实验三_低碳钢、铸铁扭转试验
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实验三低碳钢、铸铁扭转试验
一、实验目的
1.测定铸铁的扭转强度极限τm
2.测定低碳钢材料的扭转屈服极限τeL及扭转条件强度极限τm。
3.观察比较两种材料的扭转变形过程中的各种现象及其破坏形式,并对试件断口进行分析。
二、实验原理
扭转破坏试验是材料力学实验最基本最典型的实验之一。将试件两端夹持在扭转试验机夹头中。试验时,一个夹头固定不动,另一夹头绕轴转动,从而使试件产生扭转变形,同时,试件承受了扭矩M n。
从试验机可读得相应的扭矩M n和扭转角υ,试验机可自动绘出M n-υ曲线图。
对于低碳钢材料M n-υ曲线有两种类型,如图3-1所示。
M
M M m
M
图3-1 低碳钢M-υ曲线
(a) (b) (c)
图3-2 低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图
低碳钢试件在受扭的最初阶段,扭矩M n与扭转角υ成正比关系,横截面上剪应力沿半径线性分布如图3-2a所示。随着扭矩M n的增大,横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限
s
τ且塑性区逐渐向圆心扩展,形成环形塑性区见图3-2b 。但中心部分仍是弹性的。试件继续变形,屈服从试件表层向心部扩展直到整个截面几乎都是塑性区如图3-2C所示。在M-υ曲线上出现屈服平台见图3-1。试验机指针基本不动此时对应的扭矩即为屈服扭矩M eL。随后,材料进入强化阶段,变形增加,扭矩随之增加,直到试件破坏为止。因扭转无颈缩现象。所以,扭转曲线一直上升而无下降情况,试件破坏时的扭矩即为最大扭矩M m。扭转屈服极限τm按下式计算,即
3
,
4
eL
eL
p
M
W
τ=
3
4
m
m
p
M
W
τ=(3-1)
M
m
式中316d W p π
=为试件抗扭截面模量。
铸铁受扭时,在很小的变形下发生破坏。图3-3为铸铁材料的扭转图。从扭转开始直到破坏为止,扭矩M n 与扭转角近似成正比关系,且变形很小。试件破坏时的扭矩即为最大扭矩M m ,可据下式计算出扭转强度极限τm ,即 p
b b W W =τ (3-2) 试件受扭,材料处于纯剪应力状态如图3-4所示。在与杆轴成±45°角的螺旋面上,分别受到主应为σ1=τ,σ3=-τ的作用。
M n
M m
图3-3 铸铁扭转图 图3-4 纯剪应力状态
根据试件扭转破坏断口形式如图3-5所示。低碳钢圆形试件的破坏断面与曲线垂直 见图3-5a ,显然是沿最大剪应力的作用面发生断裂,为剪应力作用而剪断。故低碳钢材料的抗剪能力低于抗拉(压)能力;铸铁圆形试件破坏断面与轴线成45°螺旋面 见图3-5b ,破坏断口垂直于最大拉应σ1方向,断面呈晶粒状,这是正应力作用下形成脆性断口,故铸铁材料是当最大拉应力首先达到其抗拉强度极限时,在该截面发生拉断破坏。
( a )低碳钢:剪断 ( b )铸铁:拉断
图3-5 扭转断口示意图
三、实验设备
扭转试验机;刻度机;游标卡尺
四、试样制备
根据国家标准(GB10128-88《金属室温扭转试验方法》规定,扭转试件可采用圆形截面,也可采用薄壁管,并且推荐,对于圆形截面试件,采用直径d 0=10mm ,标距L 0=50mm 或100mm ,平行段长度L=L 0+2d 0。本试验采用圆形截面试件。
五、实验结果整理
1.将试验数据以表格形式给出
2.低碳钢的屈服极限τeL 及扭转条件强度极限τm 按下式计算: ,eL eL p M W τ= m m p
M W τ= (3-3) 铸铁的强度计算 m m p
M W τ= 316d W p π= (3-4) 绘制低碳钢、铸铁试件的扭转图及断口示意图,并分析破坏原因。
四、试验步骤
(1)测量试件直径。量取三个截面,每个截面测量两个互相垂直的方向取平均值。用三处截面中平均值最小者计算抗扭截面模量W P 。
(2)试验机准备。根据试件尺寸,估计所需最大扭矩,选择适当的扭矩量程。
(3)安装试件(注意试件的纵轴线与试验机夹头的轴线重合),用粉笔在试件表面上画一条纵直线,以便观察试件的变形。
(4)扭矩、扭转角初值调零。
(5)开机试验。对于低碳钢试样,首先缓慢均匀加载,直到测出屈服扭矩和屈服扭转角,然后改用快速加载直至破坏。对于铸铁试样,由于其变形较小,必须缓慢均匀加载直至破坏。试样破坏后立即停机,读出最大扭矩及转角(
应为破坏瞬时的角度)。
(6)取下试件,观察断口形状及塑性变形情况。
(7)实验完毕,试验机复原,关闭电源。 五、实验结果的处理
(1)计算低碳钢扭转屈服极限
(2)计算低碳钢扭转强度极限
(3)计算铸铁扭转强度极限
式中为抗扭截面模量,单位为mm3;扭矩单位为N²m,应力单位为MPa。(4)绘出两种材料扭转破坏的断口形状图。说明其特征并分析破坏原因。
3.