材料力学实验报告

扭转实验一、实验目的1．学习扭转实验机的构造原理，并进行操作练习。2．测定低碳钢的剪切屈服极限、剪切强度极限和铸铁的剪切强度极限。3．观察低碳钢和铸铁在扭转过程中的变形和破坏情况。二、实验仪器扭转实验机、游标卡尺三．实验原理1、低碳钢扭转【抗扭屈服强度】（剪切屈服极限）：（Mpa）[式中：Ts–屈服阶段最小扭矩值（N·mm）；W–抗扭截面模量（mm3）；（mm3）；d--试样横截面直径（mm）。]【抗扭强度】（剪切强度极限）：（Mpa）[式中：Tb–破坏前最大扭矩值（N·mm）]在上述两式中都存在3/4的系数，来源见图一。（a）初态（b）中间态（c）填满态图一扭转等直圆轴进入屈服状态切应力变化图当扭转等直圆轴到达初态时，T—φ试验曲线上的扭矩T并没有进入屈服阶段，但此时截面边缘上的切应力已经达到τs，进入实际屈服阶段，有D·τρ=2ρ·τs。此时的扭矩：中间变化过程是塑性变形环逐渐变大直到填满整个截面的过程。达到填满态时的扭矩：结果：=。[对应T—φ试验曲线上的扭矩]抗扭强度式中系数也可如此推理。图二低碳钢扭转试样对低碳钢等直圆轴扭转在比例变形范围内符合剪切胡克定律，截面Ⅱ相对截面Ⅰ转角：（°）（见图二）[式中：φ–截面Ⅱ相对截面Ⅰ的转角（°）；T–截面扭矩值（N·mm）；L–试样试验段长度（mm）；G--切变模量（Mpa；即N/mm2）；Ip–对截面中心的极惯性矩（mm4）；Ip==（mm4）]【切变模量G】：（Mpa）；（Mpa）[（见图三）T2、T1---扭转弹性变形阶段选定两点对应的扭矩值（N·mm）。φ2、φ1--扭转弹性变形阶段选定两点对应的转角值（°）。]2、铸铁扭转【抗扭强度】（剪切强度极限）：（Mpa）[式中：Tb–破坏前最大扭矩值（N·mm）；W–抗扭截面模量（mm3）:（mm3）；d--试样横截面直径（mm）。]铸铁扭转不存在屈服阶段，所以式中系数是1。图三低碳钢、铸铁扭转（扭矩T—转角φ）试验曲线四、实验步骤1．低碳钢实验（1）量取试件直径。在试件上选取3个位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均直径值中取最小值作为试件的直径。（2）将扭转实验机刻度盘的从动针调至靠近主动针。主动针的调零方式为自动调整，如果主动针不在零位，应通知老师，由老师进行调整。绝对不能用调从动针的方法，将两针调至零位。（3）把试件安装在扭转试验机的夹头内，并将螺丝拧紧（勿太用力）。安装时，一定要注意主动夹头的夹块要保持水平（固定夹头的夹块总是水平的），以避免引起初始扭矩。如果已经出现小量的初始扭矩，只要不超过5N*m，可以开始加载。另外，试件在水平面和垂直面上不能歪斜，否则加载后试件将发生扭曲。（4）打开绘图记录器的开关；将调速旋钮置于低速位置。开始用档慢速加载，每增加5N*m的扭矩，记录下相应的扭转角度。实验过程中，注意观察试件的变形情况和图，当材料发生流动时，记录流动时的扭矩值和相应的扭转角度。另外，注意记录扭矩刚开始下降时的扭矩值和相应的扭转角度。扭矩值估读到0.1N*m。（5）流动以后，继续加载，试件进入强化阶段，关闭记录器后，将电机速度选择在档，加快加载速度。这时由于变形速度较快，可每增加180度取一次扭转角度。直至试件扭断为止，记下断裂时的扭矩值，注意观察断口的形状。注意，试件扭断后应立即停止加载，以便记录断裂时的扭转角度。2．铸铁实验操作步骤与低碳钢相同。因铸铁在变形很小时就破坏，所以只能用档慢速加载。每增加5N*m的扭矩，记录下相应的扭转角度。注意观察铸铁试件在扭转过程中的变形及破坏情况，并记录试件扭断时的极限扭矩值和相应的扭转角度。注意，试件扭断后应立即停止加载，以便记录断裂时的扭转角度。五、实验记录试件低碳钢铸铁直径(第1次)直径(第2次)直径(第3次)流动荷载无破坏荷载形状注：低碳钢的剪切流动极限及强度极限的计算公式中应该乘一系数3/4。原因是这样：圆轴扭转在弹性变形范围内剪应力分布如参考图(a)所示，对于塑性材料，当扭矩增大到一定数值后，试件表面应力首先达到流动极限，并逐渐向内扩展，形成环形塑性区，如参考图(b)所示。若扭矩逐渐增大，塑性区也不断扩大。当扭矩达到时，横截面上的剪应力大小近似为，如参考图(c)所示,在这种剪应力分布形式下，剪应力公式为。试件继续变形，材料进一步强化，当试件扭断时，假设整个截面的剪应力都达到，此时最大扭矩为，因此剪切强度极限和流动极限一样，近似地写为。由于铸铁是脆性材料，应力在截面上从开始受力直至破坏都保持线性分布，当边缘上的剪应力达到时。此时最大扭矩为，故仍用弹性阶段的应力公式计算强度极限。六．预习思考题1)分析试件在扭转状态下各点的主应力大小和方向。2)低碳钢屈服极限和强度极限的计算公式中为什么会出现3/4？请分析并推导计算公式。3)为什么扭转试件两端较粗,中间较细？中间和两端采用光滑曲线过渡，而不是直角连接4)如果扭转试件是屈服失效，请用最大剪应力理论分析一下试件可能的断口形状。5)如果扭转试件是断裂失效，请用最大拉应力理论分析一下试件可能的断口形状。6)什么是塑性材料？什么是脆性材料？(如果在你做的其它实验中也有此题，回答一次即可)七．分析思考题1)扭转实验中你是怎样测量试件直径的？为什么采用这种方法？你有其它方法测量直径吗？你的依据是什么？2)扭转实验对试件的放置有什么要求？为什么？3)夹紧试件后，如果读数盘的主动针偏离了零位，这是什么原因造成的？对实验结果有什么影响？应该怎样解决？4)两种扭转试件的断口形状分别是什么样的？怎样解释这种结果？5)通过实验你觉得低碳钢的塑性性能如何？你的依据是什么？铸铁呢？6)在拉伸、压缩、扭转三个试验中，你已经做了那些实验？请通过这些实验，总结一下低碳钢的抗拉、抗压、抗扭强度的大小关系。同样地，请总结一下铸铁的抗拉、抗压、抗扭强度的