扭转实验讲义.doc

3 金属材料的扭转试验工程中有很多承受扭转的构件，如各类电动机轴、传动轴、钻杆等。材料在扭转变形下的力学性能，如扭转屈服点、抗扭强度、切变模量等，是进行扭转强度和刚度计算的依据。作为材料力学试验中最基本、最典型的试验之一，本节将介绍切变模量G，扭转屈服点、抗扭强度的测定方法以及扭转破坏的规律和特征。一、实验目的1. 测定铝合金材料的切变模量G。2. 测定低碳钢的屈服点或上屈服点、下屈服点和抗扭强度。3. 观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。二、设备和仪器1. RNJ-500微机控制电子扭转试验机。图1-19 扭转试样2. 小扭角传感器。3. 游标卡尺。三、试样采用直径10mm、标距50毫米的圆形试样，端部铣成相对两平面以便夹持,如图1-19所示。四、测试原理和方法1切变模量G材料的切变模量G是在扭转过程中，线弹性范围内切应力和切应变之比。切变模量G是计算构件扭转变形的基本参数，可采用逐级加载法或图解法测定。（1）逐级加载法测G先通过试验机采用手动形式施加初始扭矩T0，然后采用等增量加载，加载五次，第i次加载后扭矩为 （a）式中：为初扭矩，为每级扭矩增量。标距间相对扭转角由试验机提供的小角度扭角仪测量获得，记录每级载荷下的扭转角。各级加载过程中的切变模量为 取平均值 （1-31）或采用最小二乘法计算切变模量G。由弹性扭转公式，令 (b)式中：L0为试样的标距，为截面对圆心的极惯性矩。由最小二乘原理知系数a为 （c） 因实验给出的载荷是，测得的变形是，因此上式中表示，表示，代入上式并与式b联立得 (1-32a )将a式代入，上式化为 (1-32b )屈服点、上屈服点和下屈服点以及抗扭强度测定（1）屈服点、上屈服点和下屈服点（低碳钢）测定拉伸时有明显屈服现象的金属材料（如低碳钢）在扭转时同样有屈服现象。通常T-曲线有两种类型，见图1-21。扭矩保持恒定而扭转角仍持续增加（曲线出现平台）时的扭矩称为屈服扭矩，记作（图1-21a），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为屈服点，记作。即图1-21 有明显屈服现象的T-曲线 （1-34）在屈服阶段，扭矩首次下降前的最大扭矩称为上屈服扭矩，记作（图1-21b），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为上屈服点，记作。即 (1-34) 屈服阶段中的最小扭矩称为下屈服扭矩（不加说明时即指下屈服扭矩），记作（图1-21b），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为下屈服点，记作。 即(1-35)（2）抗扭强度（低碳钢）（a）低碳钢试样断口形貌(b) 铸铁试样断口形貌图1-22 试样断口试样在断裂前所承受的最大扭矩按弹性扭转公式计算得抗扭强度。从自动记录的曲线上读取试样断裂前的最大扭矩，（图1-22），按下式计算抗扭强度： (1-36)在试验过程中，试样直径不变，由于低碳钢抗剪能力小于其抗拉能力，而横截面上切应力具有最大值，故断口为平断口(图1-22a)。（3）抗扭强度 (铸铁)铸铁的扭转曲线有明显的非线性偏离，如图1-24所示。变形很小就突然破裂，有图1-24铸铁扭转曲线爆裂声。由于在与杆轴线成45度角的面上，分别受到主应力和的作用，而铸铁的抗拉能力较抗剪能力弱，故沿与轴线成45度方向被拉断，断裂面呈螺旋面（见图1-22b）。据断裂前的最大扭矩，按弹性扭转公式计算抗扭强度 （1-39）五、实验步骤 1测量试样尺寸在试样的标距两端及其中间处两个相互垂直的方向上各测一次直径，将试样原始尺寸记入表1-10。2试验机准备打开试验机测控箱电源，启动计算机及测试软件，操作软件使测控箱和计算机作数据通讯，根据试验要求，调节试验设置窗口（包括角度传感器、扭转速度的调节）以及扭矩窗口的零点调节，详细请参见附1-5扭转试验机。加载速度按试验标准选择（屈服前应在630/min范围内，屈服后不大于360），3安装试样，注意试样的夹紧和对中。由于试件平面在安装时与夹具平面不完全吻合，可能会使扭矩偏移零点，此时应通过机械调零的方法将扭矩重新归零，同时将角度显示窗口清零。4. 测定材料的切变模量G，或测定规定非比例扭转应力，应选择小角度传感器。安装过程中应将扭角仪的试验标距调整为50mm，同时角度显示窗口清零。5测试（1）测G试验过程采用手动方式进行。先施加3N.m的初始扭矩，记下初始角度；然后采用等增量（如=5N.m）分五级加载，记录每次对应的角度值（在对应显示窗口显示）。重复测试三次，获取三组测量数据，记录于表1-9中。 表1-9逐级加载法数据处理列表i扭矩/Nm扭转角（度）03.017.0211.0315.0419.0523.0 (3) 测屈服点及抗扭强度点击运行按钮，按预先设定的测试程序对试件进行加载，直至试件断裂。保存实验数据。调出试验数据，输出试验报告。在测屈服点及抗扭强度时，应注意观察试样变形及破坏情况。取下试样，观察并分析断口形貌和形成原因。6试验机回复原状，清理现场。六、实验结果处理1. 试样原始尺寸记录及处理参考表1-10进行。计算三处测量直径的平均值，取三处直径平均值中的最小值计算试样的抗扭截面系数，以三处直径平均值的均值计算试样的极惯性矩。2. 采用最小二乘法计算切变模量G，试验数据记录与处理参考表1-11进行，按式 1-32计算切变模量G。或根据试验数据记录，按式1-31 计算切变模量G（算术平均值）。注意：扭角仪测量的是标距间的扭转角，而测试软件是以度为单位在窗口中反应扭转角变化的，因此应将度换算成弧度。表1-10 试样原始尺寸记录及处理列表材料直径do/mm抗扭截面模量Wp/mm3极惯性矩/mm4IIIIII12平均12平均12平均低碳钢铸 铁 3. 按式1-37和1-38分别计算低碳钢的剪切屈服极限和剪切强度极限。4. 按式1-39计算铸铁的抗扭强度。表1-11 测定切变模量G试验数据记录与计算列表= /mm4= /mm /Nm(度)（弧度）012345/七、实验报告1. 实验目的、实验原理、原始数据（包括原始测量数据和测试曲线）；2. 在实验曲线中标示出