扭轉實驗完整

11231269土木1109劉凱恒扭轉實驗一．實驗目的：1.學習了解微機控制扭轉試驗機的構造原理，并進行操作練習。2.確定低碳鋼試樣的剪切屈服極限τs、剪切強度極限τ3.確定鑄鐵試樣的剪切強度極限τb4.觀察不同材料的試樣在扭轉過程中的變形和破壞現(xiàn)象。二．實驗設備及工具：扭轉試驗機、游標卡尺、扳手。三．試驗原理：扭轉試驗是材料力學試驗最基本、最典型的試驗之一。進行扭轉試驗時，把試件兩夾持端分別安裝于扭轉試驗機的固定夾頭和活動夾頭中，開啟直流電動機，經(jīng)過齒輪減速器帶動活動夾頭轉動，試件便受到了扭轉荷載，試件本身也隨之產(chǎn)生扭轉變形。扭轉試驗機配套軟件上可以直接讀出扭矩T和扭轉角q，同時試驗機配套軟件也自動繪出了Tq曲線圖，一般q是試驗機兩夾頭之間的相對扭轉角。因材料本身的差異，低碳鋼扭轉曲線有兩種類型（圖B）。扭轉曲線表現(xiàn)為彈性、屈服和強化三個階段，與低碳鋼的拉伸曲線不盡相同，它的屈服過程是由表面逐漸向圓心擴展，形成環(huán)形塑性區(qū)。當橫截面的應力全部屈服后，試件才會全面進入塑性。在屈服階段，扭矩基本不動或呈下降趨勢的輕微波動，而扭轉變形繼續(xù)增加。當首次扭轉角增加而扭矩不增加（或保持恒定）時的扭矩為屈服扭矩，記為sT。對試件連續(xù)施加扭矩直至扭斷，從試驗機配套軟件界面上讀得最大值bT。根據(jù)國標GB/T10128－1988規(guī)定，低碳鋼受扭轉時的屈服強度st和強度極限bt采用式τs=TsWp鑄鐵試件扭轉時，其扭轉曲線（圖C）伸曲線，它有比較明顯的非線性偏離，但由于變形很小就突然斷裂，一般仍按彈性公式計算鑄鐵的抗扭強度極限，即：圖B低碳鋼扭轉Tq曲線圖C鑄鐵Tq曲線圓形試件受扭時，橫截面上的應力應變分布如下圖。在試件表面任一點，橫截面上有最大切應力，在與軸線成±45的截面上存在主應力σ1=τσ3=-τ。低碳鋼的圖D扭轉試件的應力應變分布四．實驗步驟1.a低碳鋼實驗（華龍試驗機）（1）量直徑：用游標卡尺量取試樣的直徑d0。在試樣上選取3各位置，每個位置互相垂直地測量2次直徑，取其平均值；然后從3（2）安裝試樣：啟動扭轉試驗機，手動控制器上的“左轉”或“右轉”鍵，調(diào)整活動夾頭的位置，使前、后兩夾頭鉗口的位置能滿足試樣平口的要求，把試樣水平地放在兩夾頭之間，沿箭頭方向旋轉手柄，夾緊試樣。（3）調(diào)整試驗機并對試樣施加載荷：在電腦顯示屏上調(diào)整扭矩、峰值、切應變1、切應變2、夾頭間轉角、時間的零點；根據(jù)你所安裝試樣的材料，在“實驗方案讀取”中選擇“教學低碳鋼試驗”，并點擊“加載”而確定；用鍵盤輸入實驗編號，回車確定（按Enter鍵）；鼠標點“開始測試”鍵，給試樣施加扭矩；在加載過程中，注意觀察屈服扭矩Ms（4）試樣斷裂后，從峰值中讀取最大扭矩Mb。從夾頭上（5）觀察試樣斷裂后的形狀。1.b低碳鋼實驗（青山試驗機）（1）量直徑：用游標卡尺量取試樣的直徑d0。在試樣上選取3各位置，每個位置互相垂直地測量2次直徑，取其平均值；然后從3（2）安裝試樣：啟動扭轉試驗機，手動“試驗機測控儀”上的“左轉”或“右轉”鍵，調(diào)整活動夾頭的位置，使前、后兩夾頭鉗口的位置能滿足試樣平口的要求，把試樣水平地放在兩夾頭之間，用扳手順時針旋轉，夾緊試樣。