工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(機(jī)制-材料-汽車)

1、工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書主 編：高 波副主編：黃士濤 實(shí)驗(yàn)一 金屬材料的拉伸實(shí)驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定低碳鋼（Q235 鋼）的強(qiáng)度性能指標(biāo)：上屈服強(qiáng)度（），下屈服強(qiáng)度（）和抗拉強(qiáng)度（）。2測(cè)定低碳鋼（Q235 鋼）的塑性性能指標(biāo)：斷后伸長率（）和斷面收縮率（）。3測(cè)定灰鑄鐵（HT200）的強(qiáng)度性能指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度（）。4觀察、比較低碳鋼（Q235 鋼）和鑄鐵兩種材料的力學(xué)性能、拉伸過程及破壞現(xiàn)象。 5. 學(xué)習(xí)試驗(yàn)機(jī)的使用方法。二、設(shè)備和儀器1WES-600S型電液式萬能試驗(yàn)機(jī)。2Q235鋼和HT200鑄鐵試樣，游標(biāo)卡尺，鋼直尺，劃線筆。圖1-2 低碳鋼的拉伸曲線圖1-1 試樣三、試樣國標(biāo)GB/T228-2

2、002采用直徑d0=10mm（名義尺寸）的圓形截面長比例試樣。四、實(shí)驗(yàn)原理1）低碳鋼（Q235 鋼）的拉伸實(shí)驗(yàn)將試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭中，連接試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)線，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣加載，計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制出載荷位移曲線。觀察試樣的受力、變形直至破壞的全過程。屈服階段反映在曲線圖上為一水平波動(dòng)線。上屈服力是試樣發(fā)生屈服而載荷首次下降前的最大載荷。下屈服力是試樣在屈服期間去除初始瞬時(shí)效應(yīng)（載荷第一次急劇下降）后波動(dòng)最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的載荷。最大力是試樣在屈服階段之后所能承受的最大載荷。相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)由以下公式計(jì)算：上屈服強(qiáng)度（） ： （1-1）下屈服強(qiáng)度（）： （1-2）抗拉強(qiáng)度（）： （1-3）測(cè)量

3、斷后的標(biāo)距部分長度和頸縮處最小直徑du，按以下兩式計(jì)算其主要塑性指標(biāo)：斷后伸長率（）： （1-4） 式中為試樣原始標(biāo)距長度，為試樣斷后的標(biāo)距部分長度。斷面收縮率（）： （1-5）式中和分別是原始橫截面積和斷后最小橫截面積。圖1-3 移位法測(cè)定斷后標(biāo)距移位法（亦稱為補(bǔ)償法）測(cè)定斷后的標(biāo)距部分長度。在長段上從斷口O點(diǎn)起取長度基本上等于短段格數(shù)的一段得B點(diǎn)，再由B點(diǎn)起取等于長段所余格數(shù)（偶數(shù)）之半得C點(diǎn)（見圖1-3a）；或取所余格數(shù)（奇數(shù)）減1與加1之半得C與C1點(diǎn)（見圖1-3b）；移位后的L1分別為：AO+OB+2BC或者AO+OB+BC+BC1 。2）鑄鐵的拉伸實(shí)驗(yàn)LFFmO圖1-4鑄鐵拉伸鑄鐵

4、拉伸時(shí)沒有屈服階段，斷口為平端口，只能測(cè)得其抗拉強(qiáng)度。據(jù)試樣所能承受的最大力值Fb，計(jì)算鑄鐵抗拉強(qiáng)度（）： （1-6）五、實(shí)驗(yàn)步驟1測(cè)量試樣尺寸（1）劃線。在試樣兩端劃細(xì)線標(biāo)志標(biāo)距。（2）直徑。在試樣標(biāo)距兩端和中間三個(gè)截面上測(cè)量直徑，每個(gè)截面在相互垂直方向各測(cè)量一次，取其平均值。用三個(gè)平均值中最小值計(jì)算試樣橫截面面積，數(shù)據(jù)列表記錄。（3）標(biāo)距長度。量取標(biāo)距計(jì)算長度。2開機(jī)打開試驗(yàn)機(jī)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。3實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置按實(shí)驗(yàn)要術(shù)，通過試驗(yàn)機(jī)操作軟件設(shè)量試樣尺寸等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。4測(cè)試 通過試驗(yàn)機(jī)操作軟件控制橫梁移動(dòng)對(duì)試樣進(jìn)行加載，開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中注意曲線及數(shù)字顯示窗口的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)記求并保

