低碳钢和铸铁的扭转实验

实验一：
低碳钢和灰口铸铁的拉伸、压缩实验
一、实验目的
1．试样在拉伸或压缩实验过程中，观察试样受力和变形两者间的相互关系，并注意观察材料的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。

2．测定该试样所代表材料的σs、σb、ψ、δ等值。

3．对典型的塑性材料和脆性材料进行受力变形现象比较，对其强度指标和塑性指标进行比较。

4．学习、掌握微机控制电液伺服万能试验机的使用方法及其工作原理。

二、仪器设备和量具
微机控制电液伺服万能试验机，材料试验机，数显压力实验机，游标卡尺。

三、低碳钢的拉伸和压缩实验
1．低碳钢的拉伸实验
在拉伸实验前，测定低碳钢试件的直径d和标距L。

试件受拉伸过程中，观察屈服（流动）、强化、颈缩、断裂等现象；绘制p——ΔL曲线如图2—1（a）所示；记录试件的屈服抗力P s和最大抗力P b。

试件断裂后，测量断口处的最小直径d1和标距间的距离L1。

依据测得的实验数据，计算低碳钢材料的强度指标和塑性指标。

图2—1 低碳钢拉伸图及压缩图
强度指标：
屈服极限
4
,2
d A A
P s s πσ=
=中中
强度极限
A
P b b =
σ
塑性指标：
延伸率
%1001⨯-=
L
L
L δ
断面收缩率
%
1002
2
12⨯-=
d
d d ψ
2．低碳钢的压缩实验
实验前，测量试件的直径d 和高度h 。

实验时，观察低碳钢试件压缩过程中
的现象，绘出P —ΔL 曲线，测定试件屈服时的抗力P s ，从而计算出低碳钢的屈
服极限：
A
P s
s =
σ
四、灰口铸铁的压缩实验
实验前测定试件的直径d 和高度h 。

实验时观察灰口铸铁试件在压缩过程中
的现象，尤其是断口形状；绘出P ——ΔL 曲线如图2—2（b ）所示；记录压缩破
坏时的最大抗力P b ，计算灰口铸铁压缩强度极限。

即
A
P b
b =
σ图2—2 灰口铸铁压缩图
五、实验操作
1．准备工作
（1）打开试验机总电源，打开电脑。

（2）测量拉伸试样的标距长度L和直径d，测量低碳钢压缩试样的长度H
和直径d，作好原始数据的记录。

2．安装试件
将试件夹持于材料试验机的上夹头中，为了夹持方便可用向下或向上运
行调节下夹头的位置，使下拉伸夹头能夹住试件时立即停机。

将横梁速度转到2mm/min挡，然后把试件夹持于下夹头中（此时试件可能已受到了夹紧过程中少量的轴力，故不要再调整仪器荷载的零点）。

3．打开液压泵和控制器电源，运行测试软件，新建实验数据。

4．对显示数据清零，点击“实验”，打开控制单元，选择“速度控制”，控制速度以5mm/min为宜（在2～10 mm/min速度范围内可任意选择），开始实验。

5．加载试验
注意观察实验过程中的试件变形情况和“力-位移”曲线的变化情况。

在此实验中注意弹性范围和屈服现象，记下屈服时的荷载。

屈服段之后，可提高加载速度，按下5mm/min键或按下10mm/min。

注意观察材料的强化和颈缩现象，记录荷载极限值。

6．仪器复原
实验完后要使仪器复原，关闭实验机控制器，关闭油泵电源，关闭测试软件，整个实验结束后关闭总电源。

7．普通材料实验机操作步骤
（1）测量试件原始尺寸（直径和标距）
（2）安装试件，贴记录纸，安装记录笔
（3）刻度盘调零，加载（静载）
（4）记录屈服时的拉力（F1）
（5）继续加载，直至出现明显的局部变形后断裂，记录最大拉力（F2）
（6）拆下试件和记录纸，测量断裂后最小截面尺寸和断后标距
8．低碳钢压缩实验
其操作步骤与拉伸时基本相同，不同之处有：
（1）试件放于下压头的中心处，转动上压头手轮，使上压头逐渐接近试样。

