金屬材料的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

1、金屬材料的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 測(cè)定低碳鋼（或鋁合金）的切變模量G。2. 測(cè)定鋁的規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。3. 測(cè)定低碳鋼的屈服點(diǎn)或上屈服點(diǎn)、下屈服點(diǎn)和抗扭強(qiáng)度。4. 觀察并分析不同材料在扭轉(zhuǎn)時(shí)的變形和破壞現(xiàn)象。二、設(shè)備和儀器1. RNJ-500微機(jī)控制電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。2. 小扭角傳感器3. 游標(biāo)卡尺三、試樣圖2-1 扭轉(zhuǎn)試樣采用直徑10mm、標(biāo)距50毫米的圓形試樣，端部銑成相對(duì)兩平面以便夾持，如圖2-1所示。四、測(cè)試原理和方法測(cè)試原理1切變模量G切變模量G是在扭轉(zhuǎn)線彈性范圍內(nèi)切應(yīng)力和切應(yīng)變之比，是材料的彈性常數(shù)之一?？刹捎弥鸺?jí)加載法或圖解法測(cè)定材料的切變模量G。（1）. 逐級(jí)加載法測(cè)G先通過

2、試驗(yàn)機(jī)采用手動(dòng)形式施加初始扭矩T0，然后采用等增量加載，加載五次，第i次加載后扭矩為： （a）式中：為初扭矩，為每級(jí)扭矩增量。標(biāo)距間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角由試驗(yàn)機(jī)提供的小角度扭角儀測(cè)量獲得，記錄每級(jí)載荷下的扭轉(zhuǎn)角。各級(jí)加載過程中的切變模量為： 取平均值： （2-2）或采用最小二乘法計(jì)算切變模量G。由彈性扭轉(zhuǎn)公式，令 (b)式中：L0為試樣的標(biāo)距，為截面對(duì)圓心的極慣性矩。由最小二乘原理知系數(shù)a為： （c） 因?qū)嶒?yàn)給出的載荷是，測(cè)得的變形是，因此上式中表示，表示，代入上式并與(b)聯(lián)立得 (2-3a )將（a）式代入，上式化為圖2-2 圖解法測(cè)G (2-3b )（2）. 圖解法測(cè)G通過試驗(yàn)機(jī)配備的扭矩傳感器以

3、及小角度扭角儀，可自動(dòng)記錄扭矩扭轉(zhuǎn)角（T-）曲線，如圖2-2所示。在所記錄的曲線的彈性直線段上，選取扭矩增量和相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角增量。按下式計(jì)算材料的切變模量G： （2-4）式中：為小角度扭角儀的測(cè)量標(biāo)距；為試樣截面對(duì)圓心的極慣性矩。2. 屈服點(diǎn)、上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)以及抗扭強(qiáng)度測(cè)定（1）屈服點(diǎn)、上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)（低碳鋼）拉伸時(shí)有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料（如低碳鋼）在扭轉(zhuǎn)時(shí)同樣有屈服現(xiàn)象。通常T-曲線有兩種類型，見圖2-3。扭矩保持恒定而扭轉(zhuǎn)角仍持續(xù)增加（曲線出現(xiàn)平臺(tái)）時(shí)的扭矩稱為屈服扭矩，記作（圖圖2-3 有明顯屈服現(xiàn)象的T-曲線2-3a），按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算所得的切應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，記作，即 （2-

4、5）在屈服階段，扭矩首次下降前的最大扭矩稱為上屈服扭矩，記作（圖2-3b），按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算所得的切應(yīng)力稱為上屈服點(diǎn)，記作，即 (2-6) 屈服階段中的最小扭矩稱為下屈服扭矩（不加說明時(shí)即指下屈服扭矩），記作（圖2-3b），按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算所得的切應(yīng)力稱為下屈服點(diǎn)，記作， 即(2-7)（2）抗扭強(qiáng)度（低碳鋼）（a）低碳鋼試樣斷口形貌(b) 鑄鐵試樣斷口形貌圖2-4試樣斷口試樣在斷裂前所承受的最大扭矩按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算得抗扭強(qiáng)度。從自動(dòng)記錄的曲線上讀取試樣斷裂前的最大扭矩，（圖2-3），按下式計(jì)算抗扭強(qiáng)度： (2-8)在試驗(yàn)過程中，試樣直徑不變，由于低碳鋼抗剪切能力小于其抗拉能力，而橫截面上