5、存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及輸出 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過打印機(jī)輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及曲線。6斷后試樣觀察及測(cè)量 取下試樣，注意觀察試樣的斷口。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量試樣的延伸率及斷面收縮率 7關(guān)機(jī) 關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)將相關(guān)儀器還原。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄參考表1-1和表1-2填寫。表1-1 試樣原始尺寸材料原始標(biāo)距（mm）原始橫截面直徑do(mm)原始最小橫截面積A0（mm2）IIIIII12平均12平均12平均低碳鋼100鑄 鐵表1-2 試樣斷后尺寸斷后標(biāo)距 (mm)斷后縮頸處最小直徑du（mm）斷后最小橫截面積Au(mm2)12平均2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理低碳鋼據(jù)

6、曲線（拉伸圖）和試樣屈服后所承受的最大力值Fb計(jì)算力軸（軸）每毫米代表的力值，進(jìn)而確定上屈服力和下屈服力的大小。按公式（1-1）（1-3）計(jì)算上屈服強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。按公式（1-4）和（1-5）計(jì)算斷后伸長率 和斷面收縮率。鑄鐵據(jù)試樣所承受的最大力值Fb，按公式（1-6）計(jì)算抗拉強(qiáng)度。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)備名稱、型號(hào)，實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄（列表表示）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分析討論。2. 打印試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪制的圖附于實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)。 3. 打印試樣斷裂后形狀圖片（可畫在數(shù)據(jù)記錄和處理欄內(nèi)）。用移位法測(cè)定或直接測(cè)量斷后收縮率的計(jì)算過程。八、思考題1.拉伸實(shí)驗(yàn)可以測(cè)定哪些力學(xué)性能？2.Q

7、235鋼的拉伸過程的四個(gè)階段？3.鑄鐵試樣拉伸，斷口為何是平截面？實(shí)驗(yàn)二 金屬材料的彈性模量實(shí)驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康?.測(cè)定金屬材料的彈性模量。 2.驗(yàn)證胡克定律。二、設(shè)備和儀器1WES-600S型電液式萬能試驗(yàn)機(jī)。2Q235鋼和HT200鑄鐵試樣，游標(biāo)卡尺，鋼直尺，劃線筆。三、試樣國標(biāo)GB/T228-2002采用直徑d0=10mm（名義尺寸）的圓形截面長比例試樣。四、實(shí)驗(yàn)原理?xiàng)U件承受軸向載荷時(shí)，在比例極限內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變遵循胡克定律： （2-1）式中，為沿拉力方向的線應(yīng)變（或稱縱向線應(yīng)變），E為材料的彈性模量。同時(shí)試件的橫向線應(yīng)變與縱向線應(yīng)變之間存在著以下關(guān)系： （2-2）式中，稱為橫向變形系數(shù)或泊松

8、比。 （2-3）式中為試樣原始標(biāo)距長度，為試樣斷后的標(biāo)距部分長度。 （2-4）式中和分別是原始橫截面積和斷后最小橫截面積。五、實(shí)驗(yàn)步驟1測(cè)量試樣尺寸（1）劃線。在試樣兩端劃細(xì)線標(biāo)志標(biāo)距。（2）直徑。在試樣標(biāo)距兩端和中間三個(gè)截面上測(cè)量直徑，每個(gè)截面在相互垂直方向各測(cè)量一次，取其平均值。用三個(gè)平均值中最小值計(jì)算試樣橫截面面積，數(shù)據(jù)列表記錄。（3）標(biāo)距長度。量取標(biāo)距計(jì)算長度。2開機(jī)打開試驗(yàn)機(jī)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。3實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置按實(shí)驗(yàn)要術(shù)，通過試驗(yàn)機(jī)操作軟件設(shè)量試樣尺寸等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。 4測(cè)試 通過試驗(yàn)機(jī)操作軟件控制橫梁移動(dòng)對(duì)試樣進(jìn)行加載，開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中注意曲線及數(shù)字顯示窗口的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)記

