材料力學(xué)金屬扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、材料力學(xué)金屬扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、驗(yàn)證扭轉(zhuǎn)變形公式，測定低碳鋼的切變模量 G。；測定低碳鋼和鑄鐵的剪 切強(qiáng)度極限b握典型塑性材料（低碳鋼）和脆性材料（鑄鐵）的扭轉(zhuǎn)性能；2、繪制扭矩一扭角圖；3、觀察和分析上述兩種材料在扭轉(zhuǎn)過程中的各種力學(xué)現(xiàn)象，并比較它們性 質(zhì)的差異；4、了解扭轉(zhuǎn)材料試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造和工作原理，掌握其使用方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】儀器名稱數(shù)量參數(shù)游標(biāo)卡尺10-150mm,精度 0.02mmCTT502微機(jī)控制電液伺1最大扭矩500N m，最大服扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)功率0.4kw低碳鋼、鑄鐵各1標(biāo)準(zhǔn)【實(shí)驗(yàn)原理和方法】1測定低碳鋼扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)試樣在外力偶矩的作用下，其上任意一點(diǎn)處于純剪切應(yīng)

2、力狀態(tài)。隨著外力偶矩的增加，當(dāng)達(dá)到某一值時(shí)，測矩盤上的指針會(huì)出現(xiàn)停頓，這時(shí)指針?biāo)甘镜耐饬ε季氐臄?shù)值即為屈服力偶矩Mes，低碳鋼的扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力為3 MksS 4 WP式中：Wp d3/16為試樣在標(biāo)距內(nèi)的抗扭截面系數(shù)。在測出屈服扭矩TS后，改用電動(dòng)快速加載，直到試樣被扭斷為止。這時(shí)測矩 盤上的從動(dòng)指針?biāo)甘镜耐饬ε季財(cái)?shù)值即為最大力偶矩Meb，低碳鋼的抗扭強(qiáng)度為3 M ebb4 Wp對上述兩公式的來源說明如下：低碳鋼試樣在扭轉(zhuǎn)變形過程中，利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上的自動(dòng)繪圖裝置繪出的Me 圖如圖1-3-2所示。當(dāng)達(dá)到圖中A點(diǎn)時(shí)，Me與 成正比的關(guān)系開始破壞， 這時(shí)，試樣表面處的切應(yīng)力達(dá)到了材料的扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)

3、力S，如能測得此時(shí)相應(yīng)的外力偶矩Mep，如圖1-3-3a所示，則扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力為MepSWp經(jīng)過A點(diǎn)后，橫截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀的塑性區(qū)，如圖1-3-3b所示。若材料"Me的塑性很好，且當(dāng)塑性區(qū)擴(kuò)展到接近中心時(shí)，橫截面周邊上各點(diǎn)的切應(yīng)力仍未超 過扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力，此時(shí)的切應(yīng)力分布可簡化成圖1-7C所示的情況，對應(yīng)的扭矩Ts 為C6M ebO圖1-3-2低碳鋼的扭轉(zhuǎn)圖s圖 1-3-3s(b) Tp T Tss低碳鋼圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的切應(yīng)力分布Tsd3 s 2 d 2 so ss o12由于Ts Mes，因此,由上式可以得到3 Mess4 Wp無論從測矩盤上指針前進(jìn)的情況，還是從自動(dòng)繪圖

4、裝置所繪出的曲線來看,A點(diǎn)的位置不易精確判定，而B點(diǎn)的位置則較為明顯。因此，一般均根據(jù)由B占測定的Mes來求扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力s。當(dāng)然這種計(jì)算方法也有缺陷，只有當(dāng)實(shí)際的應(yīng)力 分布與圖1-7c完全相符合時(shí)才是正確的，對塑性較小的材料差異是比較大的。從圖1-6可以看出，當(dāng)外力偶矩超過 Mes后，扭轉(zhuǎn)角增加很快，而外力偶矩Me增加很小，BC近似于一條直線。因此，可認(rèn)為橫截面上的切應(yīng)力分布如圖1-7c 所示，只是切應(yīng)力值比s大。根據(jù)測定的試樣在斷裂時(shí)的外力偶矩 Meb，可求得抗扭強(qiáng)度為3 Mebb4 Wp2測定灰鑄鐵扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)對于灰鑄鐵試樣，只需測出其承受的最大外力偶矩Meb （方法同2），抗扭強(qiáng)度

