1、材料力學金屬扭轉實驗報告【實驗目的】1、驗證扭轉變形公式，測定低碳鋼的切變模量 Go；測定低碳鋼和鑄鐵的剪切強度極限b握典型塑性材料（低碳鋼）和脆性材料（鑄鐵）的扭轉性能；2、繪制扭矩一扭角圖；3、觀察和分析上述兩種材料在扭轉過程中的各種力學現象，并比較它們性質的差異；4、了解扭轉材料試驗機的構造和工作原理，掌握其使用方法。【實驗儀器】儀器名稱數量參數游標卡尺10-150mm 精度 0.02mmCTT502微機控制電液伺服扭轉試驗機1最大扭矩500N m,最大功率0.4kw低碳鋼、鑄鐵各1標準【實驗原理和方法】1測定低碳鋼扭轉時的強度性能指標試樣在外力偶矩的作用下，其上任意一點處于純剪切應力狀

2、態。隨著外力偶 矩的增加，當達到某一值時，測矩盤上的指針會出現停頓，這時指針所指示的外力偶矩的數值即為屈服力偶矩Mes,低碳鋼的扭轉屈服應力為3 Mess 4 WP式中：Wp d3/16為試樣在標距內的抗扭截面系數。在測出屈服扭矩TS后，改用電動快速加載，直到試樣被扭斷為止。這時測矩盤上的從動指針所指示的外力偶矩數值即為最大力偶矩Meb，低碳鋼的抗扭強度為3 Meb b4 Wp對上述兩公式的來源說明如下：低碳鋼試樣在扭轉變形過程中，利用扭轉試驗機上的自動繪圖裝置繪出的Me 圖如圖1-3-2所示。當達到圖中A點時，Me與 成正比的關系開始破壞，這時，試樣表面處的切應力達到了材料的扭轉屈服應力S,

3、如能測得此時相應的外力偶矩Mep,如圖133a所示,則扭轉屈服應力為MepSWp經過A點后，橫截面上出現了一個環狀的塑性區，如圖 1-3-3b所示。若材料 的塑性很好，且當塑性區擴展到接近中心時，橫截面周邊上各點的切應力仍未超 過扭轉屈服應力，此時的切應力分布可簡化成圖1-7c所示的情況，對應的扭矩Ts 為圖1-3-2低碳鋼的扭轉圖(a)t Tp(b) Tp TTs圖 1-3-3低碳鋼圓柱形試樣扭轉時橫截面上的切應力分布Ts3d/2d/2.ds 2 d 2 s 2d0012由于Ts Mes,因止匕,由上式可以得到3 Mess4 Wp無論從測矩盤上指針前進的情況，還是從自動繪圖裝置所繪出的曲線來

4、看,A點的位置不易精確判定，而B點的位置則較為明顯。因此，一般均根據由 B點 測定的Mes來求扭轉切應力s0當然這種計算方法也有缺陷，只有當實際的應力 分布與圖1-7c完全相符合時才是正確的，對塑性較小的材料差異是比較大的。從圖1-6可以看出，當外力偶矩超過 Mes后，扭轉角增加很快，而外力偶矩Me增加很小，BC近似于一條直線。因此，可認為橫截面上的切應力分布如圖1-7c所示，只是切應力值比s大。根據測定的試樣在斷裂時的外力偶矩 Meb,可求得 抗扭強度為3 Meb b4 Wp2測定灰鑄鐵扭轉時的強度性能指標對于灰鑄鐵試樣，只需測出其承受的最大外力偶矩 Meb （方法同2）,抗扭強 度為Meb

5、bWp由上述扭轉破壞的試樣可以看出：低碳鋼試樣的斷口與軸線垂直，表明破壞是由切應力引起的；而灰鑄鐵試樣的斷口則沿螺旋線方向與軸線約成45角，表明破壞是由拉應力引起的。【實驗步驟】一、低碳鋼1、試件準備：在標距的兩端及中部三個位置上，沿兩個相互垂直方向各測量一次直徑取平均值，再從三個平均值中取最小值作為試件的直徑 do在 低碳鋼試件表面畫上一條縱向線和兩條圓周線，以便觀察扭轉變形。2、試驗機準備：按試驗機一計算機一打印機的順序開機，開機后須預熱十分鐘才可使用。根據計算機的提示，設定試驗方案，試驗參數。3、裝夾試件：(1)先將一個定位環夾套在試件的一端，裝上卡盤，將螺釘擰緊。再將另 一個定位環夾套