9、求并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及輸出 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過打印機(jī)輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及曲線。 6斷后試樣觀察及測(cè)量 取下試樣，注意觀察試樣的斷口。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量試樣的延伸率及斷面收縮率 7關(guān)機(jī) 關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)將相關(guān)儀器還原。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1采用實(shí)驗(yàn)一金屬材料拉伸的數(shù)據(jù)。2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算彈性模量，采用方法最小二乘法或在曲線的直線段部分（彈性變形階段）選取N點(diǎn)（至少五個(gè)點(diǎn)以上）。表2-1 數(shù)據(jù)記錄12345（）（）（）（）七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康模O(shè)備名稱、型號(hào)，實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄（列表表示）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分析討論。2. 試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪制的圖附

10、于實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)。八、思考題1.試件尺寸、形狀對(duì)測(cè)定彈性模量和泊松比有無影響？為什么？2.觀察鋁材的彈性模量電測(cè)法。實(shí)驗(yàn)三 金屬材料的壓縮實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定低碳鋼（Q235 鋼）的壓縮屈服點(diǎn)和鑄鐵的抗壓強(qiáng)度。2觀察、分析、比較兩種材料在壓縮過程中的各種現(xiàn)象。二、設(shè)備和儀器1WES-600S型電液式萬能試驗(yàn)機(jī)。2Q235鋼和HT200鑄鐵試樣，游標(biāo)卡尺，鋼直尺，劃線筆。三、試樣采用（名義尺寸）的圓柱形試樣。四、實(shí)驗(yàn)原理低碳鋼（Q235 鋼）試樣壓縮圖如圖3-1b所示。試樣開始變形時(shí)，服從胡克定律，呈直線上升，此后變形增長很快，材料屈服。此時(shí)載荷暫時(shí)保持恒定或稍有減小，這暫時(shí)的恒定值或減小的最小值

11、即為壓縮屈服載荷FSC。有時(shí)屈服階段出現(xiàn)多個(gè)波峰波谷，則取第一個(gè)波谷之后的最低載荷為壓縮屈服載荷FSC。爾后圖形呈曲線上升，隨著塑性變形的增長，試樣橫截面相應(yīng)增大，增大了的截面又能承受更大的載荷。試樣愈壓愈扁，甚至可以壓成薄餅形狀（如圖3-1a所示）而不破裂，因此測(cè)不出抗壓強(qiáng)度。鑄鐵試樣壓縮圖如圖3-2a所示。載荷達(dá)最大值Fbc后稍有下降，然后破裂，能聽到沉悶的破裂聲。鑄鐵試樣破裂后呈鼓形，破裂面與軸線大約成45o，這主要是由切應(yīng)力造成的。圖3-1 低碳鋼試樣壓縮圖 圖3-2 鑄鐵試樣壓縮圖 五、實(shí)驗(yàn)步驟1測(cè)量試樣尺寸用游標(biāo)卡尺在試樣高度重點(diǎn)處兩個(gè)相互垂直的方向上測(cè)量直徑，取其平均值，記錄數(shù)據(jù)

12、。2開機(jī)打開試驗(yàn)機(jī)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。3實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置按實(shí)驗(yàn)要術(shù)，通過試驗(yàn)機(jī)操作軟件設(shè)量試樣尺寸等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。 4測(cè)試 通過試驗(yàn)機(jī)操作軟件控制橫梁移動(dòng)對(duì)試樣進(jìn)行加載，開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中注意曲線及數(shù)字顯示窗口的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)記求并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及輸出 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過打印機(jī)輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及曲線。 6斷后試樣觀察及測(cè)量 取下試樣，注意觀察試樣的斷口。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量試樣的延伸率及斷面收縮率 7關(guān)機(jī) 關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)將相關(guān)儀器還原。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1. 參考表3-1記錄實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。 表3-1 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄參考表材料直徑do(mm

13、)橫截面面積A0(mm2)屈服載荷FSC(KN)最大載荷Fbc(KN)12平均低碳鋼鑄 鐵/2. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理據(jù)低碳鋼（Q235 鋼）壓縮實(shí)驗(yàn)所得到的屈服載荷計(jì)算低碳鋼的壓縮屈服點(diǎn)： （3-1）據(jù)鑄鐵壓縮實(shí)驗(yàn)所得到的最大載荷計(jì)算鑄鐵的抗壓強(qiáng)度： （3-2）七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康模O(shè)備名稱、型號(hào)，實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄（列表表示）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，試樣破壞形狀示意圖，分析討論。八、思考題1.低碳鋼試樣壓縮后為什么成鼓形？鑄鐵試樣壓縮是發(fā)生什么破壞？其原因是什么？2.低碳鋼拉伸時(shí)可測(cè)得試樣所能承受的最大載荷，壓縮時(shí)測(cè)不到最大載荷，為什么說它是拉壓等強(qiáng)度材料？鑄鐵是拉壓等強(qiáng)度材料嗎？實(shí)驗(yàn)四 金屬材料的