5、為MebbWp由上述扭轉(zhuǎn)破壞的試樣可以看出：低碳鋼試樣的斷口與軸線垂直，表明破壞是由切應(yīng)力引起的；而灰鑄鐵試樣的斷口則沿螺旋線方向與軸線約成45角，表明破壞是由拉應(yīng)力引起的?！緦?shí)驗(yàn)步驟】一、低碳鋼1試件準(zhǔn)備：在標(biāo)距的兩端及中部三個(gè)位置上，沿兩個(gè)相互垂直方向各測量一次直徑取平均值，再從三個(gè)平均值中取最小值作為試件的直徑 do在 低碳鋼試件表面畫上一條縱向線和兩條圓周線，以便觀察扭轉(zhuǎn)變形。2、試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備：按試驗(yàn)機(jī)一計(jì)算機(jī)一打印機(jī)的順序開機(jī)，開機(jī)后須預(yù)熱十 分鐘才可使用。根據(jù)計(jì)算機(jī)的提示，設(shè)定試驗(yàn)方案，試驗(yàn)參數(shù)。3、裝夾試件：(1) 先將一個(gè)定位環(huán)夾套在試件的一端，裝上卡盤，將螺釘擰緊。再將另 一個(gè)

6、定位環(huán)夾套在試件的另一端，裝上另一卡盤；根據(jù)不同的試件標(biāo)距 要求，將試件擱放在相應(yīng)的 V形塊上，使兩卡盤與V形塊的兩端貼緊， 保證卡盤與試件垂直，以確保標(biāo)距準(zhǔn)確。將卡盤上的螺釘擰緊。(2) 先按“對正”按鍵，使兩夾頭對正。如發(fā)現(xiàn)夾頭有明顯的偏差，請按 下“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”按鍵進(jìn)行微調(diào)。將已安裝卡盤的試件的一端放入 從動(dòng)夾頭的鉗口間，扳動(dòng)夾頭的手柄將試件夾緊。按“扭矩清零”按鍵 或試驗(yàn)操作界面上的扭矩“清零”按鈕。推動(dòng)移動(dòng)支座移動(dòng)，使試件的 頭部進(jìn)入主動(dòng)夾頭的鉗口間。先按下“試件保護(hù)”按鍵，然后慢速扳動(dòng) 夾頭的手柄，直至將試件夾緊。(3) 將扭角測量裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)臂的距離調(diào)好，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂，使測量輥壓

7、在卡 盤上。4、開始試驗(yàn)：按“扭轉(zhuǎn)角清零”按鍵，使電腦顯示屏上的扭轉(zhuǎn)角顯示值為零。按“運(yùn)行”鍵，開始試驗(yàn)。5、記錄數(shù)據(jù)：試件斷裂后，取下試件，觀察分析斷口形貌和塑性變形能力， 填寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果。6、試驗(yàn)結(jié)束：試驗(yàn)結(jié)束后，清理好機(jī)器，以及夾頭中的碎屑，關(guān)斷電源。、鑄鐵1、試件準(zhǔn)備：在標(biāo)距的兩端及中部三個(gè)位置上，沿兩個(gè)相互垂直方向各測量一次直徑取平均值，再從三個(gè)平均值中取最小值作為試件的直徑d。在低碳鋼試件表面畫上一條縱向線和兩條圓周線，以便觀察扭轉(zhuǎn)變形。2、試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備：按試驗(yàn)機(jī)一計(jì)算機(jī)一打印機(jī)的順序開機(jī)，開機(jī)后須預(yù)熱十分 鐘才可使用。根據(jù)計(jì)算機(jī)的提示，設(shè)定試驗(yàn)方案，試驗(yàn)參數(shù)。3、裝夾試件：

