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1、1实验 金属材料的扭转实验 一、实验目的1.测定低碳钢（或铝合金）的切变模量G。2.测定铝的规定非比例扭转应力4.观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。3.测定低碳钢的屈服点或上屈服点、下屈服点 和抗扭强度图1-19 扭转试样2二、设备和仪器1.RNJ-500 微机控制电子扭转试验机。1.单片机测控箱2.固定夹具3.活动夹具4.减速箱5.导轨工作平台6.手动调整轮 7.伺服电机 8.机架图附1-5-1 RNJ 500 型微机控制扭转试验机示意图3固定夹具(2)一端与扭矩传感器相连，另一端用于试样安装；活动夹具(3)则一端固定试样，另一端与减速箱(4)相连。试验时，由测控系统（计算机或单片
2、机）发出运行指令，此时伺服电机(7)工作，通过减速箱减速后控制活动夹具转动，达到给试样施加扭矩的目的。另外出于试验机调零和操作灵活的考虑，该试验机提供了手动调节的控制方式。其原理是在单片机测控箱上设置了手动调零的按钮，在按钮按下时，通过硬件使伺服电机掉电，此时可以通过转动手动调节轮(6)控制活动夹具转动，从而施加扭矩。4图附1-5-2 扭转试验机 测量系统组成图试验机测量系统主要由扭矩传感器、小角度扭角仪、光电编码器、单片机系统、计算机、网络打印机等组成，如图1-5-2所示。在试样承受扭矩时，产生扭转变形，标距间的扭转角由小角度扭角仪获得，同时通过光电编码器获取活动夹具的转动角度。这样，单片机
3、系统将相应的扭矩、标距间扭转角以及活动夹具的转动角度信号分别进行放大，并作数字化处理后的结果通过RS-232 传递给计算机系统，计算机系统对接受的数据按用户要求分别绘制出相应的测试曲线，并将最后试验结果输出。52.小扭角传感器。3.游标卡尺。1.试样2.固定夹块3.紧定螺母4.旋转夹块5.标距标尺6.数字百分表图附1-5-4 小角度扭角仪示意图6四、测量原理 材料的切变模量G 是在扭转过程中，线弹性范围内切应力和切应变之比。切变模量G 是计算构件扭转变形的基本参数，可采用逐级加载法或图解法测定。1、测G(逐级加载法)先通过试验机采用手动形式施加初始扭矩T0，然后采用等增量加载，加载五次，第i
4、次加载后扭矩为（a）按照定义：7或采用最小二乘法计算切变模量G。或者：标距间相对扭转角由试验机提供的小角度扭角仪测量获得，记录每级载荷下的扭转角。各级加载过程中的切变模量为：取平均值：82、测G（图解法）通过试验机配备的扭矩传感器以及小角度扭角仪，可自动记录扭矩扭转角（T-）曲线，如图1-20 所示。在所记录的曲线的弹性直线段上，选取扭矩增量和相应的扭转角增量。按下式计算材料的切变弹性模量G式中：为小角度扭角仪的测量标距；为试样截面对圆心的极惯性矩。图1-20 图解法测G93 低碳钢屈服点测定拉伸时有明显屈服现象的金属材料（如低碳钢）在扭转时同样有屈服现象。通常T-曲线有两种类型，见图1-21
5、。扭矩保持恒定而扭转角仍持续增加（曲线出现平台）时的扭矩称为屈服扭矩，记作（图1-21a），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为屈服点，记作图1-21 有明显屈服现象的T-曲线10在屈服阶段，扭矩首次下降前的最大扭矩称为上屈服扭矩，按弹性扭转公式计算所得的切应力称为上屈服点：屈服阶段中的最小扭矩称为下屈服扭矩（不加说明时即指下屈服扭矩），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为下屈服点：11试样在断裂前所承受的最大扭矩，按弹性扭转公式计算得抗扭强度，从自动记录的曲线上读取试样断裂前的最大扭矩，按下式计算抗扭强度：铸铁：低碳钢：图1-24铸铁扭转曲线低碳钢的扭转曲线124 铝合金规定非比例扭转应力测定对