14、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)（電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 測(cè)定低碳鋼的屈服點(diǎn)或上屈服點(diǎn)、下屈服點(diǎn)和抗扭強(qiáng)度。2測(cè)定鑄鐵抗扭強(qiáng)度。3. 觀察并分析不同材料在扭轉(zhuǎn)時(shí)的變形和破壞現(xiàn)象。二、設(shè)備和儀器1. NDW-500微機(jī)控制電子式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)。圖4-1 扭轉(zhuǎn)試樣2. 游標(biāo)卡尺。三、試樣采用直徑10mm、標(biāo)距100毫米的圓形試樣，端部銑成相對(duì)兩平面以便夾持，如圖4-1所示。四、實(shí)驗(yàn)原理1. 屈服點(diǎn)、上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)（低碳鋼）拉伸時(shí)有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料（如低碳鋼）在扭轉(zhuǎn)時(shí)同樣有屈服現(xiàn)象。通常T-曲線有兩種類型，見圖4-2。扭矩保持恒定而扭轉(zhuǎn)角仍持續(xù)增加（曲線出現(xiàn)平臺(tái)）時(shí)的扭矩稱為屈服扭矩，記作（圖圖4-2 有明

15、顯屈服現(xiàn)象的T-曲線4-2a），按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算所得的切應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，記作，即 （4-1）在屈服階段，扭矩首次下降前的最大扭矩稱為上屈服扭矩，記作，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算所得的切應(yīng)力稱為上屈服點(diǎn)，記作，即 （4-2） 屈服階段中的最小扭矩稱為下屈服扭矩（不加說明時(shí)即指下屈服扭矩），記作（圖3-2b），按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算所得的切應(yīng)力稱為下屈服點(diǎn)，記作， 即 （4-3）2. 抗扭強(qiáng)度（低碳鋼）（a）低碳鋼試樣斷口形貌(b) 鑄鐵試樣斷口形貌圖4-3試樣斷口試樣在斷裂前所承受的最大扭矩按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算得抗扭強(qiáng)度。從自動(dòng)記錄的曲線上讀取試樣斷裂前的最大扭矩，（圖4-3），按下式計(jì)算抗扭強(qiáng)度： （4-

16、4）在試驗(yàn)過程中，試樣直徑不變，由于低碳鋼抗剪切能力小于其抗拉能力，而橫截面上切應(yīng)力具有最大值，故斷口為平斷口(圖4-2a)。說明：在扭轉(zhuǎn)彈性階段，試樣圓截面上的應(yīng)力沿半徑線性分布。對(duì)試樣緩慢加載，試樣橫截面邊緣處材料首先進(jìn)入屈服，而整個(gè)截面的絕大部分區(qū)域內(nèi)仍處于彈性狀態(tài)(圖4-4a )。此后，由于材料屈服而形成的塑性區(qū)不斷向中心擴(kuò)展，橫截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀的塑性區(qū)（圖 （a） （b） （c）圖4-4低碳鋼圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的切應(yīng)力分布（a）；（b）；（c）4-4b）。當(dāng)橫截面上的應(yīng)力均達(dá)到屈服點(diǎn)后，材料全部進(jìn)入塑性 （圖4-4c）。試驗(yàn)機(jī)測(cè)量出的屈服扭矩實(shí)際上是橫截面上相當(dāng)部分區(qū)域屈服

17、時(shí)的扭矩值，所測(cè)的得的破壞扭矩值也是這樣。因此按前述公式計(jì)算得到的剪切屈服點(diǎn)和抗扭強(qiáng)度均比實(shí)際增大。若按全面屈服考慮（圖4-4c），對(duì)應(yīng)的扭矩為：考慮到材料剛開始進(jìn)入屈服時(shí)的外扭矩值很難精確判定，因此，一般均根據(jù)全面屈服時(shí)測(cè)定的外扭矩值來計(jì)算扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，即： （4-5）上式是在理想彈塑性情況下導(dǎo)出的，因此對(duì)于有較長屈服階段，或強(qiáng)化現(xiàn)象不明顯的塑性材料比較吻合。對(duì)于塑性較差的材料則有較大誤差。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得試樣在斷裂時(shí)的扭力偶矩，按下式計(jì)算抗扭強(qiáng)度： （4-6）上式是Nadai扭轉(zhuǎn)塑性理論公式中略去了一項(xiàng)后得到的，而略去的這一項(xiàng)不一定是高階小量，因此公式是近似的。3. 抗扭強(qiáng)度(鑄鐵)鑄鐵的扭轉(zhuǎn)曲線

