低碳钢的扭转实验

实验三扭转实验实验项目性质：验证性所涉及课程：材料力学计划学时：2学时【实验目的】1、测定低碳钢的屈服点（剪切屈服极限）τeL、抗扭强度（剪切强度极限）τm。2、测定铸铁的抗扭强度τm。3、观察、比较和分析上述两种典型材料在受到扭转载荷时的变形和破坏形式，并对试件断口进行分析。【实验设备】1.微机控制电子万能试验机一台，型号WDD-LCJ-150；2.游标卡尺；3.记号笔；4.低碳钢（Q235）、铸铁（HT）试件；【实验原理】低碳钢试件在发生扭转变形时，其T－φ曲线如图3所示，类似低碳钢拉伸实验，可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和断裂阶段，相应地有三个强度特征值：剪切比例极限τe、剪切屈服极限τeL和剪切强度极限τm。对应这三个强度特征值的扭矩依次为Te、TeL、Tm。图3低碳钢扭转图在比例极限内，T与φ成线性关系，材料完全处于弹性状态，试件横截面上的剪应力沿半径线性分布。如图4(a)所示，随着T的增大，开始进入屈服阶段，TφOTeTeLTm横截面边缘处的剪应力首先到达剪切屈服极限，而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环塑性区，如图4(b)所示，但中心部分仍然是弹性的，所以T仍可增加，T－φ的关系成为曲线。直到整个截面几乎都是塑性区，如图4(c)所示。(a)(b)(c)图4低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图在T－φ出现屈服平台，示力度盘的指针基本不动或有轻微回摆，由此可读出屈服扭矩TeL，低碳钢扭转的剪切屈服极限值可由下式求出：tsWT43eL式中为试件的抗扭截面系数。屈服阶段过后，进入强化阶段，材料的强化使扭矩又有缓慢的上升，但变形非常明显，试件的纵向画线变成螺旋线，直至扭矩到达极限扭矩值Tm进入断裂阶段，试件被剪断，由示力度盘的从动针可读出，则低碳钢扭转的剪切强度极限τm可同下式求出：tmWT43m2．铸铁扭转实验：铸铁在扭转实验时，变形很小就突然断裂，其T－φ曲线如图2－10所示。图4铸铁扭转图从开始受扭，直到破坏，近似为一直线。没有屈服阶段和强化阶段，唯一的s3td16WττmτeLTOφTm强度特征值是剪切强度极限τm可按线弹性公式计算求出，即：tmWTm3．试件的破坏现象分析：试件受扭，材料处于纯剪切应力状态，在试件的横截面上作用有剪应力，同时在与轴线成±45°的斜截面上，会出现与剪应力等值的主拉应力和主压应力，如图2－11(a)所示。(a)(b)(c)图5纯剪应力状态与扭转断口示意图低碳钢的抗剪能力比抗拉和抗压能力差，试件将会从最外层开始，沿横截面发生剪断破坏，如图5(b)所示，而铸铁的抗拉能力比抗剪和抗压能力差，则试件将会在与杆轴成45°的螺旋面上发生拉断破坏，如图5(c)所示。【实验步骤及内容】（1）试件准备：在试件上划出长度为L0的标距线（默认值为100mm），在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d0。（2）试验机准备：按试验机计算机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运行配套软件。（3）安装夹具：根据试件情况准备好夹具，并安装在夹具座上。若夹具已安装好，对夹具进行检查。（4）夹持试件：先将试件夹持在下夹头上，点击软件初始试验消除试件自重后再夹持试件的另一端。（5）开始实验：点击软件界面工具菜单，选择试验为扭转试验，在弹出窗口设置低碳钢标距、直径、横截面积等参数；按启动命令按钮，开始扭转，扭转速12τ45°45°σ2σ1度在试件屈服前控制在（60--300）/min范围内，屈服后的扭转速度不大于3600/min。（6）记录数据：记下试验中试样屈服时的扭矩TeL和破坏时的最大扭矩Tm，试件拉断后，取下试件，试验结束。【实验数据记录及处理】试件材料低碳钢实验前截面直径mmd/0测量部位上中下121212测量数值平均值0d截面面积20/mmS标距长度mmL/0屈服扭矩MkNTeL/铸铁拉伸扭转屈服极限kNeL/无最大扭矩MkNTm/扭转强度极限kNs/【实验结论】1.利用MATLAB软件绘制低碳钢、铸铁扭转曲线图，并打印。2.分析低碳钢、铸铁扭转断口特点与形状，拍照并打印。3.提交实验报告。【思考问题】1、低碳钢拉伸和扭转的断口形状是否一样？分析其破坏原因。2、铸铁在受压和受扭时，其断口都在与试样轴线约成45。方向。问铸铁在分别承受上述两种载荷时的破坏原因是否相同？3、根据拉伸、压缩、扭转三种试验结果，综合分析低碳钢和铸铁这两种典型材料的力学性能。