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1、低碳钢和铸铁的扭转破坏实验机械技术基础实验中心第1页，共13页，编辑于2022年，星期四机械技术基础实验中心实验目的v观察并比较低碳钢及铸铁材料扭转破坏的情况 v测定低碳钢的抗剪屈服强度 及抗剪强度 v测定铸铁的抗剪强度 v比较低碳钢与铸铁的抗扭性能 第2页，共13页，编辑于2022年，星期四机械技术基础实验中心实验设备vK-50、NJ-100B型扭转试验机 v游标卡尺 第3页，共13页，编辑于2022年，星期四机械技术基础实验中心实验内容v对低碳钢进行扭转破坏，观察低碳钢扭转的现象，分析断裂的原因 v对铸铁进行扭转破坏，观察铸铁扭转的现象，分析断裂的原因 第4页，共13页，编辑于2022年，
2、星期四机械技术基础实验中心实验原理 圆轴受扭矩时，材料完全处于纯切应力状态，所以通常用扭转实验来研究不同材料在纯切作用下的力学性能。图 1.9 低碳钢转角扭矩曲线 第5页，共13页，编辑于2022年，星期四机械技术基础实验中心v低碳钢试样的扭转 低碳钢试样受到扭转的整个过程中，扭转试验机上的自动绘图器记录出的 关系曲线，如图1.9所示。当扭矩在比例扭矩 以内，材料完全处于弹性状态，OA段为一直线，所以 与 成正比关系变化，试样横截面上的剪应力分布如图1.10(a)所示。当扭矩增大到 时试样横截面周边上的切应力(最大切应力)为材料的比例强度 ，如图1.10(b)所示。当扭矩超过 后，试样横截面上
3、的切应力分布发生了变化，首先是在截面周边处的材料发生了屈服(即流动)，周边形成环形塑性区，此区内的切应力达到抗剪屈服强度 ，切应力分布图如图1.10(c)所示。随着扭矩继续增大，塑性区不断向内扩展，塑性区的切应力达到后就不再增大，如图1.10(c)所示，曲线稍微上升，到B点后至 点趋于水平，即材料完全达到屈服，扭矩不再增加，这时扭矩表盘(即测力表盘)上的指针出现暂时停顿，B点对应的扭矩即为屈服扭矩 ，此时塑性区已扩展到整个截面，横截面上的切应力分布如图1.10(d)，即当 达到 时，横截面上各点的剪应力大小均相同，且都为 ，所以由图1.10(e)得：第6页，共13页，编辑于2022年，星期四机
4、械技术基础实验中心式中：图1.10 试样剪应力分布第7页，共13页，编辑于2022年，星期四机械技术基础实验中心 过了屈服阶段以后，由于材料的强化，又恢复了承载能力，但扭矩增加很小，而变形(扭转角 )增长很快，段近似一根直线，到达C点时，试样被切断，此时扭矩表盘上的从动指针指示材料破坏时的最大扭矩 ，横截面上各点的切应力仍大小均相同，且都为 ，其分布与图1.10(d)相似，所以 。第8页，共13页，编辑于2022年，星期四机械技术基础实验中心v铸铁试样的扭转 铸铁试样从开始受扭转直到被破坏，其 关系曲线近似为一条直线，如图1.11(a)所示。从图中可看出铸铁试样受扭转过程中变形（扭转角 ）较小
5、，且无屈服现象。试样破坏后记录其最大扭矩 ，横截面上的切应力分布如图1.11（b）所示，所以材料的抗剪强度 应按下式计算：图1.11 铸铁转角扭矩及应力分布曲线 第9页，共13页，编辑于2022年，星期四机械技术基础实验中心v低碳钢、铸铁扭转破坏断面形状及形成原因 由理论分析可知，被扭转的圆轴材料处于平面应力状态，沿纵、横截面上产生切应力，而与轴线成45度角的斜截面上则只产生正应力。低碳钢的抗拉能力比抗剪能力强，故从横截面切断，如图1.12(a)所示。而铸铁的抗拉能力较抗剪能力弱，故沿45度的方向拉断，如图1.12(b)所示。（a）低碳钢 （b）铸铁 图1.12低碳钢、铸铁扭转破坏断面形状第1
6、0页，共13页，编辑于2022年，星期四机械技术基础实验中心实验步骤 v沿试样轴向等间距测量三处的直径d，每处相隔90度各测一次并求平均值，以最小平均直径作为计算直径。v选择测力表盘刻度(选择量程)，并挂上相应的摆锤，将指针对准“零”点。v试样一端的头部完全置于固定夹头中并夹紧，然后调整活动夹头的位置，使试样另一端的头部完全置于其中并夹紧。注意，扭转过程中试样不能发生打滑。缓慢加载到700N，切忌不要超过800Nv在试样的表面上用有色笔画一轴向直线，以便观察变形及破坏情况。v将绘图纸安置在自动绘图器的圆筒上，并将扭转角指示器调整到0圈及0度。退出滑动轴承测试软件，卸掉轴承上施加的外载荷，关闭实
7、验台电源 v为了便于观察和记录数据，建议：v加载之前一定要将扳紧手柄取下，以免扳紧手柄甩出发生人伤事故。v对低碳钢试样，加载时要缓慢、连续、均匀，不得停顿。当测力表盘上的指针出现停顿时，记录屈服扭矩 ，直到试样剪断，立即停车，记录最大扭矩 。v对铸铁试样，直接加载到试样破坏为止，记录最大扭矩 。v观察低碳钢、铸铁试样扭转破坏现象，并画出断口形状草图。第11页，共13页，编辑于2022年，星期四机械技术基础实验中心实验结果的处理v按计算直径d(最小平均直径)计算抗扭截面模量（），并将计算结果填人表格中；v根据低碳钢试样的屈服扭矩计算其抗剪屈服强度 v根据低碳钢试样的最大扭矩 计算其抗剪强度 v根据铸铁试样的最大扭矩 计算其抗剪强度 第12页，共13页，编辑于2022年，星期四机械技术基础实验中心思考题v根据低碳钢和铸铁的拉伸、压缩和扭转三种实验结果，分析总结两种材料的力学性能。v低碳钢与铸铁试样扭转破坏的情况有什么不同？为什么？v扭转试样上的标距刻线在扭转后发生了哪些变化？说明什么原理？第13页，共13页，编辑于2022年，星期四