金属材料的扭转实验-庞玉_百度文库
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金属材料的扭转实验-庞玉|试​验
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第四节&&扭转试验
& & 一、实验目的
1.验证剪切胡克定律，测定低碳钢的弹性常数：切变模量 。
2.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 。
3.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度 。
4.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.扭角仪。
3.游标卡尺。
& & 三、实验试样
按照国家标准GB10128—88《金属室温扭转试验方法》，金属扭转试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样和管形截面试样两种。其中最常用的是圆形截面试样，如图1-1a所示。通常，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，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.测定低碳钢的弹性常数
为了验证剪切胡克定律，在弹性范围内，采用等量逐级加载法。试验装置如图1-5所示，将试样安装在扭角仪上，每次增加同样的扭矩 ，若扭转角 也基本相等，即验证了剪切胡克定律。
图1-5&&扭角仪
根据扭矩增量的平均值 ，测得的扭转角增量的平均值 ，由此可得到切变模量
式中： 为试样的标距； 为试样在标距内横截面的极惯性矩； 为试样的直径。
若载荷增量的平均值为 ，则扭矩增量的平均值为 ，若测量点的位移增量平均值为 ，则扭转角增量的平均值为 ，将这些关系式代入上式，即得
式中： 为载荷力臂； 为测量力臂。
2.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
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
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1-6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1-7a所示，则扭转屈服应力为
经过 点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图1-7b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1-7c所示的情况，对应的扭矩 为
图1-6&&低碳钢的扭转图
& && && &&&
（a）& && && && && && && & （b）& && && && && && && & （c）
图1-7&&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
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1-7c完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料差异是比较大的。从图1-6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
3.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
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。
& & 五、实验步骤
1.测定低碳钢的弹性常数
（1）调整好扭角仪上的百分表，使指针对准“0”。
（2）采用等量逐级加载法，每加一块砝码，记录一次百分表的读数。
（3）卸载，整理仪器。
2.测定低碳钢扭转时的强度性能指标
（1）测量试样的直径（方法与拉伸试验相同）。
（2）将试样安装到扭转试验机上，选择合适的测矩盘和相应的摆锤，调整好测矩盘的指针，使之对准“0”，并将从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。
（3）用手摇柄均匀缓慢加载，注意观察测矩盘上的指针，若指针停止转动，则表明整个材料发生屈服，记录下此时的外力偶矩 。
（4）改用电动快速加载，直至试样被扭断为止，关闭扭转试验机，由从动指针读取最大外力偶矩 。
3.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标
（1）测量试样的直径（方法与拉伸试验相同）。
（2）将试样安装到扭转试验机上，选择合适的测矩盘和相应的摆锤，调整好测矩盘的指针，使之对准“0”，并将从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。
（3）用手摇柄均匀缓慢加载，直至试样被扭断为止，关闭扭转试验机，由从动指针读取最大外力偶矩 。
& & 六、实验数据记录与计算
1.测定低碳钢的弹性常数
表1-6&&测定低碳钢的切变模量试验的数据记录与计算
试样尺寸：& & 标& & 距& && && && && &&&直& & 径& && && &
扭角仪参数：& & 载荷力臂& && && && && &&&测量臂长& && && &
第 一 次& & 第 二 次
百分表读数
百分表读数
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
& && && && && && &&&
增量均值& && && &
增量均值& && && &
增量均值& && && &
切变模量& && && && && && && && && && && && && && &
2.测定低碳钢和灰铸铁扭转时的强度性能指标
表1-7&&测定低碳钢和灰铸铁扭转时的强度性能指标试验的数据记录与计算
材料& & 低&&碳&&钢& & 灰&&铸&&铁
试样尺寸& & 直&&径& && &
直&&径& && &
实验后的试样草图& && &&&
实验数据& & 屈 服 扭 矩& && && && && &&&
最 大 扭 矩& && && && && &&&
扭转屈服应力& && &
抗 扭 强 度& && &
最大扭矩& && && && &
抗扭强度& && &
试样的扭转图& && &&&
& & 六、思考题
1.比较低碳钢与灰铸铁试样的扭转破坏断口，并分析它们的破坏原因。
2.根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果，比较低碳钢与灰铸铁的力学性能及破坏形式，并分析原因。
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