金属材料的扭转实验课件

金属材料的扭转实验/低碳钢

材料G值的测定工程力学实验中心

2017年10月金属材料的扭转实验/低碳钢

材料G值的测定工程力学实验中心实验设备实验目的实验装置和试件实验原理实验步骤实验设备介绍目

录CONTENTS实验设备实验目的实验装置和试件实验原理实验步骤实验设备介绍目01金属材料的扭转实验01金属材料的2、测定铸铁扭转时的剪切强度极限。3、观察并比较低碳钢及铸铁试件扭转变形时的破坏特征。1、测定低碳钢扭转时的的剪切屈服极限及剪切强度极限。实验目的：实验项目名称一：金属材料的扭转实验2、测定铸铁扭转时的剪切强度极限。3、观察并比较低碳钢及铸铁实验项目名称一：金属材料的扭转实验名称和型号NDW500型微机控制扭转试验机量程500N∙m,试验速度实验设备：扭矩示值相对误差±1%实验项目名称一：金属材料的扭转实验名称和型号NDW500型微实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验装置、试件（简图及原始尺寸）实测原始数据（单位）试件下屈服扭矩（N∙m）破坏扭矩（N∙m）扭转角（ₒ）低碳钢铸铁l0=100mmd0=10mm实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验装置、试件（简图及原始实验项目名称一：金属材料的扭转实验GB10128-2007

金属材料室温扭转试验方法试验机由机械、电气和计算机三大部分组成。实验项目名称一：金属材料的扭转实验GB10128-2007实验项目名称一：金属材料的扭转实验主机结构示意图工作原理：机械部分：被动夹头装在扭矩传感器上，可随直线导轨移动。扭转试样装在两夹头间，伺服电机带动减速机转动使主动夹头旋转。有手动、自动两种加载试验方式。电气部分：由拖动系统和测量控制部分组成。计算机：实现各种控制、显示、数据采集处理、曲线的绘制、试验结果储存、实时显示试验曲线等。实验项目名称一：金属材料的扭转实验主机结构示意图工作原理：实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验原理

纯扭转时，圆试样表面为纯剪应力状态（如图1）其最大剪应力和正应力绝对值相等，夹角成450，因此扭转实验可以明显区分材料的断裂方式—拉断或剪断。如果材料的抗剪强度小于抗拉强度，破坏形式为剪断，断口应与其轴线垂直；如果材料的抗拉强度小于抗剪强度，破坏原因为拉应力。破坏面应是沿450方向。实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验原理纯扭转时，实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验原理低碳钢试件的扭矩图Mn—

曲线，如图2所示。1、直线段OA：线弹性阶段实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验原理低碳钢试件的扭矩实验项目名称一：金属材料的扭转实验

2、AB阶段：在A点处，Mn与Φ的比例关系开始破坏，此时截面周边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限

s,相应的扭矩记为Mp,由于这时截面内部的剪应力尚小于s，故试件仍具有承载能力，Mn—Φ曲线呈继续上升的趋势。扭矩超过MP后，截面上的剪应力分布发生变化，如图3（b）。在截面上出现了一个环状塑性区，并随着Mn的增长，塑性区逐步向中心扩展，Mn—Φ曲线稍微上升，直到B点趋于平坦，截面上各材料完全达到屈服，扭矩数值几乎不再变化，甚至出现微小的减小现象，此时的扭矩的最小值即为屈服扭矩Ms。实验原理实验项目名称一：金属材料的扭转实验2、AB阶段：在A点处实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验原理如图3（C），根据静力平衡条件，可以求得

s与Ms的关系为将式中dA用环状面积元素2d来表示，则有故剪切屈服极限：试件的抗扭截面模量：（1）实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验原理如图3（C），根据实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验原理3、BC阶段：继续给试件加载，试件再继续变形，材料进一步强化。当达到Mn一

曲线上的C点时，试件被剪断。扭矩数值为最大扭矩Mb，与公式（1）相似，可得剪切强度极限

b：（2）实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验原理3、BC阶段：继续实验原理实验项目名称一：金属材料的扭转实验铸铁试件的扭矩图Mn-