（3）調(diào)整試驗機并對試樣施加載荷：在電腦顯示屏上調(diào)整扭矩、峰值、夾頭間轉角、切應變1、切應變2、試驗時間的零點；選擇“實驗方案1”；用鼠標“新建”，在下拉菜單中，依次輸入“試驗編號”、“實驗員”、“鋼筋長度”、在“實驗材料”中選擇“塑性”、“材料形狀”中選擇“實心”和“鋼筋直徑”等信息后，點擊“確定”；鼠標點“開始”鍵，就給試樣施加扭矩了；在加載過程中，注意觀察試樣屈服時扭矩Ms（4）試樣斷裂后，取下試樣，從峰值中讀取最大扭矩Mb（5）觀察試樣斷裂后的形狀。2.a鑄鐵實驗（華龍試驗機）（1）量直徑：用游標卡尺量取試樣的直徑d0。在試樣上選取3各位置，每個位置互相垂直地測量2次直徑，取其平均值；然后從3（2）安裝試樣：啟動扭轉試驗機，手動控制器上的“左轉”或“右轉”鍵，調(diào)整活動夾頭的位置，使前、后兩夾頭鉗口的位置能滿足試樣平口的要求，把試樣水平地放在兩夾頭之間，沿箭頭方向旋轉手柄，夾緊試樣。（3）調(diào)整試驗機并對試樣施加載荷：在電腦顯示屏上調(diào)整扭矩、峰值、切應變1、切應變2、夾頭間轉角、時間的零點；根據(jù)你所安裝試樣的材料，在“實驗方案讀取”中選擇

“教學鑄鐵試驗”，并點擊“加載”而確定；用鍵盤輸入實驗編號，回車確定（按Enter鍵）；鼠標點“開始測試”鍵，給試樣施加扭矩；當扭矩達到最大值時，試樣突然斷裂，后按下“終止測試”鍵，使試驗機停止轉動。（4）試樣斷裂后，從夾頭上取下試樣，讀取峰值表中最大扭矩Mb（5）觀察試樣斷裂后的形狀。2.b低碳鋼實驗（青山試驗機）（1）量直徑：用游標卡尺量取試樣的直徑d0。在試樣上選取3各位置，每個位置互相垂直地測量2次直徑，取其平均值；然后從3（2）安裝試樣：啟動扭轉試驗機，手動“試驗機測控儀”上的“左轉”或“右轉”鍵，調(diào)整活動夾頭的位置，使前、后兩夾頭鉗口的位置能滿足試樣平口的要求，把試樣水平地放在兩夾頭之間，用扳手順時針旋轉，夾緊試樣。（3）調(diào)整試驗機并對試樣施加載荷：在電腦顯示屏上調(diào)整扭矩、峰值、夾頭間轉角、切應變1、切應變2、試驗時間的零點；選擇“實驗方案1”；用鼠標“新建”，在下拉菜單中，依次輸入“試驗編號”、“實驗員”、“鋼筋長度”、在“實驗材料”中選擇“脆性”、“材料形狀”中選擇“實心”和“鋼筋直徑”等信息后點擊“確定”；鼠標點“開始”鍵，就給試樣施加扭矩了；當扭矩達到最大值時，試樣突然斷裂，后按下“停止”鍵，使試驗機停止轉動。（4）試樣斷裂后，取下試樣，從峰值中讀取最大扭矩Mb（5）觀察試樣斷裂后的形狀。