6、在試件的另一端，裝上另一卡盤；根據不同的試件標距 要求，將試件擱放在相應的 V形塊上，使兩卡盤與V形塊的兩端貼緊， 保證卡盤與試件垂直，以確保標距準確。將卡盤上的螺釘擰緊。(2)先按“對正”按鍵，使兩夾頭對正。如發現夾頭有明顯的偏差，請按下“正轉”或“反轉”按鍵進行微調。將已安裝卡盤的試件的一端放入 從動夾頭的鉗口間，扳動夾頭的手柄將試件夾緊。按“扭矩清零”按鍵 或試驗操作界面上的扭矩“清零”按鈕。推動移動支座移動，使試件的 頭部進入主動夾頭的鉗口間。先按下“試件保護”按鍵，然后慢速扳動 夾頭的手柄，直至將試件夾緊。(3)將扭角測量裝置的轉動臂的距離調好，轉動轉動臂，使測量輾壓在卡 盤上。4、

7、開始試驗：按“扭轉角清零”按鍵，使電腦顯示屏上的扭轉角顯示值為零。按“運行”鍵，開始試驗。5、記錄數據：試件斷裂后，取下試件，觀察分析斷口形貌和塑性變形能力， 填寫實驗數據和計算結果。6、試驗結束：試驗結束后，清理好機器，以及夾頭中的碎屑，關斷電源。、鑄鐵1、試件準備：在標距的兩端及中部三個位置上，沿兩個相互垂直方向各測量一次直徑取平均值，再從三個平均值中取最小值作為試件的直徑do在低碳鋼試件表面畫上一條縱向線和兩條圓周線，以便觀察扭轉變形。2、試驗機準備：按試驗機一計算機一打印機的順序開機，開機后須預熱十分 鐘才可使用。根據計算機的提示，設定試驗方案，試驗參數。3、裝夾試件：啟動扭轉試驗機并

8、預熱后，將試件一端固定于機器，按"對正"按鈕 使兩夾頭對正后，推動移動支座使試件頭部進入鉗口間.4、開始試驗：按“扭轉角清零”按鍵，使電腦顯示屏上的扭轉角顯示值為零。按“運行”鍵，開始試驗。5、記錄數據：試件斷裂后，取下試件，觀察分析斷口形貌和塑性變形能力， 填寫實驗數據和計算結果。6、試驗結束：試驗結束后，清理好機器，以及夾頭中的碎屑，關斷電源。【實驗數據與數據處理】一.低碳鋼扭轉1低碳鋼直徑D測量A次測量第二次測量平均值上部10.00mm10.00mm10.00mm中部10.00mm10.00mm10.00mm卜部10.00mm10.00mm10.00mm2低碳鋼定位環

9、間距L測量第一次測量第二次測量平均值L61.55mm61.57mm61.56mm注：第二次實驗修正標距為1003.線性階段相關數據當處于線性階時，有扭矩M(N - m)扭角山(° )相對扭角巾。(° )43.8186353.4819645.10207二.鑄鐵扭轉1鑄鐵直徑d測量A次測量第二次測量平均值上部10.00mm10.00mm10.00mm中部10.00mm10.00mm10.00mm卜部10.00mm10.00mm10.00mm【實驗結果分析】一、低碳鋼數據處理1、驗證線性階段的數據是否為一條直線，以驗證比例極限內的扭轉角公式根據Original Data運用mat

10、lab擬合實驗數據則選取數據如下表數據LoadV5.00637.503010.00312.53015.00617.49220.00122.517PosV0.95591.33851.68822.01672.32192.62182.90533.1942LoadV25.00827.50030.02232.51935.01137.50640.01442.5016PosV3.47773.76114.03334.31624.60044.87295.14505.4336用matlab繪制的圖如下滿足線性關系、計算低碳鋼模量GT1L 43.81863 X 100X 10 1180G1 =二 XPa = 567

11、03GPa%片 45 10207 X 9.817 X 1011T2L 96.08313 X 100 X 10180Gz = kPa 0+62313CPa甲山 895 0185 X 9,817 x 10 KT3L 105.35714 X 100 x 10 1180G. = =xPa = 0.35501 GPa心【P 1732,0889 X 9.817 X 10 nG + G + fi5 6703 + (162313 + 0355"b » G = £ _ 1GL 1 =GPa = 2 21615GPa所以， 1 , -三、計算低碳鋼和鑄鐵的剪切強度極限 b1、低碳鋼:

12、屈服極限:M4：KlB3x 11)x10=-TTTT- = 7 X -TZ-Pa = 167.4MPas 4W.,42式嘰日17x10川精選文檔強度極限:3M2 31UB4SB2XHIX10 '加廠=/ xin Pa = 4。6 6sMpa4叫 *2x9,817 x 1U-102、鑄鐵強度極限:41h = w =faPa = 270.8MPah wi. 2XO17X W10端口形狀:【實驗思考】1、試件的尺寸和形狀對測定彈性模量有無影響 ？為什么？答：彈性模量是材料的固有性質，與試件的尺寸和形狀無關。2、逐級加載方法所求出的彈性模量與一次加載到最終值所求出的彈性模量是否相同次什么必須用逐級加載的方法測彈性模量 ？答：逐級加載方法所求出的彈性模量與一次加載到最終值所求出的彈性模量不相同，采用逐級加載方法所求出的彈性模量可降低誤差，同時可以驗證材料此時是否處于彈性狀態，以