曲线，如图4所示图4铸铁试件扭矩图

铸铁的Mn-

曲线如图4所示。铸铁的扭转曲线虽然较明显地偏离直线,但仍可近似地看作一条直线,没有屈服过程,故可按弹性应力公式计算出材料的剪切强度极限：即

（3）（3）实验原理实验项目名称一：金属材料的扭转实验铸铁试件的扭矩图实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验原理铸铁的抗拉能力低于抗剪能力，故试件从表面上某一最弱处，沿与轴线成45º方向拉断成一螺旋面。最大拉应力引起。低碳钢的抗拉能力高于抗剪能力，故试件沿横截面剪断。最大剪应力引起。破坏原因断裂方式实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验原理铸铁的抗拉能力低于实验项目名称一：金属材料的扭转实验04打开数据板录入试件信息，在“SmartTest”软件的曲线显示板和控制板选择试验方式021、将试件一端装入试验机从动夹头的方孔内，并推动从动头向主动头靠拢，同时单击“左旋”或“右旋”按钮转动主动夹头的方孔，使试件的另一端装入主动夹头的方孔内，固定好试件。也可手动正转和反转使试件的轴端对准方孔。2、扭矩、扭角清零。装夹试件：051、单击控制板“开始”按钮，选择扭矩-转角曲线。2、低碳钢扭转时，进入屈服阶段后可以加快试验速度。3、试件断裂后单击“试验结束”，系统会自动分析试验曲线，并将分析结果发送到数据板。开始试验：03

试验机准备：01

在试件标距段的两端及中间截面处，沿两相互垂直的方向测量直径各一次，并计算各截面直径的算术平均值。选用三个截面中平均直径的最小值计算试件的扭转截面系数Wp试件准备：实验步骤录入试件信息选择试验方式：结束试验：06拆除断裂试件，进行下一次或脱机退出程序，使试验机恢复原样。1、估计载荷、确定载荷在试验机的量程范围之内2、接通电源，依次打开电源开关，开启控制电脑主机及显示屏。3、打开SmartTest扭转试验软件程序实验项目名称一：金属材料的扭转实验04打开数据板录入试件信息实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTest操作部分第一步：打开SmartTest主界面菜单栏状态栏曲线板控制板扭距、扭角显示板实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTe实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTest操作部分第二步：打开数据板，点击“”摁钮，录入试件信息实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTe实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTest操作部分第三步：录入试样批号、编号、材质和形状等信息后，点击“新建”，在数据板建立试件信息，然后点击“确定”，完成试件信息的录入。实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTe实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTest操作部分数据板显示已录入的试件信息实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTe实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTest操作部分第四步：点击控制板的调整试件轴端与主动夹头的方孔，装夹试件。实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTe实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTest操作部分试件装夹完毕后，再一次点击“左旋右旋”摁钮，返回试验界面。实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTe第五步：扭矩、扭角清零；在“曲线板”选择“扭矩-转角”试验曲线，在控制板选择“转角”控制，选择扭转速度，点击，开始试验实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTest操作部分第五步：扭矩、扭角清零；在“曲线板”选择“扭矩-转角”试验曲实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTest操作部分第六步：试验完毕后，点击状态栏的，打开“分析板”，查看计算结果。实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTe实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTest操作部分第七步：如需打印结果，点击“打印机”摁钮，进行数据板报表打印。实验项目名称一：金属材料的扭转实验实验步骤——SmartTe02低碳钢材料G值的测定02低碳钢材料测定低碳钢材料的切变模量G，并验证剪切胡克定律01熟悉百分表的使用02学习扭角仪的原理和使用方法03实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定实验目的：测定低碳钢材料的切变模量G，并验证剪切胡克定律01熟悉百分表实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定实验设备：1、XL3412型扭角仪:圆轴直径：D=10mm，转角仪标距：l=150mm，转角仪半径：R=100mm加载臂：L=200mm2、机电百分表：量程：10mm，精度：0.01mm实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定实验设备：1、XL341实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定实验装置、试件（简图及原始尺寸）123451、台架2、转角仪3、百分表4、试件5、砝码及托盘l=150mmL=200mmR=100mm圆轴直径D=10mm转角仪标距l=150mm加载臂L=200mm转角仪半径：R=100mm实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定实验装置、试件（简图及原实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定实测原始数据（单位）P(Kg)

P(Kg)(mm)×10-2(mm)×10-2(mm)×10-2(mm)×10-2(mm)×10-2(mm)×10-20123实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定实测原始数据（单位）P(实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定实验原理圆轴受扭时，材料处于纯剪切应力状态。在比例极限以内，材料的剪应力

与剪应变成正比，即满足剪切虎克定律由此可得出圆轴受扭时的虎克定律表达式：式中Mn为扭矩L0是试件的标距长度Ip为圆截面的极惯性矩，G为低碳钢剪切弹性模量通过扭角仪，对试件逐级增加同样大小的扭矩Mn,相应地由百分表测出相距为L0的两个截面之间的相对扭转角增量

i,如果每一级扭矩增量所引起的扭转角增量

i基本相同，这就验证了剪切虎克定律。根据测得的各级扭转角增量的平均值

可用下式算出剪切弹性模量实验按照等间隔分级加扭矩的方法进行，由扭角仪测得相应的扭转角增量，即可求得。实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定实验原理圆轴受扭时，材料实验步骤把扭角仪夹具套在试件标距为的A、B两截面处，并拧紧固定螺钉（实验室已安装好）。