18、有明顯的非線性偏離，變形很小就突然破裂。由于在與桿軸線成45度角的面上，分別受到主應(yīng)力和的作用，而鑄鐵的抗拉能力較抗剪切能力弱，故沿與軸線成45度方向被拉斷，斷裂面呈螺旋面（見圖4-3b）。據(jù)斷裂前的最大扭矩，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算抗扭強(qiáng)度： （4-7）五、實(shí)驗(yàn)步驟1. 測(cè)量試樣尺寸在試樣的標(biāo)距兩端及其中間處兩個(gè)相互垂直的方向上各測(cè)一次直徑，計(jì)算三處測(cè)量直徑的平均值，取三處直徑平均值中的最小值計(jì)算試樣的抗扭截面系數(shù)，以三處直徑平均值的均值計(jì)算試樣的極慣性矩。記錄表4-1。表4-1 試樣原始尺寸記錄及處理列表材料直徑do（mm）抗扭截面模量（mm3）極慣性矩（mm4）IIIIII12平均12平均12

19、平均低碳鋼鑄 鐵2. 試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備打開試驗(yàn)機(jī)電源，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)及測(cè)試軟件，設(shè)定相關(guān)參數(shù)。加載速度按實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)選擇（屈服前應(yīng)在范圍內(nèi)，屈服后不大于。3. 安裝試樣注意試樣的對(duì)中和夾緊，移動(dòng)固定夾具。4. 測(cè)試點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，按預(yù)先設(shè)定的測(cè)試程序?qū)υ嚰M(jìn)行加載，直至試件斷裂。保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在測(cè)屈服點(diǎn)及抗扭強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)注意觀察試樣變形及破壞情況。取下試樣，觀察并分析斷口形貌和形成原因。5. 關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)將相關(guān)儀器還原。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1. 試樣原始尺寸記錄及處理參考表4-1進(jìn)行。2. 按公式（4-5）和（4-6）分別計(jì)算低碳鋼的剪切屈服極限和剪切強(qiáng)度極限。3. 按

20、公式（4-7）計(jì)算鑄鐵的抗扭強(qiáng)度。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、原始數(shù)據(jù)（包括原始測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)試曲線）。2. 在實(shí)驗(yàn)曲線中標(biāo)示出屈服扭矩Ts及最大扭矩Tb （測(cè)屈服點(diǎn)及抗扭強(qiáng)度）。3. 試件斷口形貌描述和破壞斷口形貌分析（測(cè)屈服點(diǎn)及抗扭強(qiáng)度）。4. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析。八、思考題1根據(jù)低碳鋼和鑄鐵試樣扭轉(zhuǎn)破壞的情況分析破壞原因。2鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞斷裂面為何是45度螺旋面而不是45度平面？實(shí)驗(yàn)四 金屬材料的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)（手動(dòng)扭力試驗(yàn)機(jī)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1測(cè)定低碳鋼的剪切屈服極限及剪切強(qiáng)度極限。 2測(cè)定鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限。 3觀察并比較低碳鋼及鑄鐵試件扭轉(zhuǎn)破壞的情況。二、設(shè)備和儀器 1.扭力試驗(yàn)機(jī)

21、2.游標(biāo)卡尺 扭力試驗(yàn)機(jī)是一種可對(duì)試樣施加扭矩并能指示出扭矩大小的機(jī)器。圖4-1 K-50型扭力試驗(yàn)機(jī)外形圖試驗(yàn)機(jī)采用機(jī)械傳動(dòng)加載，用擺式機(jī)構(gòu)測(cè)示扭矩。它的量程隨所用擺錘的不同重量而分三種：100N·m（10Kg·m）、200N·m（20Kg·m）500N·m（50Kg·m）；相應(yīng)的精度分別為 0.5N· m（0.05Kg·m）、1.0N· p（0.10Kg· m）、2.0N· m（020Kg· m）。它適用于直徑為 1025mm長度為 100700mm的試件。其傳動(dòng)系統(tǒng)如圖

