1、低碳钢和铸铁的扭转破坏实验机械技术基础实验中心机械工程基础实验之低碳钢和铸铁的扭转破坏实验实验目的观察并比较低碳钢及铸铁材料扭转破坏的情况 测定低碳钢的抗剪屈服强度 及抗剪强度 测定铸铁的抗剪强度 比较低碳钢与铸铁的抗扭性能 实验设备K-50,NJ-100B 型扭转试验机 游标卡尺 实验内容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 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 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 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
2、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,
3、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:式中:图 1.10 试样剪应力分布过了屈服阶段以后,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
4、,所以 . 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,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 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
5、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实验步骤 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. 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. 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 800N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. 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
6、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,关闭实验台电源 为了便于观察和记录数据,建议: 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. 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 .对铸铁试样,直接加载到试样破坏为止,记录最大扭矩 .观察低碳钢,铸铁试样扭转破坏现象,并画出断口形状草图. 实验结果的处理按计算直径 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;根据低碳钢试样的屈服扭矩计算其抗剪屈服强度 根据低碳钢试样的最大扭矩 计算其抗剪强度 根据铸铁
7、试样的最大扭矩 计算其抗剪强度 思考题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. 低碳钢与铸铁试样扭转破坏的情况有什么不同 为什么 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 低碳钢铸铁力学性能比较1低碳钢：低碳钢为塑性材料.开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段。相反地，图形逐渐向上弯曲。这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，因而承受的载荷也随之增大。从实验我们知道，低碳钢试件可以被压成极簿的平板而一般不破坏。因此，其强度极限一般是不能确定的。我们只能确定的是压缩的屈服极限应力。2铸铁：铸铁为脆性材料，其压缩图在开始时接近于直线，与纵轴之夹角很小，以后曲率逐渐增大，最后至破坏，因此只确定其强度极限。bc Fbc/S铸铁试件受压力作用而缩短，表明有很少的塑性变形的存在。当载荷达到最大值时，试件即破坏，并在其表面上出现了倾斜的裂缝（裂缝一般大致在与横截面成 45的平面上发生）铸铁受压后的破坏是突然发生的，这是脆性材料的特征。从试验结果与以前的拉伸试验结果作一比较，可以看出，铸铁承受压缩的能力远远大于承受拉伸的能力。抗压强度远远超过抗拉强度，这是脆性材料的一般属性。
