金属材料的扭转实验

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CONTENTS01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：min720~1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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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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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AssdAM将式中dA用环状面积元素2d来表示，则有/22423dssspoMdW故剪切屈服极限：试件的抗扭截面模量：pssWM43163dWp（1）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：34bbpMW（2）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）pbbWM（3）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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——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——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——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——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——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。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——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。02低碳钢材料G值的测定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：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=150mm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G由此可得出圆轴受扭时的虎克定律表达式：0npMLGI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。0npMLGI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。in平R平n00432pMLLLRPGId平当测量杆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：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