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材料在扭转时力学性能测定实验
材料在扭转时力学性能测定实验
在机械工程中,许多传动零件都是在扭转受力条件下工作的。测定材料在扭转时的力
学性能,对轴类零件的设计计算和选材具有实际意义。
一、预习要求
1、推导测量低碳钢剪切屈服极限计算公式:;
2、简述测量低碳钢剪切弹性模量G的原理和步骤。
二、实验目的
1、测定低碳钢的剪切弹性模量G,验证扭转变形公式。
2、测定低碳钢的剪切屈服极限、低碳钢和铸铁的剪切强度极限。
3、比较低碳钢和铸铁扭转变形和破坏规律。
三、实验设备及试样
1、扭转试验机。
2、扭转测G仪或扭角仪。
3、游标卡尺。
4、试样。扭转试样一般为圆截面(图1)。安装扭角仪的A、B两截面的距离l0称为
标距。实验前在低碳钢试样表面画上两条纵向线和两圈圆周线,以便观察扭转变形。
四、实验原理及方法
无论是验证扭转变形公式还是测定剪切弹性模量G,都需要准确测量试样的扭转
角。扭转角的测量通常用扭角仪。扭角仪的构造原理及安装示意图如图2所示。扭角仪安
装在试样A、B两截面上后,用定位螺钉旋紧,同时通过A处联结的推杆顶住B处联结的百分
表顶尖,使百分表有一定的预位移。当试样扭转变形时,若百分表指示的顶尖处位移为
δ,则根据图2b可得,A、B两截面间扭转角为 。
在剪切比例极限范围内,圆轴扭转变形公式为 。式中T为扭矩,它等于
扭转试验机加于试样上的扭转外力偶矩;IP为圆截面的极惯性矩。可见扭矩T与扭转角
φ成正比。实验时,测定不同的扭转角φ和对应的扭矩T,即可验证两者是否存在线性关
系。
1、剪切弹性模量G的测定
用低碳钢试样进行试验时,取初扭矩T0,在比例极限内的最大试验扭矩为Tn,从
T0到Tn分成n级加载,每级扭矩增量为ΔT,如图3所示。
与ΔT相对应的扭转角增量为Δφ。则由上述扭转角计算公式可变为求解G的公式
若取n次加载获得的Δφ的平均值Δφm
取代前式中的Δφ,即可得试验测得的平均剪切弹性模量G。
为了提高测量精度,可以反复测量三遍取平均值。
实验时也可用专用于教学的NY-4扭转测G仪测定材料的剪切弹性模量G,其实验原理和
过程与上述方法基本相同,加载方式为砝码加载,操作更简便。
2、低碳钢剪切屈服极限和剪切强度极限的测定
测定G值后,应先取下扭角仪,然后继续加载,以测定剪切屈服极限和剪切强度极
限。在加载的全过程中,可用机器的记录装置绘制T-φ曲线。在剪切比例极限范
围内,T与φ成线性关系,横截面上剪应力沿半径线性分布(图4a)。随着T的增大,横截
面边缘上的切应力首先达到剪切屈服极限,进入屈服阶段,而且塑性区逐渐向圆
心扩展,形成环形塑性区(图4b),但中心部分仍然是弹性的,所以T仍可增大,T与φ的
关系变为曲线,直到整个截面几乎都是塑性区(图4c),在T-φ曲线上出现屈服平台(图
3),示力度盘的指针基本不动或轻微摆动,相应的扭矩为Ts。此时整个截面为塑性区。
理论上Ts与关系为
或
由于在测量时,只有横截面上全部点进入塑性区时,我们才能观察到屈服现象(在
T-φ曲线上出现屈服平台,示力度盘的指针基本不动或轻微摆动),因此测量时以此刻作
为采集数据的依据,读出Ts。
过了屈服阶段后,材料的强化使扭矩又有缓慢的上升,但变形非常明显,试样上实验
前画的纵向线变为螺旋线。直到扭矩达到极限值Tb,试样被扭断,断口沿横截面方向。与
Tb对应的剪切强度极限由下式计算
但是,为了使测定的指标具有可比性,根据国标GB10128-88规定,扭转时仍采用下面
两式来计算屈服极限和强度极限。这样计算出的结果比实际值要大一些。
和
3、铸铁剪切强度极限的测定
铸铁试样受扭时,变形很小即被扭断。断口沿与横截面成450的受拉螺旋面方向。其
T-φ曲线图接近直线,剪切强度极限可按如下公式计算
表1 测量剪切弹性模量G数据记录表
第一级第二级第三级第四级第五级第六级载荷(Nm)扭角仪读数读数增量
材料名称直径d0(mm)抗扭截面模量Wt(mm3)屈服载荷PsL (Nm)破坏载荷Pb (Nm)位置一
位置二位置三1 2均12均12均低碳钢铸铁-
五、实验报告
1、按表1和表2形式记录、处理实验数据。
2、实验结果计算应列出公式,写出步骤。
3、回答问题:试比较低碳钢和铸铁试样
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