材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)習(xí)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造原理，并進(jìn)行操作練習(xí)。2．測(cè)定低碳鋼的剪切屈服極限、剪切強(qiáng)度極限和鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限。3．觀察低碳鋼和鑄鐵在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的變形和破壞情況。二、實(shí)驗(yàn)儀器扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺三．實(shí)驗(yàn)原理1、低碳鋼扭轉(zhuǎn)【抗扭屈服強(qiáng)度】（剪切屈服極限）：（Mpa）[式中：Ts–屈服階段最小扭矩值（N·mm）；W–抗扭截面模量（mm3）；（mm3）；d--試樣橫截面直徑（mm）。]【抗扭強(qiáng)度】（剪切強(qiáng)度極限）：（Mpa）[式中：Tb–破壞前最大扭矩值（N·mm）]在上述兩式中都存在3/4的系數(shù)，來(lái)源見(jiàn)圖一。（a）初態(tài)（b）中間態(tài)（c）填滿(mǎn)態(tài)圖一扭轉(zhuǎn)等直圓軸進(jìn)入屈服狀態(tài)切應(yīng)力變化圖當(dāng)扭轉(zhuǎn)等直圓軸到達(dá)初態(tài)時(shí)，T—φ試驗(yàn)曲線上的扭矩T并沒(méi)有進(jìn)入屈服階段，但此時(shí)截面邊緣上的切應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到τs，進(jìn)入實(shí)際屈服階段，有D·τρ=2ρ·τs。此時(shí)的扭矩：中間變化過(guò)程是塑性變形環(huán)逐漸變大直到填滿(mǎn)整個(gè)截面的過(guò)程。達(dá)到填滿(mǎn)態(tài)時(shí)的扭矩：結(jié)果：=。[對(duì)應(yīng)T—φ試驗(yàn)曲線上的扭矩]抗扭強(qiáng)度式中系數(shù)也可如此推理。圖二低碳鋼扭轉(zhuǎn)試樣對(duì)低碳鋼等直圓軸扭轉(zhuǎn)在比例變形范圍內(nèi)符合剪切胡克定律，截面Ⅱ相對(duì)截面Ⅰ轉(zhuǎn)角：（°）（見(jiàn)圖二）[式中：φ–截面Ⅱ相對(duì)截面Ⅰ的轉(zhuǎn)角（°）；T–截面扭矩值（N·mm）；L–試樣試驗(yàn)段長(zhǎng)度（mm）；G--切變模量（Mpa；即N/mm2）；Ip–對(duì)截面中心的極慣性矩（mm4）；Ip==（mm4）]【切變模量G】：（Mpa）；（Mpa）[（見(jiàn)圖三）T2、T1---扭轉(zhuǎn)彈性變形階段選定兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的扭矩值（N·mm）。φ2、φ1--扭轉(zhuǎn)彈性變形階段選定兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角值（°）。]2、鑄鐵扭轉(zhuǎn)【抗扭強(qiáng)度】（剪切強(qiáng)度極限）：（Mpa）[式中：Tb–破壞前最大扭矩值（N·mm）；W–抗扭截面模量（mm3）:（mm3）；d--試樣橫截面直徑（mm）。]鑄鐵扭轉(zhuǎn)不存在屈服階段，所以式中系數(shù)是1。圖三低碳鋼、鑄鐵扭轉(zhuǎn)（扭矩T—轉(zhuǎn)角φ）試驗(yàn)曲線四、實(shí)驗(yàn)步驟1．低碳鋼實(shí)驗(yàn)（1）量取試件直徑。在試件上選取3個(gè)位置，每個(gè)位置互相垂直地測(cè)量2次直徑，取其平均值；然后從3個(gè)位置的平均直徑值中取最小值作為試件的直徑。（2）將扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)刻度盤(pán)的從動(dòng)針調(diào)至靠近主動(dòng)針。主動(dòng)針的調(diào)零方式為自動(dòng)調(diào)整，如果主動(dòng)針不在零位，應(yīng)通知老師，由老師進(jìn)行調(diào)整。絕對(duì)不能用調(diào)從動(dòng)針的方法，將兩針調(diào)至零位。（3）把試件安裝在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)，并將螺絲擰緊（勿太用力）。安裝時(shí)，一定要注意主動(dòng)夾頭的夾塊要保持水平（固定夾頭的夾塊總是水平的），以避免引起初始扭矩。如果已經(jīng)出現(xiàn)小量的初始扭矩，只要不超過(guò)5N*m，可以開(kāi)始加載。另外，試件在水平面和垂直面上不能歪斜，否則加載后試件將發(fā)生扭曲。（4）打開(kāi)繪圖記錄器的開(kāi)關(guān)；將調(diào)速旋鈕置于低速位置。開(kāi)始用檔慢速加載，每增加5N*m的扭矩，記錄下相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，注意觀察試件的變形情況和圖，當(dāng)材料發(fā)生流動(dòng)時(shí)，記錄流動(dòng)時(shí)的扭矩值和相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。