01将安装好扭角仪的试件一端安装在固定支座上，另一端安装在可转动支座上，安装好加荷臂及百分表，安装时注意百分表套筒松紧是否适度（过紧，不能与试件一起变形，过松，固定不住，实验室安装好）。02测量试件直径（D=10mm）,标距（l=150mm）,百分表触头到试件轴线的距离R=100mm,以及力臂长度L=200mm。03百分表调零。用手轻轻压砝码盘，使百分表指针能够转动且松开手后，百分表指针能够回到原来位置，然后转动表盘使指针对准零。04挂砝码逐级加载（每个砝码质量为1Kg），采用3级加载，并记录百分表的读数。重复做3次，实验完后砝码放回原处。05实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定06检查实验数据，整理好实验仪器。实验步骤把扭角仪夹具套在试件标距为的A、B两截面处，并拧紧固实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定

实验数据处理每一次加载读出百分表下降的位移，共加3级。卸载后再重复前面的操作，共做3次，按下式算出平均值，即再算出各级载荷下的平均值，即为试件材料的剪切弹性模量，式中的P为砝码重量的增量。计算中各个物理量均采用国际单制。注意事项：1、砝码要轻拿轻放，不要冲击加载，不要在砝码盘上用手施加压力。2、不要拆卸或转动百分表。实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定实验数据处理每一次加

当测量杆1向上或向下移动1mm时，通过齿轮传动系统带动大指针5转一圈，同时小指针7转一格。大指针每转动一格读数值为0.01mm,小指针每转动一格读数为1mm。小指针处的刻度范围为百分表的测量范围。测量时大小指针读数之和即为测量尺寸的变动量。刻度盘可以转动，以便测量时大指针对准零刻度线。

此实验所用的百分表的量程为0-5mm,精度为0.01mm，此次实验只读大指针的读数值即可。实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定百分表原理图2百分表及其传动原理当测量杆1向上或向下移动1mm时，通过齿轮传动系统带实验项目名称一：金属材料的扭转实验SmartTest软件界面操作1、主窗口：菜单栏状态栏1.1设置：l选择扭矩传感器：选择当前正在使用的扭矩传感器；l选择扭转计：选择当前正在使用的扭转计；l系统参数：返回和设置系统相关参数；l分析参数：返回和设置分析参数；1.2调整：l扭矩传感器校准：校准和修正扭矩传感器；l扭矩传感器检定：检定扭矩传感器；l扭转计校准：校准和修正扭转计；l扭转计检定：检定扭转计；l横梁转角校准：校准横梁转角；l横梁转速校准：校准横梁转速；l控制参数调整：调整与控制相关的一些参数；1.3工具：l压缩数据库：对存储数据的数据库进行压缩以减少冗余；l数据库导入导出：把数据库中的数据进行导入导出；l控制观察：直接观察控制调节过程的工具；1.4窗口：l锁定：把所有子窗口锁定为一体；l浮动：所有子窗体可以自动浮动；l自动排列：所有子窗体随鼠标移动自动排列；l排列子窗口：以主窗口为中心，重新排列其他窗口；l移到屏幕左上角：界面移到屏幕左上角显示；1.5帮助：关于：显示执行程序版本和控制驱动类型、版本等相关信息。2、状态栏显示试验过程中试样和控制的相关信息；状态栏分为左右两部分，左边显示当前控制相关的详细信息，如速度等。右边显示试样的相关信息，主要是试样面积和编号。1、菜单实验项目名称一：金属材料的扭转实验SmartTest软件界面实验项目名称一：金属材料的扭转实验二、扭距、扭角显示板SmartTest软件界面操作

1、负荷测量显示值：根据示值的大小自动规约，也可以单击鼠标右键根据需要进行选择；

2、负荷测量峰值：当试验重新开始，峰值会自动清零，也可点击峰值清零按钮清零；

3、扭角显示值：根据示值的大小自动规约，也可以单击鼠标右键根据需要进行选择；4、破型判断按钮：试样破坏的判断条件按钮。按下此按钮，在试验过程中，力值如果满足试样破型的条件，系统会自动停止。如果按钮弹起，那么，即使满足破型判断条件，系统也不会自动停止，用户必须手动停机。5、按钮说明：测量值清零按钮：试验开始时，使用清零按钮清零扭角扭矩破型判断按钮实验项目名称一：金属材料的扭转实验二、扭距、扭角显示板Sma实验项目名称一：金属材料的扭转实验SmartTest软件界面操作三、转角显示板实验项目名称一：金属材料的扭转实验SmartTest软件界面实验项目名称一：金属材料的扭转实验