5、切應(yīng)力具有最大值，故斷口為平斷口(圖2-4a)。說明：在扭轉(zhuǎn)彈性階段，試樣圓截面上的應(yīng)力沿半徑線性分布。對(duì)試樣緩慢加載，試樣橫截面邊緣處材料首先進(jìn)入屈服，而整個(gè)截面的絕大部分區(qū)域內(nèi)仍處于彈性狀態(tài)(圖2-5a )。此后，由于材料屈服而形成的塑性區(qū)不斷向中心擴(kuò)展，橫截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀的塑性區(qū)（圖 （a） （b） （c）圖2-5低碳鋼圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的切應(yīng)力分布（a）；（b）；（c）2-5b）。當(dāng)橫截面上的應(yīng)力均達(dá)到屈服點(diǎn)后，材料全部進(jìn)入塑性 （圖2-5c）。試驗(yàn)機(jī)測(cè)量出的屈服扭矩實(shí)際上是橫截面上相當(dāng)部分區(qū)域屈服時(shí)的扭矩值，所測(cè)的得的破壞扭矩值也是這樣。因此按前述公式計(jì)算得到的剪切屈服點(diǎn)和

6、抗扭強(qiáng)度均比實(shí)際增大。若按全面屈服考慮（圖2-5c），對(duì)應(yīng)的扭矩為：考慮到材料剛開始進(jìn)入屈服時(shí)的外扭矩值很難精確判定，因此，一般均根據(jù)全面屈服時(shí)測(cè)定的外扭矩值來計(jì)算扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，即： （2-9）上式是在理想彈塑性情況下導(dǎo)出的，因此對(duì)于有較長(zhǎng)屈服階段，或強(qiáng)化現(xiàn)象不明顯的塑性材料比較吻合。對(duì)于塑性較差的材料則有較大誤差。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得試樣在斷裂時(shí)的扭力偶矩，按下式計(jì)算抗扭強(qiáng)度： （2-10）上式是Nadai扭轉(zhuǎn)塑性理論公式中略去了一項(xiàng)后得到的，而略去的這一項(xiàng)不一定是高階小量，因此公式是近似的。（3）抗扭強(qiáng)度(鑄鐵)鑄鐵的扭轉(zhuǎn)曲線有明顯的非線性偏離，變形很小就突然破裂。由于在與桿軸線成45度角的面上，分別

7、受到主應(yīng)力和的作用，而鑄鐵的抗拉能力較抗剪切能力弱，故沿與軸線成45度方向被拉斷，斷裂面呈螺旋面（見圖2-4b）。據(jù)斷裂前的最大扭矩，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算抗扭強(qiáng)度： （2-11）3. 規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 測(cè)定（鋁合金）對(duì)于沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料（如鋁合金），需要測(cè)定扭轉(zhuǎn)比例極限和扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度時(shí)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定“規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力”，記作。試樣標(biāo)距部分表面上的非比例切應(yīng)變達(dá)到規(guī)定數(shù)值時(shí)，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算得到的切應(yīng)力稱為“規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力”。相應(yīng)應(yīng)力附以下標(biāo)說明非比例切應(yīng)變規(guī)定值，如和分別表示規(guī)定的非比例切應(yīng)變?yōu)?.015%和0.3%時(shí)的應(yīng)力。一般把稱為條件扭轉(zhuǎn)比例極限，稱為扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度。之所以

8、將非比例切應(yīng)變規(guī)定為0.015%和0.3%，這是因?yàn)椋簡(jiǎn)蜗蚶鞎r(shí)在與試樣軸線成45度的截面上有最大切應(yīng)力，其值為橫截面上正應(yīng)力的一半，即。由于此時(shí)塑性變形很小，可近似地用胡克定律計(jì)算線應(yīng)變和切應(yīng)變，即， 由此有 ，而，則 式中：為泊松比，它介于0和0.5之間，當(dāng)材料進(jìn)入塑性狀態(tài)以后。由此可得 。為了使拉伸和扭轉(zhuǎn)兩種試驗(yàn)結(jié)果能進(jìn)行比較，將拉伸非比例伸長(zhǎng)率規(guī)定為0.01%圖2- 6圖解法求規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和0.2%，相應(yīng)扭轉(zhuǎn)時(shí)的非比例切應(yīng)變就規(guī)定為0.015%和0.3% 。在自動(dòng)記錄的T-曲線上（見圖2-6），延長(zhǎng)彈性直線段交軸于O點(diǎn)，截取OC=（式中：n為扭轉(zhuǎn)角放大倍數(shù)，為規(guī)定的非比例切應(yīng)變，