另外，注意記錄扭矩剛開(kāi)始下降時(shí)的扭矩值和相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。扭矩值估讀到0.1N*m。（5）流動(dòng)以后，繼續(xù)加載，試件進(jìn)入強(qiáng)化階段，關(guān)閉記錄器后，將電機(jī)速度選擇在檔，加快加載速度。這時(shí)由于變形速度較快，可每增加180度取一次扭轉(zhuǎn)角度。直至試件扭斷為止，記下斷裂時(shí)的扭矩值，注意觀察斷口的形狀。注意，試件扭斷后應(yīng)立即停止加載，以便記錄斷裂時(shí)的扭轉(zhuǎn)角度。2．鑄鐵實(shí)驗(yàn)操作步驟與低碳鋼相同。因鑄鐵在變形很小時(shí)就破壞，所以只能用檔慢速加載。每增加5N*m的扭矩，記錄下相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。注意觀察鑄鐵試件在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的變形及破壞情況，并記錄試件扭斷時(shí)的極限扭矩值和相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。注意，試件扭斷后應(yīng)立即停止加載，以便記錄斷裂時(shí)的扭轉(zhuǎn)角度。五、實(shí)驗(yàn)記錄試件低碳鋼鑄鐵直徑(第1次)直徑(第2次)直徑(第3次)流動(dòng)荷載無(wú)破壞荷載形狀注：低碳鋼的剪切流動(dòng)極限及強(qiáng)度極限的計(jì)算公式中應(yīng)該乘一系數(shù)3/4。原因是這樣：圓軸扭轉(zhuǎn)在彈性變形范圍內(nèi)剪應(yīng)力分布如參考圖(a)所示，對(duì)于塑性材料，當(dāng)扭矩增大到一定數(shù)值后，試件表面應(yīng)力首先達(dá)到流動(dòng)極限，并逐漸向內(nèi)擴(kuò)展，形成環(huán)形塑性區(qū)，如參考圖(b)所示。若扭矩逐漸增大，塑性區(qū)也不斷擴(kuò)大。當(dāng)扭矩達(dá)到時(shí)，橫截面上的剪應(yīng)力大小近似為，如參考圖(c)所示,在這種剪應(yīng)力分布形式下，剪應(yīng)力公式為。試件繼續(xù)變形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化，當(dāng)試件扭斷時(shí)，假設(shè)整個(gè)截面的剪應(yīng)力都達(dá)到，此時(shí)最大扭矩為，因此剪切強(qiáng)度極限和流動(dòng)極限一樣，近似地寫(xiě)為。由于鑄鐵是脆性材料，應(yīng)力在截面上從開(kāi)始受力直至破壞都保持線性分布，當(dāng)邊緣上的剪應(yīng)力達(dá)到時(shí)。此時(shí)最大扭矩為，故仍用彈性階段的應(yīng)力公式計(jì)算強(qiáng)度極限。六．預(yù)習(xí)思考題1)分析試件在扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下各點(diǎn)的主應(yīng)力大小和方向。2)低碳鋼屈服極限和強(qiáng)度極限的計(jì)算公式中為什么會(huì)出現(xiàn)3/4？請(qǐng)分析并推導(dǎo)計(jì)算公式。3)為什么扭轉(zhuǎn)試件兩端較粗,中間較細(xì)？中間和兩端采用光滑曲線過(guò)渡，而不是直角連接4)如果扭轉(zhuǎn)試件是屈服失效，請(qǐng)用最大剪應(yīng)力理論分析一下試件可能的斷口形狀。5)如果扭轉(zhuǎn)試件是斷裂失效，請(qǐng)用最大拉應(yīng)力理論分析一下試件可能的斷口形狀。6)什么是塑性材料？什么是脆性材料？(如果在你做的其它實(shí)驗(yàn)中也有此題，回答一次即可)七．分析思考題1)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中你是怎樣測(cè)量試件直徑的？為什么采用這種方法？你有其它方法測(cè)量直徑嗎？你的依據(jù)是什么？2)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)試件的放置有什么要求？為什么？3)夾緊試件后，如果讀數(shù)盤(pán)的主動(dòng)針偏離了零位，這是什么原因造成的？對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有什么影響？應(yīng)該怎樣解決？4)兩種扭轉(zhuǎn)試件的斷口形狀分別是什么樣的？怎樣解釋這種結(jié)果？5)通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)阌X(jué)得低碳鋼的塑性性能如何？你的依據(jù)是什么？鑄鐵呢？6)在拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)三個(gè)試驗(yàn)中，你已經(jīng)做了那些實(shí)驗(yàn)？請(qǐng)通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，總結(jié)一下低碳鋼的抗拉、抗壓、抗扭強(qiáng)度的大小關(guān)系。同樣地，請(qǐng)總結(jié)一下鑄鐵的抗拉、抗壓、抗扭強(qiáng)度的