22、4-2所示。其操作步驟如下：圖4-2 K-50型扭力試驗(yàn)傳動(dòng)系統(tǒng)圖 （1）檢查試驗(yàn)機(jī)夾頭1、2的形式與試件是否配合；測(cè)角度盤15置“0”；檢查自動(dòng)繪圖器工作是否正常。（2）估計(jì)試件所需的最大扭矩，選擇適宜的測(cè)力度盤12并配置相應(yīng)的擺錘13。 （3）當(dāng)擺桿保持鉛直時(shí)，測(cè)力指針12應(yīng)對(duì)準(zhǔn)“零”點(diǎn)。否則，松開度盤上的螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)度盤使指針對(duì)準(zhǔn)“零”點(diǎn)。再擰緊螺母。 （4）安裝試件先將試件的一端放在固定夾頭2中，搖動(dòng)調(diào)距手柄3，使活動(dòng)夾頭1連同與它在一起的齒輪箱17沿傳動(dòng)主軸8和水平導(dǎo)軸4移動(dòng)，使試件另一端插入活動(dòng)夾頭中后，再予以夾緊。 （5）加載有手搖加載與電動(dòng)加載之分。 手搖加載：將變速桿5放在“空

23、轉(zhuǎn)”位置，搖動(dòng)手搖柄6，帶動(dòng)變速箱中的軸II，使傳動(dòng)主軸8、活動(dòng)夾頭I旋轉(zhuǎn)。通過試件使固定夾頭2也跟著旋轉(zhuǎn)。這樣，與固定夾頭連在一起的擺桿11和擺錘13也就跟著擺起來了，以平衡活動(dòng)夾頭加在試件上的力偶，于是試件便發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，隨受扭矩作用。因此，擺錘力矩就等于試件所承受的扭矩。擺錘在擺起時(shí)推動(dòng)與測(cè)力度盤相聯(lián)的齒桿，使齒輪和指針轉(zhuǎn)動(dòng)，于是指針便在測(cè)力度盤12上指出試件所受扭矩的大小。（6）測(cè)扭轉(zhuǎn)角傳動(dòng)主軸8除帶動(dòng)活動(dòng)夾頭轉(zhuǎn)動(dòng)外，在它的一端還裝有一個(gè)測(cè)角度盤15，用它指示試件轉(zhuǎn)動(dòng)端的絕對(duì)扭轉(zhuǎn)角。測(cè)角度盤上的測(cè)角指標(biāo)16與試件被動(dòng)端聯(lián) 動(dòng)，因此指標(biāo)桿在度盤上所指數(shù)值便是試件兩端的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。度盤最小

24、刻度為1o，因此只適用于測(cè)量大變形。測(cè)角度盤上還附有一個(gè)計(jì)數(shù)裝置，可以指出試件扭轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)。 （7）自動(dòng)繪圖如果需要記錄試驗(yàn)過程中扭矩和扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，應(yīng)在加載荷前 調(diào)好自動(dòng)繪圖器的傳動(dòng)裝置、圖紙、筆尖和墨水。筆尖由推動(dòng)測(cè)力指針的齒桿帶動(dòng)，而圖紙滾動(dòng)則與傳動(dòng)主軸8聯(lián)動(dòng)。這樣，隨著試驗(yàn)過程的進(jìn)行，筆尖便在圖紙上自動(dòng)地繪出Mn一曲線。曲線上各點(diǎn)的縱坐標(biāo)為扭矩，橫坐標(biāo)為試件轉(zhuǎn)動(dòng)端的絕對(duì)扭轉(zhuǎn)角。 （8）注意事項(xiàng) 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，操作者不得離開。所見異聲或發(fā)生故障，應(yīng)立即停車。 在實(shí)驗(yàn)時(shí)，不得觸動(dòng)擺錘，以免影響測(cè)讀扭矩精度。采用電動(dòng)加載時(shí)，手搖柄必須先取掉，以免其飛出造成事故。三、試樣采用直徑10mm、標(biāo)

