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1、低碳钢、 铸铁的扭转破坏实验一：实验目的和要求1、掌握扭转试验机操作。2、低碳钢的剪切屈服极限T s。3、低碳钢和铸铁的剪切强度极限T bo4、观察比拟两种材料的扭转变形过程中的变形及其破坏形式，并对试件断口形 貌进行分析。二：实验设备和仪器1、材料扭转试验机2、游标卡尺三、实验原理1、低碳钢扭转实验低碳钢材料扭转时载荷-变形曲线如图a所示。图1.低碳钢材料的扭转图1低碳钢材料的扭转图(a)(b)(c)图2低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图低碳钢试件在受扭的最初阶段，扭矩 T与扭转角(成正比关系(见图1)，横 截面上剪应力 沿半径线性分布，如图2(a)所示。随着扭矩T的增大，横截面边 缘处的
2、剪应力首先到达剪切屈服极限 t且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性 区，但中心局部仍是弹性的，见图 2(b)。试件继续变形，屈服从试件表层向心 部扩展直到整个截面几乎都是塑性区，如图2(c)所示。此时在T-仙线上出现屈服平台(见图1)，试验机的扭矩读数根本不动，此时对应的扭矩即为屈服扭矩 Tso 随后，材料进入强化阶段，变形增加，扭矩随之增加，直到试件破坏为止。因扭 转无颈缩现象。所以，扭转曲线一直上升直到破坏，试件破坏时的扭矩即为最大 扭矩Tbo由Ts = .a二sdA s .J(2二匸t ) = 4 sWt可得低碳钢材料的扭转屈服3极限飞二垄；同理，可得低碳钢材料扭转时强度极限二，其中Wt
3、d34Wt4Wt16为抗扭截面模量。2、铸铁扭转实验铸铁试件受扭时，在很小的变形下就会发生破坏，其扭转图如图3所示O图3.铸铁材料的扭转图从扭转开始直到破坏为止，扭矩 T与扭转角近似成正比关系，且变形很小，横截面上剪应力沿半径为线性分布。试件破坏时的扭矩即为最大扭矩 Tb，铸铁材 料的扭转强度极限为b七低碳钢试样和铸铁试样的扭转破坏断口形貌有很大的差异，图4(a)所示低 碳钢试样的断面与横截面重合，断面是最大切应力作用面，断口较为平齐，可知为剪切破坏；图(b)所示铸铁试样的断面是与试样轴线成 45度角的螺旋面，断面是最大拉应力作用面，断口较为粗糙，因而最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。a)b)图4
4、.低碳钢和铸铁的扭转端口形状四、实验步骤低碳钢实验步骤：1. 测量试样尺寸 在试件两端及中部位置，沿两个相互垂直的方向，测量试样 直径，以其平均值计算个横截面面积。2. 检查设备线路连接是否接好，并翻开设备电源以及配套软件操作界面。3. 在试样上安装扭角测试装置，将一个定位环夹盒套在试样的一端，装上卡盘， 将螺钉拧紧。再将另一个定位环夹套在试样的另一端， 装上另一卡盘；根据不同 的试样标距要求，将试样搁放在相应的的V形块上，使两卡盘与V形块的两端贴 紧，保证卡盘与试样垂直，以确保标距准确，将卡盘上的螺母拧紧。4. 将试验机两端夹头对正，装夹试件，进行保护，清零。5. 选择低碳钢扭转实验方案，记
5、录低碳钢试件的屈服扭矩Ts和最大扭矩Tb6. 实验结束后，取下试件，观察试样破坏断口形貌，打印实验结果，关闭软件, 关闭电源。铸铁实验步骤：与低碳钢扭转实验步骤相同。铸铁是脆性材料，只需记录铁铸试件的最大扭 矩Tb，无需安装扭角测量装置。五、实验记录及数据处理表1.试件尺寸试件直径d( mrh平均直径do(mm)最小横 截面面 积.2(mm抗扭截面系数W d (mm3) t 16截面1截面2截面3低碳9.969.9810.009.9878.19195.07钢铸铁00009889二表2.实验记录及数据计算试件低碳钢铸铁屈服扭矩Ts= 39.98 N m实最大扭矩Tb= 89.68 N m最大扭转
6、Tb= 34.05 N m验扭转屈服应力：数3Ts% =恥=153.73 MPa4Wt据= 344.80MPa剪切强度极限 = = 179.5MPaWt扭转极限应力：=亟4Wt六：实验数据拟合 铸铁的扭转破坏实验，扭矩-扭角曲线如下列图所示:510曲25303530252D15E N/LaHT10低碳钢的扭转破坏，扭矩-扭转曲线如下列图所示:8Q70一 y504|301D30001000fo用在弹性范围内进行圆截面试样扭转实验时，扭矩与扭转之间的关系符合扭转4变形的胡克定律门=TL/Glp，试中，lpd 132为截面的极惯性矩。当试样长度I和极惯性矩Ip均为时，只要根据弹性阶段的扭矩-扭角图拟
7、合出新的图 形即可得出低碳钢的切变模量 G如下图：横坐标为Ip,纵坐标为TL,即该直线的的斜率78.12GPa即为低 碳钢的切变模量。七：实验考前须知1. 推动试验机移动支座时，切记用力过大，以免损坏试样或传感器。2低碳钢实验时，在安装扭角测量装置时使卡盘与 V形块的两端贴紧，保证卡盘 与试样垂直。装夹试件时先要注意调整活动夹头的位置。3. 夹好试样后，由于此时试样已经在受力，注意按保护键，使试样中的初始力为 零或接近零。4. 进入软件前请确定试验机电源已经翻开。5. 退出软件前请确定试验机电源已经关闭。八：心得体会1.实验前一定要预先全面了解实验的原理和步骤，以免发生错误或者误差，刚开 始我们做实验时没有预先学习，所以导致不知道V形块和卡盘的作用，也不清楚 怎么进行实验，所以说预先学习实验非常重要。2. 在装夹试件时一定要对实验设备小心，谨慎的进行操作，防止损坏实验设备。3. 要培养自己做实验的良好习惯，做实验时要想好每一步该如何操作，要测量什 么数据，要记录什么数据，以保证实验数据处理顺利进行。4. 拟合曲线所得低碳钢的切变模量与公式 G二E/2(1 -I)，有材料手册查得弹性 模量和泊松比，计算得到材料的切变模量相差比拟大，应该考虑下误差的来 源。