五．實驗記錄試樣低碳鋼鑄鐵直徑（第1次）dd直徑（第2次）dd直徑（第3次）dd屈服載荷M極限載荷MM破壞形狀平面45°螺旋曲面注：低碳鋼的剪切流動極限和強度極限的計算公式中應該乘一系數(shù)3/4。原因是這樣：圓周扭轉在彈性范圍內(nèi)剪應力分布如圖a所示，對于塑性材料，當扭矩增大到一定數(shù)值后，試樣表面應力先達到流動極限τs，并逐漸向內(nèi)擴展，形成環(huán)形塑性區(qū)，如圖b所示。若扭矩逐漸增大，塑性區(qū)也不斷擴大。當扭矩達到Ms時，橫截面上的剪應力都近似達到τb如圖c在扭矩繼續(xù)增加時，試樣繼續(xù)變形，材料進一步強化，當試樣扭斷時，整個橫截面上的剪應力都達到τb，此時最大扭矩為Mb，因此剪切強度極限和流動極限一樣，近似地由于鑄鐵是脆性材料，應力在橫截面上從開始受力直至破壞都保持為線性分布，當試樣邊緣上的剪應力達到τb時，此時最大扭矩為M六．數(shù)據(jù)處理七．實驗結論

八．預習思考題1.為什么扭轉試樣兩端較粗，中間較細？中間和兩端采用光滑曲線過度，而不是直角連接？答：這樣便于試件的安裝，中間和兩端采用光滑曲線過渡是為了防止應力集中而產(chǎn)生扭斷。2.在計算低碳鋼屈服強度和極限強度的公式中為什么會出現(xiàn)3/4，而不是其他系數(shù)呢？答：圓軸扭轉在彈性變形范圍內(nèi)剪應力分布為線性分布，對于塑性材料，當扭矩增大到一定數(shù)值后，試件表面應力首先達到流動極限，并逐漸向內(nèi)擴展，形成環(huán)形塑性區(qū)，若扭矩逐漸增大，塑性區(qū)也不斷擴大。當扭矩達到時，橫截面上的剪應力大小近似為，在這種剪應力分布形式下，剪應力公式為由于鑄鐵是脆性材料，應力在截面上從開始受力直至破壞都保持線性分布，當邊緣的剪應力達到時，最大扭矩為，故仍用彈性階段的應力公式計算強度極限。3.如果扭轉試樣是屈服失效，請用最大剪應力理論分析一下，試樣可能的斷口形狀。答：最大剪應力應是與試件端面平行，如果是屈服失效，則斷口形狀應是平面。4.如果扭轉試樣是斷裂失效，請用最大正應力理論分析一下，試樣可能的斷口形狀。答：根據(jù)最大拉應力理論，如果試件是斷裂失效，則會出現(xiàn)α=45°時，拉應力最大，這時斷口形狀應是45°的斜面。5.安裝扭轉試樣為什么要“把試樣水平地放在兩夾頭之間”？答：使主動夾保持平衡，避免引起初始扭矩。6.低碳鋼試樣在扭轉時的變形要經(jīng)歷哪3個階段？答：彈性階段、屈服階段、強化階段九．分析思考題1.扭轉實驗中你是怎樣測量試樣直徑的？為什么采用這種方法？答：取三個不同的位置，每個位置相互垂直測兩次，為了減少材料在加工過程中使試件不規(guī)則而引起的誤差。2.兩種試樣的斷口形狀分別是什么樣的？怎樣解釋這種結果？答：低碳鋼為平面，鑄鐵為螺旋曲面。3.鑄鐵試樣扭轉破壞斷口的傾斜方向與施加扭矩的方向有無直接關系？為什么？有直接關系。鑄鐵試樣扭轉破壞斷口的傾斜方向與施加扭矩的方向相同,將軸向方向及垂直方向應力扭矩分解，其最大分應力方向為斷口方向。4.通過你已經(jīng)做過的拉伸、壓縮、扭轉實驗，請總結一下低碳鋼抗拉、抗壓、抗剪強度的大小關系。同樣地，請總結一下鑄鐵的抗拉、抗壓、抗剪性能。答：由實驗數(shù)據(jù)可以得出，對于低碳鋼，其抗扭強度小于抗拉強度小于抗壓強度;對于鑄鐵，其抗扭強度小于抗拉強度小于抗壓強度。5.結合你已經(jīng)做過的拉伸、壓縮、扭轉實驗，請分析低碳鋼的載荷-變形曲線有什么共同點。答：低碳鋼在拉伸和壓縮、扭轉過程中都經(jīng)歷屈