SmartTest软件界面操作四、曲线显示板曲线显示窗口在试验工程中，实时显示测量曲线，在浏览历史数据时，同步显示对应的历史曲线；在分析时，提供用户在线分析的功能。1、曲线类型选择：单击鼠标右键，用户可根据需要选择观察其中的一种类型的曲线；2、曲线工具栏：曲线工具栏包含曲线观察和处理的工具；从左至右依次为：前面四个按钮为一组工具，每次只能选取一个，即选取其中的一个时，原来的按钮就会弹起。这四个工具在分析曲线时特别有用。3、曲线类型页：曲线板上共分为试验曲线和对比曲线两页。其中，试验曲线页显示当前或历史数据相对应的单条曲线；对比曲线则可以显示当前或历史数据的组合对比曲线以便于观察和分析。4、曲线显示刻度值，随曲线的缩放和移动而改变。曲线类型选择曲线工具栏曲线显示刻度值实验项目名称一：金属材料的扭转实验

SmartTest软件界实验项目名称一：金属材料的扭转实验

SmartTest软件界面操作普通或对象选取方式：鼠标显示为普通的箭头形状，如果用户将鼠标移到某个曲线上的标志点上时，标志点标签变红，表明这个点已经被选中，用户可以按住鼠标左键拖动选中的点，也可以按下时鼠标右键，将弹出一个功能菜单，用户可以删除或微调当前标志点；曲线定位方式：鼠标显示为十字光标，用户在曲线板上移动时，工具栏的位置将跟踪显示鼠标位置处的坐标值；曲线移动方式，按住鼠标左键可以移动曲线。放大曲线：鼠标显示为放大镜。按下鼠标左键，拖动选择一个矩形区域，然后松开鼠标，这时，曲线板将放大显示选择区域；点击可以把曲线放大至整个曲线；

复原曲线坐标值；

打印当前显示类型的曲线：不同于“数据板”上的打印报告，这里仅打印曲线；

将显示的曲线另存为BMP位图格式文件，BMP文件是Windows中一个很常见的图形文件，在WODR、EXCEL等常用的办公自动化程序中都可以方便的插入可以分别对相应曲线的坐标进行精确设置；

改变曲线的采样频率曲线工具栏曲线工具栏各工具功能介绍注意：当在曲线板上双击鼠标左键时可以出现速率显示、数据分析等功能,如图所示。实验项目名称一：金属材料的扭转实验

SmartTest软件界实验项目名称一：金属材料的扭转实验

SmartTest软件界面操作五、控制板1、控制方式选择卡片2、试验控制中心左旋/右旋前面两个是“左旋”和“右旋”后面两个按钮表示试验的“开始”和“停止”。“调整位置”按钮按下时，系统即认为是非试验状态，这时控制板界面也将有所变化（如图），我们可通过“左旋”和“右旋”按钮来控制横梁(活塞)的移动。系统将自动回到转角显示为0的位置（可能左旋，也可能右旋，以上次位置为准），并自动停止。不管是左旋还是右旋，系统都不会记录曲线。l转角：闭环（开环）转角控制方式；l扭矩：闭环扭矩（应力）控制方式；l扭角：闭环扭角（应变）控制方式；程控：可编程序控制方式；实验项目名称一：金属材料的扭转实验

SmartTest软件界实验项目名称一：金属材料的扭转实验五、控制板3、转角控制调整位置在这个控制模式下，用户可以用鼠标直接选择转角速度，系统就会按照选择的转角速度来调整活塞（横梁）的位置，方向取决于按下“左旋”、“右旋。实验项目名称一：金属材料的扭转实验五、控制板3、转角控制调整实验项目名称一：金属材料的扭转实验

4、转角速度：闭环（开环）转角控制方式5、扭矩速度：闭环扭矩（应力）控制方式。闭环实验：1、扭矩速度档位中选择一个速度，比如10Nm/s。2、点击“预紧速度”按钮设置预紧速度。3、在扭矩保持目标输入框中输入目标值，如100NM，然后按“回车键”或按右边的“应用”按钮。4、按下“开始”按钮，开始试验。状态：活塞会以10Nm/s的速度加载左旋，当扭矩值到达100NM，系统会自动保持在100NM。5、用户可以输入新的目标值，应用后，系统会自动趋向新的目标值。目标值用户可以随时改变。用户可以输入为空来清除目标值。扭矩目标不能为0。五、控制板实验项目名称一：金属材料的扭转实验

4、转角速度：闭环（开环实验项目名称一：金属材料的扭转实验五、控制板6、扭角速度：闭环扭角（应变）控制方式7、自定义程序控制：自定义程序控制模式下，系统将按照用户自己编制的程序进行控制。实验项目名称一：金属材料的扭转实验五、控制板6、扭角速度：闭实验项目名称一：金属材料的扭转实验六、数据板1、数据板窗口：可以从系统菜单或工具栏调出数据板，所有的试件数据、测试数据以及分析数据，都显示在数据板上。2、数据板工具栏l快速新建：快速建立单个数据记录；l新建：建立