金属材料扭转实验及弹性模量的测量.docx

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金属材料扭转实验及弹性模量的测量

南昌大学工程力学实验报告

姓名：

钟燕平学号：

5902411050专业班级：

本硕111班班级编号：

S088

实验时间14时00分第9星期三座位号：

教师编号：

成绩：

金属扭转破坏实验、剪切弹性模量的测定

中那么明显。

由于强化阶段的过程很长，图中只绘出其开始阶段和最后阶段，破坏时实验段的扭角可达10π以上

图所示的铸铁试样扭转曲线可近似的视为直线（与拉伸曲线相似，没有明显的直线段），试样破环时的扭转形变比拉伸时的形变要明显的多。

从扭转试验机上可读取的试样的屈服扭矩Ts和破环扭矩Tb。

由

和

计算材料的屈服剪切点和抗剪切强度。

需要指出的是，对于塑形材料，采用实心圆截面试样测量得到的屈服点和抗剪强度，高于薄壁圆环截面试样的测量值，这是因为实心园截面试样扭转时横截面切应力分布不均匀所致。

当园截面试样横截面的最外层切应力达到剪切强度屈服点时，占横截面绝大部分的内层应力仍低于弹性极限，因此此时试样仍表现为弹性行为，没有明显的屈服现象。

当扭矩继续增加使横截面大部分区域的切应力均达到剪切屈服点时，试样会表现出明显的屈服现象，此时的扭矩比真实的屈服扭矩要大一点，对于破环扭矩也会有同样的情况。

低碳钢试样和铸铁试样的扭转破环断口形貌有很大的差别断面是最大切应力作用面，断口较为平齐，可知剪切破坏，图2所示为铸铁试样的断面是与试样轴成45度角的螺旋面断面是最大拉应力作用面，断口较为粗糙，因而是最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。

四、实验步骤

（1）低碳钢的扭转实验步骤

首先测量试样直径d在试样上安装扭角测试样装置，将一个定位环套在试样的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。

再将另一个定位环套在试样的另一端，装上另一个卡盘，根据不同的试样标距要求将试样搁放在相应的V型块上，使卡盘与V型块两端紧贴，保证卡盘与试样垂直，将卡盘上的螺钉拧紧。

接着将试样机两端夹头对正。

将已装扭角测试实验装置的试样的一端放入从动夹头的夹口间，将试样加紧，进行扭矩清零操作，推动移动支座，使试样的另一端进入主动夹头间，进行试样保护，从而消除夹持扭矩，并清零扭角。

进入电子扭转实验机应用软件，选择低碳钢扭转实验方案，按软件运行键，开始实验，记录多级等增量加载实验数据试样被扭断后停机，去下试样，注意观察试样破坏断口形貌。

（2）铸铁扭转实验步骤

铸铁扭转实验步骤与低碳钢扭转实验步骤相同。

只因铸铁是脆性材料，只需记录破坏荷载数据，无需安装扭角测量装置。

五、实验数据记录及处理

实验记录及数据处理

低碳钢/mm

铸铁/mm

截面d

平均d

最小d

截面d

平均d

最小d

9．86

9.86

9.83

9.90

9.90

9.90

9．86

9.90

9．84

9.84

9.92

9.92

9.84

9.92

9.84

9.83

9.94

0.9.93

9.82

9.92

材料

低碳钢

铸铁

试样尺寸

9.86mm，

188.2

9.90mm，

190.5

试

样

草

图

实验前：

实验后：

实验前：

实验后：

实

验

数

据

屈服扭矩

34.667

最大扭矩

89.075

屈服切应力

186.4MPa

抗切强度

478.9MPa

最大扭矩

68.275

最大扭角=41.508º

抗切强度

358.4MPa

扭

转

图

（1）铸铁数据记录

T/NM

5.096

9.912

15.046

19.930

25.403

30.006

35.083

扭角φ/度

0.626

1.214

1.899

2.658

3.572

4.371

5.522

T/NM

40．005

44.980

50.047

55.041

59.997

65.021

68.275

扭角φ/度

6.946

9.046

12.277

16.885

23.365

32.586

41.805

可做出扭矩-扭角曲线如下：

由图中可知

=68.275NM

（1）低碳钢数据记录处理

标距

=50mm

d0/mm

9.86

9.86

9.84

9.84

9.84

9.82

线弹性阶段

T/NM

5.001

10.004

15.003

20.157

25.032

标距扭角/度

0.158

0.330

0.511

0.688

0.869

扭角φ/度

1.387

1.961

2.600

3.184

3.76

屈服阶段最大值最小值

T/NM

39.429

34.667

扭角φ/度

5.688

33.720

强化阶段

T/NM

35.271

40.733

50.332

60.413

扭角φ/度

53.819

77.534

150.702

290.092

T/NM

70．175

80.464

85.550

89.075

扭角φ/度

555.278

1128.254

1627.82

2208.197

可做图如下

扭矩-标距扭角曲线

扭矩-扭角曲线

测定低碳钢的切变模量G

ΔT=（5.003+4.999+5.154+4.875）/4=5.008（NM）

=（0.172+0.181+0.177+0.181）/4=0.178（°）

=π

/32=9.13×10exp

所以

=15.4GPa

又

=

六、思考题

1．为什么低碳钢试样扭转破坏断面与横截面重合，而铸铁试样是与试样轴线成450螺旋断裂面？

答：

在圆杆扭转实验中，低碳钢属于剪切强度低于拉伸强度的材料，破坏是由横截面上的最大切应力引起，并从杆的最外层沿横截面发生剪断产生的，而铸铁是属于拉伸强度低于剪切强度的材料，它的破坏是由-45°斜截面上最大拉应力引起，并从杆的最外层沿着轴线约45°倾角的螺旋形曲面发生拉断而产生的，故低碳钢试样扭转破坏断面与横截面重合，而铸铁试样是与试样轴线成450螺旋断裂面。

低碳钢扭转

铸铁扭转