8、啟動(dòng)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)并預(yù)熱后，將試件一端固定于機(jī)器，按"對正"按鈕 使兩夾頭對正后，推動(dòng)移動(dòng)支座使試件頭部進(jìn)入鉗口間4、開始試驗(yàn)：按“扭轉(zhuǎn)角清零”按鍵，使電腦顯示屏上的扭轉(zhuǎn)角顯示值為零。 按“運(yùn)行”鍵，開始試驗(yàn)。5、記錄數(shù)據(jù)：試件斷裂后，取下試件，觀察分析斷口形貌和塑性變形能力， 填寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果。6、試驗(yàn)結(jié)束：試驗(yàn)結(jié)束后，清理好機(jī)器，以及夾頭中的碎屑，關(guān)斷電源?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理】一 低碳鋼扭轉(zhuǎn)1低碳鋼直徑D測量第一次測量第二次測量平均值上部10.00mm10.00mm10.00mm中部10.00mm10.00mm10.00mm下部10.00mm10.00mm10.00

9、mm2.低碳鋼定位環(huán)間距 L測量第一次測量第二次測量平均值L61.55mm61.57mm61.56mm注：第二次實(shí)驗(yàn)修正標(biāo)距為1003.線性階段相關(guān)數(shù)據(jù)當(dāng)處于線性階時(shí)，有扭矩M(N m)扭角嘰° )相對扭角書。(° )43.8186353.4819645.10207二.鑄鐵扭轉(zhuǎn)1.鑄鐵直徑d測量第一次測量第二次測量平均值上部10.00mm10.00mm10.00mm中部10.00mm10.00mm10.00mm下部10.00mm10.00mm10.00mm【實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析】一、低碳鋼數(shù)據(jù)處理1、驗(yàn)證線性階段的數(shù)據(jù)是否為一條直線，以驗(yàn)證比例極限內(nèi)的扭轉(zhuǎn)角公式 根據(jù)Origina

10、l Data運(yùn)用matlab擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)則選取數(shù)據(jù)如下表數(shù)據(jù)LoadV5.00637.503010.00312.53015.00617.49220.00122.517PosV0.95591.33851.68822.01672.32192.62182.90533.1942LoadV25.00827.50030.02232.51935.01137.50640.01442.5016PosV3.47773.76114.03334.31624.60044.87295.14505.4336用matlab繪制的圖如下滿足線性關(guān)系、計(jì)算低碳鋼模量GG 卩山 45 10207 X 9.817 X 1043 81

11、863 X 100 X 10180xPa 5n6703GPait96.08313 X 100 X 10180Gz = 777 耳Pa 0.62313CPa即2【卩 895 0185 X 9,817 X 10KTsL 105.35714 x 100 x 10180XPa 0.35501 GPa1732,0889 X 9.817 X 10n所以,G =斗=叫 + 丁時(shí)=占如亠 °黑1 :* 十 ft "rtlGpa = 2 21615GPa三、計(jì)算低碳鋼和鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限 b1低碳鋼:屈服極限:3Mi 310x10 '嚴(yán)阿十 X 2X9.R17XW Pa = 16?4

12、MPa3 1UH4SB2xH)x10 *強(qiáng)度極限：5一阿；一存 2x9.ei7xlo-toPa-«6«MPa2、鑄鐵；3.17x10mU)M強(qiáng)度極限:b =叫=2X17X10= 27°8MPa端口形狀:低碳鋼鑄鐵【實(shí)驗(yàn)思考】1試件的尺寸和形狀對測定彈性模量有無影響 ？為什么？答：彈性模量是材料的固有性質(zhì)，與試件的尺寸和形狀無關(guān)。2、逐級加載方法所求出的彈性模量與一次加載到最終值所求出的彈性模量是否 相同?為什么必須用逐級加載的方法測彈性模量 ？答：逐級加載方法所求出的彈性模量與一次加載到最終值所求出的彈性模量不相同，采用逐級加載方法所求出的彈性模量可降低誤差，同時(shí)可以驗(yàn)證材料此時(shí)是否處于彈性狀態(tài)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)