抗拉能力，而横截面上切应力具有最大值，故断口为平断口(图2-4a)。说明：在扭转弹性阶段，试样圆截面上的应力沿半径线性分布。对试样缓慢加载，试样横截面边缘处材料首先进入屈服，而整个截面的绝大部分区域内仍处于弹性状态(图2-5a)。此后，由于材料屈服而形成的塑性区不断向中心扩展，横截面上出现了一个环状的塑性区（图2-5b）。当横截面上的应力均达到屈服点后，材料全部进入塑性（图2-5c）。τsτsτsTTT（a）（b）（c）图2-5低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布（a）TT=；（b）TTT<<；（c）TT

7、=ssuu试验机测量出的屈服扭矩实际上是横截面上相当部分区域屈服时的扭矩值，所测的得的破坏扭矩值也是这样。因此按前述公式计算得到的剪切屈服点和抗扭强度均比实际增大。4若按全面屈服考虑（图2-5c），对应的扭矩为：3ddπd4222TW===τρπρρ2d2πτρρdτ=τus∫∫ssPs00123考虑到材料刚开始进入屈服时的外扭矩值很难精确判定，因此，一般均根据全面屈服时测定的外扭矩值来计算扭转切应力τ，即：s3Tuτ=（2-9）s4WP上式是在理想弹塑性情况下导出的，因此对于有较长屈服阶段，或强化现象不明显的塑性材料比较吻合。对于塑性较差的材料则有较大误差。由