9、為小角度扭角儀測(cè)量標(biāo)距，為試樣原始直徑），過C作彈性直線段的平行線交曲線于A點(diǎn)，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的扭矩即為與非比例切應(yīng)變規(guī)定值所對(duì)應(yīng)的扭矩，按下式計(jì)算規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力： （2-12）測(cè)試方法（1）測(cè)G 測(cè)G(逐級(jí)加載法)試驗(yàn)過程采用手動(dòng)方式進(jìn)行。先施加3N.m的初始扭矩，記下初始角度；然后采用等增量（=5N.m）分五級(jí)加載，記錄每次對(duì)應(yīng)的角度值（在對(duì)應(yīng)顯示窗口顯示）。重復(fù)測(cè)試三次，獲取三組測(cè)量數(shù)據(jù)。 表2-1逐級(jí)加載法數(shù)據(jù)處理列表i扭 矩Nm扭轉(zhuǎn)角（度）012345 測(cè)G（圖解法）1. 用于圖解法測(cè)G的曲線，T軸比例應(yīng)適當(dāng)，應(yīng)使曲線的彈性直線段的高度超過扭矩軸量程的以上，并使彈性直線段與扭矩夾角不小

10、于40度。2. 點(diǎn)擊測(cè)試軟件運(yùn)行窗口，在觀察到扭矩進(jìn)入非彈性階段時(shí)應(yīng)及時(shí)中止試驗(yàn)，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。打印試驗(yàn)曲線。無論采用逐級(jí)加載法或圖解法測(cè)G，在完成測(cè)試后，均應(yīng)取下小角度扭角儀，然后卸載，將扭矩卸回零點(diǎn)，將試樣取出。(2) 測(cè)規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（圖解法）1. 用于圖解法測(cè)規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的曲線，同樣應(yīng)使曲線的彈性直線段的高度超過扭矩軸量程的以上，扭角軸的放大倍數(shù)應(yīng)使圖（2-6）中的OC段大于5mm。2. 點(diǎn)擊測(cè)試軟樣運(yùn)行窗口，正式測(cè)試，直至試件變形開始急劇增加時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)，取下試樣。保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。打印試驗(yàn)曲線。(3) 測(cè)屈服點(diǎn)及抗扭強(qiáng)度點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，按預(yù)先設(shè)定的測(cè)試程序?qū)υ嚰M(jìn)行加載，直至試

11、件斷裂。保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在測(cè)屈服點(diǎn)及抗扭強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)注意觀察試樣變形及破壞情況。取下試樣，觀察并分析斷口形貌和形成原因。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1. 試樣原始尺寸記錄及處理參考表2-2進(jìn)行。計(jì)算三處測(cè)量直徑的平均值，取三處直徑平均值中的最小值計(jì)算試樣的抗扭截面系數(shù)，以三處直徑平均值的均值計(jì)算試樣的極慣性矩。2. 采用最小二乘法計(jì)算切變模量G，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理參考表2-1進(jìn)行，按公式 (2-2)計(jì)算切變模量G。或根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，按公式(2-3) 計(jì)算切變模量G（算術(shù)平均值）。注意：扭角儀測(cè)量的是標(biāo)距間的扭轉(zhuǎn)角，而測(cè)試軟件是以度為單位在窗口中反應(yīng)扭轉(zhuǎn)角變化的，因此應(yīng)將度換算成弧度。表2-2 試樣原始尺寸記錄及處理列表材料直徑do（mm）抗扭截面模量（mm3）極慣性矩（mm4）IIIIII12平均12平均12平均低碳鋼鑄 鐵 表2-3 測(cè)定切變模量G試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算列表= （mm4）= (mm) (N·m)(N·m) (度)（弧度）012345/3. 按公式（2-9）和（2-10）分別計(jì)算低碳鋼的剪切屈服極限和剪切強(qiáng)度極限。4. 按公式（2-11）計(jì)算鑄鐵的抗扭強(qiáng)度。5. 按公式（2-12）計(jì)算鋁合金材料的條件扭轉(zhuǎn)比例極限和扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、原始數(shù)據(jù)（包