材料力学金属扭转实验报告 【实验目的】 1、验证扭转变形公式，测定低碳钢的切变模量G。；测定低碳钢和铸铁的剪切强度极限?b握典型塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的扭转性能； 2、绘制扭矩一扭角图； 3、观察和分析上述两种材料在扭转过程中的各种力学现象，并比较它们性质的差异； 4、了解扭转材料试验机的构造和工作原理，掌握其使用方法。 【实验仪器】 仪器名称 游标卡尺 CTT502微机控制电液伺服扭转试验机 低碳钢、铸铁 数量 1 1 各1 参数 0-150mm，精度 最大扭矩500N·m，最大功率 标准 【实验原理和方法】 1.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，当达到某一值时，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Mes，低碳钢的扭转屈服应力为 ?s?3Mes 4Wp式中：Wp??d3/16为试样在标距内的抗扭截面系数。 在测出屈服扭矩Ts后，改用电动快速加载，直到试样被扭断为止。这时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Meb，低碳钢的抗扭强度为 ?b?3Meb 4Wp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Me??图如图1-3-2所示。当达到图中A点时，Me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?s，如能测得此时相应的外力偶矩Mep，如图1-3-3a所示，则扭转屈服应力为 ?s?MepWp 经过A点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图1-3-3b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Ts为 MeAMepOMesMebBC? 图1-3-2 低碳钢的扭转图 ?sTT?sT?s （a） T?Tp （b）Tp?T?Ts （c）T?Ts 图1-3-3 低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布 Ts???s?2??d??2??s? 0 d/2 d/2 0?d??2?d312?s?Wp?s 43由于Ts?Mes，因此，由上式可以得到 ?s?3Mes4Wp 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，A点的位置不易精确判定，而B点的位置则较为明显。因此，一般均根据由B点测定的Mes来求扭转切应力?s。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Mes后，扭转角?增加很快，而外力偶矩Me增加很小，BC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?s大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩Meb，可求得抗扭强度为 ?b?3Meb4Wp 2.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Meb（方法同2），抗扭强度为 ?b?Meb Wp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45?角，表明破坏是由拉应力引起的。 【实验步骤】 一、低碳钢 1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。 2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。 3、装夹试件： （1）先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另一个定位环夹套在试件的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试件标距要求，将试件搁放在相应的V形块上，使两卡盘与V形块的两端贴紧，保证卡盘与试件垂直，以确保标距准确。将卡盘上的螺钉拧紧。 （2）先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显的偏差，请按下“正转”或“反转”按键进行微调。将已安装卡盘的试件的一端放入从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试件夹紧。按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。推动移动支座移动，使试件的头部进入主动夹头的钳口间。先按下“试件保护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试件夹紧。 （3）将扭角测量装置的转动臂的距离调好，转动转动臂，使测量辊压在卡盘上。 4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运行”键，开始试验。 5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。 6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的碎屑，关断电源。 二、铸铁 1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。 2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。 3、装夹试件：启动扭转试验机并预热后,将试件一端固定于机器,按\对正\按钮使两夹头对正后,推动移动支座使试件头部进入钳口间. 4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运行”键，开始试验。 5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。 6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的碎屑，关断电源。 【实验数据与数据处理】 一. 低碳钢扭转 1.低碳钢直径D测量 上部 中部 下部 2.低碳钢定位环间距L测量 L 注：第二次实验修正标距为100 3.线性阶段相关数据 当处于线性阶时,有 第一次测量 第二次测量 平均值 第一次测量 第二次测量 平均值 扭矩M(N·m) 二. 铸铁扭转 1.铸铁直径d测量 上部 中部 下部 扭角ψ(°) 相对扭角ψ0(°) 第一次测量 第二次测量 平均值 【实验结果分析】 一、低碳钢数据处理 1、验证线性阶段的数据是否为一条直线，以验证比例极限内的扭转角公式 根据Original Data,运用matlab拟合实验数据 则选取数据如下表 数据 LoadV PosV PosV LoadV 用matlab绘制的图如下 满足线性关系 二、计算低碳钢模量G
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