低碳鋼扭轉破壞試驗實驗報告黃冬2015-10-29低碳鋼和鑄鐵扭轉破壞試驗一、實驗目的和要求測定低碳鋼的剪切屈服點L、抗剪強度二。和鑄鐵的抗剪強度Tb，觀察扭矩一扭轉角曲線（T-6曲線）。觀察兩類材料試樣扭轉破壞斷口形貌，并進行比較和分析。測定低碳鋼的切變模量G。驗證圓截面桿扭轉變形的胡克定律（①=Tl/GIp）。二、實驗設備和儀器微機控制扭轉試驗機。游標卡尺。裝夾工具。三、實驗原理和方法遵照國家標準（GB/T10128—1988）采用圓截面試樣的扭轉試驗，可以測定各種工程材料在純剪切情況下的力學性能。如材料的剪切屈服點’s和抗剪強度Tb等。圓截面試樣須按上述國家標準制成（如圖4-1所示）。試樣兩端的夾持段銑削為平面，這樣可以有效地防止試驗時試樣在試驗機卡頭中打滑。圖4-1試驗機軟件的繪圖系統可繪制扭矩一扭轉角曲線，簡稱扭轉曲線（圖4-2a、b中的7—6曲線）。從圖4-2a可以看到，低碳鋼試樣的扭轉試驗曲線由彈性階段（泌段）、屈服階段（湖段）和強化階段（配段）構成，但屈服階段和強化階段均不像拉伸試驗曲線中那么明顯。由于強化階段的過程很長，圖中只繪出其開始階段和最后階段，破壞時試驗段的扭轉角可達10兀以上。a）低碳鋼b）a）低碳鋼b）鑄鐵圖4-2圖4-2b所示的鑄鐵試樣扭轉曲線可近似地視為直線（與拉伸曲線相似，沒有明顯的直線段），試樣破壞時的扭轉變形比拉伸破壞時的變形要明顯得多。從扭轉試驗機上可以讀取試樣的屈服扭矩Ts和破壞扭矩Tb。由、=〈/^和'廣T,叩計算材料的剪切屈服點T和抗剪強度"，式中：W=兀d3/16為試樣bbT S b T0截面的抗扭截面系數。需要指出的是，對于塑性材料，采用實心圓截面試樣測量得到的剪切屈服點Ts和抗剪強度’子高于薄壁圓環截面試樣的測量值，這是因為實心圓截面試樣扭轉時橫截面切應力分布不均勻所致。當圓截面試樣橫截面的最外層切應力達到剪切屈服點T時，占橫截面絕大部s分的內層切應力仍低于彈性極限，因而此時試樣仍表現為彈性行為，沒有明顯的屈服現象。當扭矩繼續增加使橫截面大部分區域的切應力均達到剪切屈服點Ts時，試樣會表現出明顯的屈服現象，此時的扭矩比真實的屈服扭矩TS要大一些，對于破壞扭矩Tb也會有同樣的情況。低碳鋼試樣和鑄鐵試樣的扭轉破壞斷口形貌有很大的差別。圖4-3a所示低碳鋼試樣的斷面與橫截面重合，斷面是最大切應力作用面，斷口較為平齊，可知為剪切破壞；圖4-3b所示鑄鐵試樣的斷面是與試樣軸線成450角的螺旋面，斷面是最大拉應力作用面，斷口較為粗糙，因而是最大拉應力造成的拉伸斷裂破壞。a) h)a) h)圖4-3材料的切變模量G遵照國家標準(GB/T10128—1988)可由圓截面試樣的扭轉試驗測定。在彈性范圍內進行圓截面試樣扭轉試驗時，扭矩廠與扭轉角中之間的關系符合扭轉變形的胡克定律中=Tl/GIp，式中：/廣兀d;/32為截面的極慣性矩。當試樣長度l和極慣性矩/p均為已知時，只要測取扭矩增量八丁和相應的扭轉角增量△①，可由式尸 AT?lG=A中.Ip計算得到材料的切變模量。實驗通常采用多級等增量加載法，這樣不僅可以避免人為讀取數據產生的誤差，而且可以通過每次載荷增量和扭轉角增量驗證扭轉變形胡克定律。注意到三個彈性常數E，u，G之間的關系G=“E ，由材料手冊查得tr2(1+h)材料的彈性模量E和泊松比U，計算得到材料的切變模量Gtr，如將計算值Gtr取作真值，可將測試得到的G值與Gtr值進行比較，檢驗測試誤差。四、實驗步驟測量試樣直徑扁，長度L；裝夾試樣(操作方法參見試驗機使用手冊)；進入PowerTest軟件，選擇剪切彈性模量測定試驗方案；按軟件“運行”鍵，開始試驗。記錄多級等增量加載實驗數據。選擇金屬扭轉破壞試驗方案。按軟件“運行”鍵，開始試驗。試樣被扭斷后停機，取下試樣，注意觀察試樣破壞斷口形貌。記錄實驗數據。請指導教師檢查原始記錄并簽字后，結束實驗。將試驗機復位并整理現場。五、實驗注意事項推動試驗機移動支座時，切忌用力過大，以免損壞試樣或傳感器。進入軟件前請確定試驗機電源已打開。退出軟件前請確定試驗機電源已關閉。六、 思考題1.為什么低碳鋼試樣扭轉破壞斷面與橫截面重合，而鑄鐵試樣是與試樣軸線成450螺旋斷裂面？答：在圓桿扭轉實驗中，低碳鋼屬于剪切強度低于拉伸強度的材料，破壞是由橫截面上的最大切應力引起，并從桿的最外層沿橫截面發生剪斷產生的，而鑄鐵是屬于拉伸強度低于剪切強度的材料，它的破壞是由-45°斜截面上最大拉應力引起，并從桿的最外層沿著軸線約45°傾角的螺旋形曲面發生拉斷而產生的，故低碳鋼試樣扭轉破壞斷面與橫截面重合，而鑄鐵試樣是與試樣軸線成45°螺旋斷裂面。七、 實驗結果低碳鋼直徑d0測量第一次測量第二次測量平均值上部9.92mm9.94mm9.93mm中部9.92mm9.92mm9.92mm下部9.90mm9.94mm9.92mm測得的扭矩T及對應的標距轉角甲扭矩TCN-m)26.41933.65935.20637.354標距轉角0(°)1.0821.3721.4351.521破壞扭矩：Tb=86.184N-rn屈服扭矩：T=36.41N-rn實驗數據圖2500250020100 1 *—600 800 10000 200 400600 800 1000標距扭角(°)由胡克定律TI直,1G=――_—