低碳钢、铸铁的扭转破坏实验报告

./低碳钢、铸铁的扭转破坏实验一：实验目的和要求1、掌握扭转试验机操作。2、低碳钢的剪切屈服极限τs。3、低碳钢和铸铁的剪切强度极限τb。4、观察比较两种材料的扭转变形过程中的变形及其破坏形式,并对试件断口形貌进行分析。二：实验设备和仪器1、材料扭转试验机2、游标卡尺三、实验原理1、低碳钢扭转实验低碳钢材料扭转时载荷-变形曲线如图〔a所示。TTbTs0φ图1.低碳钢材料的扭转图1.低碳钢材料的扭转图τsτsττsτsτdAdAρρ<a><b><c>图2.低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图低碳钢试件在受扭的最初阶段,扭矩T与扭转角φ成正比关系<见图1>,横截面上剪应力τ沿半径线性分布,如图2<a>所示。随着扭矩T的增大,横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限τs且塑性区逐渐向圆心扩展,形成环形塑性区,但中心部分仍是弹性的,见图2<b>。试件继续变形,屈服从试件表层向心部扩展直到整个截面几乎都是塑性区,如图2<c>所示。此时在T-φ曲线上出现屈服平台<见图1>,试验机的扭矩读数基本不动,此时对应的扭矩即为屈服扭矩Ts。随后,材料进入强化阶段,变形增加,扭矩随之增加,直到试件破坏为止。因扭转无颈缩现象。所以,扭转曲线一直上升直到破坏,试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb。由可得低碳钢材料的扭转屈服极限；同理,可得低碳钢材料扭转时强度极限,其中为抗扭截面模量。2、铸铁扭转实验铸铁试件受扭时,在很小的变形下就会发生破坏,其扭转图如图3所示。TTbφφOO图3.铸铁材料的扭转图从扭转开始直到破坏为止,扭矩T与扭转角近似成正比关系,且变形很小,横截面上剪应力沿半径为线性分布。试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb,铸铁材料的扭转强度极限为。低碳钢试样和铸铁试样的扭转破坏断口形貌有很大的差别,图4〔a所示低碳钢试样的断面与横截面重合,断面是最大切应力作用面,断口较为平齐,可知为剪切破坏；图〔b所示铸铁试样的断面是与试样轴线成45度角的螺旋面,断面是最大拉应力作用面,断口较为粗糙,因而最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。图4.低碳钢和铸铁的扭转端口形状实验步骤低碳钢实验步骤：测量试样尺寸在试件两端及中部位置,沿两个相互垂直的方向,测量试样直径,以其平均值计算个横截面面积。检查设备线路连接是否接好,并打开设备电源以及配套软件操作界面。在试样上安装扭角测试装置,将一个定位环夹盒套在试样的一端,装上卡盘,将螺钉拧紧。再将另一个定位环夹套在试样的另一端,装上另一卡盘；根据不同的试样标距要求,将试样搁放在相应的的V形块上,使两卡盘与V形块的两端贴紧,保证卡盘与试样垂直,以确保标距准确,将卡盘上的螺母拧紧。将试验机两端夹头对正,装夹试件,进行保护,清零。选择低碳钢扭转实验方案,记录低碳钢试件的屈服扭矩Ts和最大扭矩Tb。实验结束后,取下试件,观察试样破坏断口形貌,打印实验结果,关闭软件,关闭电源。铸铁实验步骤：与低碳钢扭转实验步骤相同。铸铁是脆性材料,只需记录铁铸试件的最大扭矩Tb,无需安装扭角测量装置。五、实验记录及数据处理表1.试件尺寸试件直径d〔mm平均直径d0<mm>最小横截面面积〔mm2抗扭截面系数<mm3>截面1截面2截面3低碳钢9.969.9810.009.9878.19195.07铸铁9.909.889.889.8976.73189.65表2.实验记录及数据计算试件低碳钢铸铁实验数据屈服扭矩Ts=39.98N·m最大扭矩Tb=89.68N·m最大扭转Tb=34.05N·m扭转屈服应力：153.73MPa扭转极限应力：344.80MPa剪切强度极限179.5MPa六：实验数据拟合铸铁的扭转破坏实验,扭矩-扭角曲线如下图所示：低碳钢的扭转破坏,扭矩-扭转曲线如下图所示：在弹性范围内进行圆截面试样扭转实验时,扭矩与扭转之间的关系符合扭转变形的胡克定律,试中,为截面的极惯性矩。当试样长度l和极惯性矩Ip均为已知时,只要根据弹性阶段的扭矩-扭角图拟合出新的图形即可得出低碳钢的切变模量G。如图所示：横坐标为ΦIP,纵坐标为TL,即该直线的的斜率78.12GPa即为低碳钢的切变模量。七：实验注意事项推动试验机移动支座时,切记用力过大,以免损坏试样或传感器。低碳钢实验时,在安装扭角测量装置时使卡盘与V形块的两端贴紧,保证卡盘与试样垂直。装夹试件时先要注意调整活动夹头的位置。夹好试样后,由于此时试样已经在受力,注意按保护键,使试样中的初始力为零或接近零。进入软件前请确定试验机电源已经打开。退出软件前请确定试验机电源已经关闭。八：心得体会实验前一定要预先全面了解实验的原理和步骤,以免发生错误或者误差,刚开始我们做实验时没有预先学习,所以导致不知道V形块和卡盘的作用,也不清楚怎么进行实验,所以说预先学习实验非常重要。在装夹试件时一定要对实验设备小心,谨慎的进行操作,防止损坏实验设