25、距100毫米的圓形試樣，端部銑成相對(duì)兩平面以便夾持，如圖4-3所示。圖4-3 扭轉(zhuǎn)試樣 四、實(shí)驗(yàn)原理將試件裝在扭力試驗(yàn)機(jī)上，開動(dòng)機(jī)器，給試件加扭矩。利用機(jī)器上的自動(dòng)繪圖裝置，可以得到Mn一曲線。這Mn一曲線也叫扭轉(zhuǎn)圖。低碳鋼試件的Mn一曲線，如圖4-4所示。圖中起始直線段OA表明試件在這階段中的Mn與成比例， 截面上的剪應(yīng)力呈線性分布，如圖 4-5（a）。在 A點(diǎn)處，Mn 與的比例關(guān)系開始破壞，此時(shí)截面周 圖4-4 低碳鋼試件扭轉(zhuǎn)圖邊上的剪應(yīng)力達(dá)到了材料的剪切屈服極限，相應(yīng)的扭矩記為MP。 由于這時(shí)截面內(nèi)部的剪應(yīng)力尚小于，故試件仍具有承載能力，Mn曲線呈繼續(xù)上升的趨勢(shì)。扭矩超過 MP后，截面上

26、的剪應(yīng)力分布發(fā)生變化，如圖 4-5（b）。在截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀塑性區(qū)，并隨著Mn的增長，塑性區(qū)逐步向中心擴(kuò)展，Mn曲線稍微上升，直到B點(diǎn)趨于平坦，截面上各材料完全達(dá)到屈服，扭矩度盤上的指針幾乎不動(dòng)或擺動(dòng)，此時(shí)測(cè)力度盤上指示出的扭矩或指針擺動(dòng)的最小值即為屈服扭矩Ms。如圖4-5（c），根據(jù)靜力平衡條件，可以求得與Ms的關(guān)系為：將式中dA用環(huán)狀面積元素表示，則有 （4-1）故剪切屈服極限式中是試件的抗扭截面模量。圖4-5 截面上剪應(yīng)力分布圖 繼續(xù)給試件加載，試件再繼續(xù)變形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化。當(dāng)達(dá)到Mn一曲線上的C點(diǎn)時(shí)，試件被剪斷。由測(cè)力度盤上的被動(dòng)計(jì)可讀出最大扭矩Mb，與公式（4-1）相似，可得剪

27、切強(qiáng)度極限 （4-2） 鑄鐵的Mn一曲線如圖4一7所示。從開始受扭，直到破壞，近似為一直線，按彈性應(yīng)力公式，其剪切強(qiáng)度極限： （4-3） 試件受扭，材料處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)，在 圖4-6 鑄鐵的扭轉(zhuǎn)圖垂直于桿軸和平行于桿軸的各平面上作用著剪應(yīng)力，而與桿軸成45º角的螺旋面上。則分別只作用著、的正應(yīng)力，如圖4-7所示。 由于低碳鋼的抗拉能力高于抗剪能力，故試件沿橫截面剪斷，而鑄鐵的抗拉能 圖4-7 試沖受扭的應(yīng)力分布圖力低于抗剪能力， 故試件從表面上某一最弱處，沿與軸線成45º方向拉斷成一螺旋面。五、實(shí)驗(yàn)步驟1用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件直徑，求出抗扭截面模量。在試件的中央和兩端共三處，

28、每處測(cè)一對(duì)正交方向，取平均值作該處直徑，然后取三處直徑最小者，作為試件直徑，并據(jù)此計(jì)算。表4-1 試樣原始尺寸記錄及處理列表材料直徑do（mm）抗扭截面模量（mm3）極慣性矩（mm4）IIIIII12平均12平均12平均低碳鋼鑄 鐵2將試件兩端裝入試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)，調(diào)整好繪圖裝置，將指針對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)，并將測(cè)角度盤調(diào)整到零。3用粉筆在試件表面上畫一縱向線，以便觀察度件的扭轉(zhuǎn)變形情況。 4對(duì)于低碳鋼試件，可以先用手動(dòng)緩慢而均勻地加載，當(dāng)測(cè)力指針前進(jìn)速度漸漸減慢以至停留不動(dòng)或擺動(dòng)，這時(shí)，它表明的值就是（注意：指針停止不動(dòng)時(shí)間很短，因此要留心觀察）,直至試件破壞并立即停車。記下被動(dòng)指針?biāo)傅淖畲笈ぞ?，注意觀察測(cè)角度盤的讀數(shù)。 5鑄鐵試件的試驗(yàn)步驟與低碳鋼相同，可直接用電動(dòng)加載，記錄試件破壞時(shí)的最大扭矩值。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1. 試樣原始尺寸記錄及處理參考表4-1進(jìn)行。2. 按公式（4-1）和（4-