但不能接触试样。

（2）输入原始数据（直径），关闭回油阀，按下“试验”按钮，清零。

（3）按“启动”按钮，缓慢打来进油阀（注意控制加载速率），使上压头接触试样，控制进油阀开度，使加荷速率控制在8N/s以内。

（4）试样不会断裂，当压力达到500左右，即可停止实验，记录最大压力。

（5）打开回油阀，取出试件，关闭试验机电源。

9．铸铁压缩实验
操作步骤与低碳钢压缩相同，不同的是试件破断后停机。

六、预习思考题
1．低碳钢试样拉伸断裂时的载荷比最大载荷P b小，按公式σ=P/A0计算，断裂时的应力比σb小，为什么应力减小后反而断裂。

2．压缩时为什么必须将试件对准试验机压头的中心位置，如没有对中会产生什么影响？
3．说明压缩过程中铸铁和低碳钢变形特点和破坏情况。

实验二
扭转试验
一、试验目的
1、测定低碳钢的剪切屈服极限τs 。

和剪切强度极限近似值τb 。

2、测定铸铁的剪切强度极限τb 。

3、观察并分析两种材料在扭转时的变形和破坏现象。

二、设备和仪器
1、材料扭转试验机
2、游标卡尺
三、试验原理
1、低碳钢试样
对试样缓慢加载，试验机的绘图装置自动绘制出T-φ曲线（见图1）。

最初材料
处于
图1 低碳钢是扭转试验
弹性状态，截面上应力线性分布，T-φ图直线上升。

到A 点，试样横截面边缘处
剪应力达到剪切屈服极限τs 。

以后，由屈服产生的塑性区不断向中心扩展，T-φ
图呈曲线上升。

至B 点，曲线趋于平坦，这时载荷度盘指针停止不动或摆动。

这
学旨，敢于1天。

子成员、专
样断裂。

在试验全过程中，试样直径不变。

断口是横截面（见图2a ），这是由于
低碳钢抗剪能力小于抗拉能力，而横截面上剪应力最大之故。

图2 低碳钢和铸铁的扭转端口形状
据屈服扭矩 （2-1）p
s
W T 43s =
τ按式2-1可计算出剪切屈服极限τs 。

据最大扭矩T b 可得： （2-2）p
b
b W T 43=
τ按式2-2可计算出剪切强度极限近似值τb 。

说明：（1）公式（2-1）是假定横截面上剪应力均达到τs 后推导出来的。

公式
（2-2）形式上与公式（2-1）虽然完全相同，但它是将由塑性理论推导出的Nadai
公式略去了一项后得到的，而略去的这一项不一定是高阶小量，所以是近似的。

（2）国标GB10128-88规定τs 和τb 均按弹性扭转公式计算，这样得到的结果可以
用来比较不同材料的扭转性能，但与实际应力不符。

II 、铸铁试样
铸铁的曲线如图3所示。

呈曲线形状，变形很小就突然破裂，有爆裂声。

断裂面
论牢固词，交学
粗糙，是与轴线约成45°角的螺旋面（见图1-3-2b ）。

这是由于铸铁抗拉能力小
于抗剪能力，而这面上拉应力最大之故。

据断裂前的最大扭矩T b 按弹性扭转公式
1-3-3可计算抗扭强度τb 。

图3 铸铁扭转曲线图
四、试验步骤
1、测量试样尺寸
以最小横截面直径计算截面系数（抗扭截面模量）W p 。

2、试验机准备
刻度盘指针调零指针调零，安装绘图记录纸，安装记录笔。

3、安装试样，用粉笔在试样上画一母线，用以观察试样变形情况。

4、测试
对低碳钢试样，起先缓慢加载，注意观察绘图和载荷指针转动情况。

待记录
下屈服扭矩T s 后改用快速加载，直至断裂记录下最大扭矩T s 。

对铸铁试样，慢速加载，注意观察绘图、载荷指针转动和试样变形情况直到
试样断裂，记录下最大扭矩T b 。

5、取下试样，观察并分析断口形貌和形成原因。

6、试验机回复原状，清理现场。

五、思考题
1、根据低碳钢和铸铁试样扭转破坏的情况分析破坏原因。

员意级以“三严实五。