材料力学实验三、四指导书分析.docx

 PAGE \* MERGEFORMAT 14 材料力学 实验指导书 机电工程学院 二O一四年十二  实验三 金属材料扭转实验 实验项目性质：验证性 所涉及课程：材料力学 计划学时：2学时 【实验目的】 1、测定低碳钢的屈服点（剪切屈服极限）τeL、抗扭强度（剪切强度极限）τm。 2、测定铸铁的抗扭强度τm。 3、观察、比较和分析上述两种典型材料在受到扭转载荷时的变形和破坏形式，并对试件断口进行分析。 【实验设备】 LCJ材料力学教学实验机，型号WDD-LCJ-150； 游标卡尺； 记号笔； 低碳钢（Q235）、铸铁（HT）试件； 【实验原理】 低碳钢试件在发生扭转变形时，其T－φ曲线如图3所示，类似低碳钢拉伸实验，可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和断裂阶段，相应地有三个强度特征值：剪切比例极限τe 、剪切屈服极限τeL和剪切强度极限τm 。对应这三个强度特征值的扭矩依次为Te、TeL、Tm。 T 　O  　　　　　 ? Tm TeL ? Te ? ? ? φ ? 　 图3 低碳钢扭转图 在比例极限内，T与φ成线性关系，材料完全处于弹性状态，试件横截面上的剪应力沿半径线性分布。如图4(a)所示，随着T的增大，开始进入屈服阶段，横截面边缘处的剪应力首先到达剪切屈服极限，而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环塑性区，如图4(b)所示，但中心部分仍然是弹性的，所以T仍可增加，T－φ的关系成为曲线。直到整个截面几乎都是塑性区，如图4(c)所示。 τ τm τeL ? ? ? ? ? (a) (b) (c) 图4低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图 在T－φ出现屈服平台，示力度盘的指针基本不动或有轻微回摆，由此可读出屈服扭矩TeL，低碳钢扭转的剪切屈服极限值可由下式求出： 式中为试件的抗扭截面系数。 　　屈服阶段过后，进入强化阶段，材料的强化使扭矩又有缓慢的上升，但变形非常明显，试件的纵向画线变成螺旋线，直至扭矩到达极限扭矩值Tm进入断裂阶段，试件被剪断，由示力度盘的从动针可读出，则低碳钢扭转的剪切强度???限τm 可同下式求出： 2．铸铁扭转实验：铸铁在扭转实验时，变形很小就突然断裂，其T－φ曲线如图2－10所示。 T 　O φ ? ? Tm ? ? ? ? 图4 铸铁扭转图 从开始受扭，直到破坏，近似为一直线。没有屈服阶段和强化阶段，唯一的强度特征值是剪切强度极限τm可按线弹性公式计算求出，即： 　　3．试件的破坏现象分析： 试件受扭，材料处于纯剪切应力状态，在试件的横截面上作用有剪应力，同时在与轴线成±45°的斜截面上，会出现与剪应力等值的主拉应力和主压应力，如图2－11(a)所示。 ? τ 45° 45° σ2 σ1 ? ? ? ? (a) (b) (c) 图5 纯剪应力状态与扭转断口示意图 低碳钢的抗剪能力比抗拉和抗压能力差，试件将会从最外层开始，沿横截面发生剪断破坏，如图5(b)所示，而铸铁的抗拉能力比抗剪和抗压能力差，则试件将会在与杆轴成45°的螺旋面上发生拉断破坏，如图5(c)所示。 【实验步骤及内容】 1、试样准备 ①量取试件标距： 采用标准圆截面拉伸试样（长试件或短试件），试样的形状及尺寸见图（1）。取，=10mm, =100mm。首先用细砂布打磨光亮低碳钢试样表面，然后在试样的等值段内量取100mm，确定原始标距长度的两端点，用划线机（或铁钻子）轻轻打上印记，用粉笔（或金属笔）画一至两条纵向线。 ②量取试样直径： 应用游标卡尺在标距长度的中央和两端的截面处，按两个垂直的方向测量直径，取其算术平均值，选用三处截面中最小值为值，并立即记入实验报告。 2、准备数据采集系统 ①启动微机。 ②启动“材料力学实验”软件。 3．试样安装 ①安装扭转夹头。 ②安装扭转试样： 将准备好的标准扭转试样，装入两夹头之间。方法是：首先将试样长度与实验机两夹头间距离比较一下，然后，点击程序操作板上的“允许加载”，点击集中力加载下的“上升”或“下降”按钮， 使动力加载梁上下移动，直到两夹头距离适合装入试样。点击“扭转夹头复位”按钮，等待扭转上夹头转到零点位置，再将试样装入。 图7 扭转试验加载图 4．设置扭转实验参数：按程序的实验步骤进行试验（具体操作参见程序中的提示）。 5．试件加载 ①按下软件中操作板上的扭矩力“加载”按钮，加载开始。 ②低碳钢这类塑性材料试件，调速一般在50~200即可；铸铁类脆性材料的试件调速应