6、于没有明显屈服现象的材料（如铝合金），需要测定扭转比例极限和扭转屈服强度时，按国家标准规定测定“规定非比例扭转应力”，记作试样标距部分表面上的非比例切应变达到规定数值时，按弹性扭转公式计算得到的切应力称为“规定非比例扭转应力”。相应应力附以下标说明非比例切应变规定值。称为扭转屈服强度称为条件扭转比例极限13在自动记录的T-曲线上（见图1-25），延长弹性直线段交 轴于O 点，截取 为小角度扭角仪测量标距，式中：n 为扭转角放大倍数，为规定的非比例切应变，为试样原始直径过C 点作弹性直线段的平行线交曲线于A 点，A 点对应的扭矩即为与非比例切应变规定值 所对应的扭矩，规定非比例扭转应力为：图1-
7、25图解法求规定非比例扭转应力14三、实验步骤1测量试样尺寸在试样的标距两端及其中间处两个相互垂直的方向上各测一次直径，将试样原始尺寸记入表1-10。2试验机准备打开试验机测控箱电源，启动计算机及测试软件，操作软件使测控箱和计算机作数据通讯，根据试验要求，调节试验设置窗口（包括角度传感器、扭转速度的调节）以及扭矩窗口的零点调节，详细请参见附1-5 扭转试验机。加载速度按试验标准选择（屈服前应在6 30/min 范围内，屈服后不大于360）。153 安装试样：注意试样的夹紧和对中。由于试件平面在安装时与夹具平面不完全吻合，可能会使扭矩偏移零点，此时应通过机械调零的方法将扭矩重新归零，同时将角度显
8、示窗口清零。4.安装角度传感器：测定材料的切变模量G，或测定规定非比例扭转应力，应选择小角度传感器。安装过程中应将扭角仪的试验标距调整为50mm，同时将角度显示窗口清零。5 测试5.1 测G(逐级加载法)5.2 测G（图解法）5.3 测规定非比例扭转应力（图解法）5.4 测屈服点及抗扭强度165.1 测G(逐级加载法)试验过程采用手动方式进行。先施加3N.m 的初始扭矩，记下初始角度；然后采用等增量（如=5N.m）分五级加载，记录每次对应的角度值（在对应显示窗口显示）。重复测试三次，获取三组测量数据，记录于表1-9 中。175.2 测G（图解法）1.用于图解法测G 的曲线，T 轴比例应适当，应
9、使曲线的弹性直线段的高度超过扭矩轴量程的以上，并使弹性直线段与扭矩夹角不小于40 度。2.点击测试软件运行窗口，在观察到扭矩进入非弹性阶段时应及时中止试验，保存试验数据。打印试验曲线。3.无论采用逐级加载法或图解法测G，在完成测试后，均应取下小角度扭角仪，然后卸载，将扭矩卸回零点，将试样取出。图1-20图解法测G185.3 测规定非比例扭转应力（图解法,铝合金）1.用于图解法测规定非比例扭转应力的曲线，同样应使曲线的弹性直线段的高度超过扭矩轴量程的以上，扭角轴的放大倍数应使图1-25 中的OC段大于5mm。2.点击测试软样运行窗口，正式测试，直至试件变形开始急剧增加时，停止实验，取下试样。保存实验数据。打印试验曲线。图1-25图解法求规定非比例扭转应力195.4 测屈服点及抗扭强度（低碳钢、铸铁）点击运行按钮，按预先设定的测试程序对试件进行加载，直至试件断裂(铸铁试件)或明显屈服(低碳钢)。保存实验数据。调出试验数据，输出试验报告。在测屈服点及抗扭强度时，应注意观察试样变形及破坏情况。取下试样，观察并分析断口形貌和形成原因。图1-21 有明显屈服现象的T-曲线图1-24 铸铁扭转曲线20请同学们在实验前一定要预习!六、实验结果处理（见书上）七、实验报告要求（见书上）