低碳鋼和鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞實驗機械技術(shù)基礎(chǔ)實驗中心.doc

低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞實驗機械技術(shù)基礎(chǔ)實驗中心機械工程基礎(chǔ)實驗之低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞實驗實驗?zāi)康挠^察并比較低碳鋼及鑄鐵材料扭轉(zhuǎn)破壞的情況 測定低碳鋼的抗剪屈服強度 及抗剪強度 測定鑄鐵的抗剪強度 比較低碳鋼與鑄鐵的抗扭性能 實驗設(shè)備K-50,NJ-100B型扭轉(zhuǎn)試驗機 游標卡尺 實驗內(nèi)容對低碳鋼進行扭轉(zhuǎn)破壞,觀察低碳鋼扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,分析斷裂的原因 對鑄鐵進行扭轉(zhuǎn)破壞,觀察鑄鐵扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,分析斷裂的原因 實驗原理圓軸受扭矩時,材料完全處于純切應(yīng)力狀態(tài),所以通常用扭轉(zhuǎn)實驗來研究不同材料在純切作用下的力學(xué)性能.圖 1.9 低碳鋼轉(zhuǎn)角扭矩曲線 低碳鋼試樣的扭轉(zhuǎn) 低碳鋼試樣受到扭轉(zhuǎn)的整個過程中,扭轉(zhuǎn)試驗機上的自動繪圖器記錄出的 關(guān)系曲線,如圖1.9所示.當扭矩在比例扭矩 以內(nèi),材料完全處于彈性狀態(tài),OA段為一直線,所以 與 成正比關(guān)系變化,試樣橫截面上的剪應(yīng)力分布如圖1.10(a)所示.當扭矩增大到 時試樣橫截面周邊上的切應(yīng)力(最大切應(yīng)力)為材料的比例強度 ,如圖1.10(b)所示.當扭矩超過 后,試樣橫截面上的切應(yīng)力分布發(fā)生了變化,首先是在截面周邊處的材料發(fā)生了屈服(即流動),周邊形成環(huán)形塑性區(qū),此區(qū)內(nèi)的切應(yīng)力達到抗剪屈服強度 ,切應(yīng)力分布圖如圖1.10(c)所示.隨著扭矩繼續(xù)增大,塑性區(qū)不斷向內(nèi)擴展,塑性區(qū)的切應(yīng)力達到后就不再增大,如圖1.10(c)所示, 曲線稍微上升,到B點后至 點趨于水平,即材料完全達到屈服,扭矩不再增加,這時扭矩表盤(即測力表盤)上的指針出現(xiàn)暫時停頓,B點對應(yīng)的扭矩即為屈服扭矩 ,此時塑性區(qū)已擴展到整個截面,橫截面上的切應(yīng)力分布如圖1.10(d),即當 達到 時,橫截面上各點的剪應(yīng)力大小均相同,且都為 ,所以由圖1.10(e)得:式中:圖1.10 試樣剪應(yīng)力分布過了屈服階段以后,由于材料的強化,又恢復(fù)了承載能力,但扭矩增加很小,而變形(扭轉(zhuǎn)角 )增長很快, 段近似一根直線,到達C點時,試樣被切斷,此時扭矩表盤上的從動指針指示材料破壞時的最大扭矩 ,橫截面上各點的切應(yīng)力仍大小均相同,且都為 ,其分布與圖1.10(d)相似,所以 . 鑄鐵試樣的扭轉(zhuǎn)鑄鐵試樣從開始受扭轉(zhuǎn)直到被破壞,其 關(guān)系曲線近似為一條直線,如圖1.11(a)所示.從圖中可看出鑄鐵試樣受扭轉(zhuǎn)過程中變形(扭轉(zhuǎn)角 )較小,且無屈服現(xiàn)象.試樣破壞后記錄其最大扭矩 ,橫截面上的切應(yīng)力分布如圖1.11(b)所示,所以材料的抗剪強度 應(yīng)按下式計算:圖1.11 鑄鐵轉(zhuǎn)角扭矩及應(yīng)力分布曲線 低碳鋼,鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞斷面形狀及形成原因由理論分析可知,被扭轉(zhuǎn)的圓軸材料處于平面應(yīng)力狀態(tài),沿縱,橫截面上產(chǎn)生切應(yīng)力,而與軸線成45度角的斜截面上則只產(chǎn)生正應(yīng)力.低碳鋼的抗拉能力比抗剪能力強,故從橫截面切斷,如圖1.12(a)所示.而鑄鐵的抗拉能力較抗剪能力弱,故沿45度的方向拉斷,如圖1.12(b)所示.(a)低碳鋼 (b)鑄鐵圖1.12低碳鋼,鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞斷面形狀實驗步驟 沿試樣軸向等間距測量三處的直徑d,每處相隔90度各測一次并求平均值,以最小平均直徑作為計算直徑. 選擇測力表盤刻度(選擇量程),并掛上相應(yīng)的擺錘,將指針對準零點. 試樣一端的頭部完全置于固定夾頭中并夾緊,然后調(diào)整活動夾頭的位置,使試樣另一端的頭部完全置于其中并夾緊.注意,扭轉(zhuǎn)過程中試樣不能發(fā)生打滑.緩慢加載到700N,切忌不要超過800N在試樣的表面上用有色筆畫一軸向直線,以便觀察變形及破壞情況. 將繪圖紙安置在自動繪圖器的圓筒上,并將扭轉(zhuǎn)角指示器調(diào)整到0圈及0度.退出滑動軸承測試軟件,卸掉軸承上施加的外載荷,關(guān)閉實驗臺電源 為了便于觀察和記錄數(shù)據(jù),建議: 加載之前一定要將扳緊手柄取下,以免扳緊手柄甩出發(fā)生人傷事故. 對低碳鋼試樣,加載時要緩慢,連續(xù),均勻,不得停頓.當測力表盤上的指針出現(xiàn)停頓時,記錄屈服扭矩 ,直到試樣剪斷,立即停車,記錄最大扭矩 .對鑄鐵試樣,直接加載到試樣破壞為止,記錄最大扭矩 .觀察低碳鋼,鑄鐵試樣扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象,并畫出斷口形狀草圖. 實驗結(jié)果的處理按計算直徑d(最小平均直徑)計算抗扭截面模量( ),并將計算結(jié)果填人表格中;根據(jù)低碳鋼試樣的屈服扭矩計算其抗剪屈服強度 根據(jù)低碳鋼試樣的最大扭矩 計算其抗剪強度 根據(jù)鑄鐵試樣的最大扭矩 計算其抗剪強度 思考題根據(jù)低碳鋼和鑄鐵的拉伸,壓縮和扭轉(zhuǎn)三種實驗結(jié)果,分析總結(jié)兩種材料的力學(xué)性能. 低碳鋼與鑄鐵試樣扭轉(zhuǎn)破壞的情況有什么不同 為什么 扭轉(zhuǎn)試樣上的標距刻線在扭轉(zhuǎn)后發(fā)生了哪些變化 說明什么原理 低碳鋼鑄鐵力學(xué)性能比較1低碳鋼：低碳鋼為塑性材料.開始時遵守胡克定律沿直線上升，比例極限以后變形加快，但無明顯屈服階段。相反地，圖形逐漸向上彎曲。這是因為在過了比例極限后，隨著塑性變形的迅速增長，而試件的橫截面積逐漸增大，因而承受的載荷也隨之增大。從實驗我們知道，低碳鋼試件可以被壓成極簿的平板而一般不破壞。因此，其強度極限一般是不能確定的。我們只能確定的是壓縮的屈服極限應(yīng)力。2鑄鐵：鑄鐵為脆性材料，其壓縮圖在開始時接近于直線，與縱軸之夾角很小，以后曲率逐漸增大，最后至破壞，因此只確定其強度極限。bcFbc/S鑄鐵試件受壓力作用而縮短，表明有很少的塑性變形的存在。當載荷達到最大值時，試件即破壞，并在其表面上出現(xiàn)了傾斜的裂縫（裂縫