1、材料力學(xué)實驗報告-彎曲扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)實驗一、實驗?zāi)康膶W(xué)習(xí)扭轉(zhuǎn)實驗機(jī)的構(gòu)造原理，并進(jìn)行操作練習(xí)。測定低碳鋼的剪切屈服極限百、剪切強(qiáng)度極限召和鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限石。觀察低碳鋼和鑄鐵在扭轉(zhuǎn)過程中的變形和破壞情況。二、實驗儀器扭轉(zhuǎn)實驗機(jī)，游標(biāo)卡尺。三、實驗原理塑性材料和脆性材料在扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能。(參考材料力學(xué)課本及其它相關(guān) 書籍)四、實驗步驟低碳鋼實驗量取試件直徑。在試件上選取3個位置，每個位置互相垂直地測量2次直 徑，取其平均值；然后從3個位置的平均直徑值中取最小值作為試件的直徑。將扭轉(zhuǎn)實驗機(jī)刻度盤的從動針調(diào)至靠近主動針。主動針的調(diào)零方式為自動 調(diào)整，如果主動針不在零位，應(yīng)通知老師，由老師進(jìn)行調(diào)整。絕對

2、不能用調(diào)從動 針的方法，將兩針調(diào)至零位。把試件安裝在扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)的夾頭內(nèi)，并將螺絲擰緊(勿太用力)。安裝時， 一定要注意主動夾頭的夾塊要保持水平(固定夾頭的夾塊總是水平的)，以避免 引起初始扭矩。如果已經(jīng)出現(xiàn)小量的初始扭矩，只要不超過5N*m，可以開始加 載。另外，試件在水平面和垂直面上不能歪斜，否則加載后試件將發(fā)生扭曲。打開繪圖記錄器的開關(guān)；將調(diào)速旋鈕置于低速位置。開始用0類“網(wǎng) 檔 慢速加載，每增加5N*m的扭矩，記錄下相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。實驗過程中，注意觀 察試件的變形情況和甄頊圖，當(dāng)材料發(fā)生流動時，記錄流動時的扭矩值踱和 相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。另外，注意記錄扭矩剛開始下降時的扭矩值和相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度

3、。 扭矩值估讀到0.1N*m。流動以后，繼續(xù)加載，試件進(jìn)入強(qiáng)化階段，關(guān)閉記錄器后，將電機(jī)速度選 擇在0360n/mffi檔，加快加載速度。這時由于變形速度較快，可每增加180 度取一次扭轉(zhuǎn)角度。直至試件扭斷為止，記下斷裂時的扭矩值羽七注意觀察斷 口的形狀。注意，試件扭斷后應(yīng)立即停止加載，以便記錄斷裂時的扭轉(zhuǎn)角度。鑄鐵實驗操作步驟與低碳鋼相同。因鑄鐵在變形很小時就破壞，所以只能用 E&E 檔慢速加載。每增加5N*m的扭矩，記錄下相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。注意觀 察鑄鐵試件在扭轉(zhuǎn)過程中的變形及破壞情況，并記錄試件扭斷時的極限扭矩值 羽和相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。注意，試件扭斷后應(yīng)立即停止加載，以便記錄斷裂時的 扭轉(zhuǎn)角

4、度。五、實驗記錄試件低碳鋼鑄鐵直徑(第1次)0.9720.9700.9900.986直徑(第2次)0.9720.9740.9860.988直徑(第3次)0.9700.9720.9920.996流動荷載也 j 42.5 N - m無破壞荷載甄=98 N - m吼=67.5 N - m形 狀圓形螺旋狀注：低碳鋼的剪切流動極限及強(qiáng)度極限的計算公式中應(yīng)該乘一系數(shù)3/4。原因 是這樣：圓軸扭轉(zhuǎn)在彈性變形范圍內(nèi)剪應(yīng)力分布如參考圖(a)所示，對于塑性材料，當(dāng)扭矩增大到一定數(shù)值后，試件表面應(yīng)力首先達(dá)到流動極限百，并逐漸向內(nèi) 擴(kuò)展，形成環(huán)形塑性區(qū)，如參考圖(b)所示。若扭矩逐漸增大，塑性區(qū)也不斷擴(kuò) 大。當(dāng)扭矩達(dá)

5、到過時，橫截面上的剪應(yīng)力大小近似為百，如參考圖(c)所示，在3虬習(xí)=-x這種剪應(yīng)力分布形式下，剪應(yīng)力公式為勺吧。試件繼續(xù)變形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化，當(dāng)試件扭斷時，假設(shè)整個截面的剪應(yīng)力都 達(dá)到包此時最大扭矩為虬，因此剪切強(qiáng)度極限和流動極限一樣，近似地寫為3君=一乂。由于鑄鐵是脆性材料，應(yīng)力在截面上從開始受力直至破壞都保持線性分布， 當(dāng)邊緣上的剪應(yīng)力達(dá)到4時。此時最大扭矩為M&，故仍用彈性階段的應(yīng)力公式 計算強(qiáng)度極限。預(yù)習(xí)思考題1）分析試件在扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下各點的主應(yīng)力大小和方向。答:扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下，橫街面上主應(yīng)力大小從圓心向外線性增大，在半徑處達(dá)到最大， 方向垂直于半徑和扭轉(zhuǎn)力矩方向相同。2）低碳鋼屈服極限和強(qiáng)

6、度極限的計算公式中為什么會出現(xiàn)3/4?請分析并推導(dǎo) 計算公式。答：圓軸扭轉(zhuǎn)在彈性變形范圍內(nèi)剪應(yīng)力分布為線性分布，對于塑性材料，當(dāng)扭矩 增大到一定數(shù)值后，試件表面應(yīng)力首先達(dá)到流動極限二，并逐漸向內(nèi)擴(kuò)展，形成 環(huán)形塑性區(qū)，若扭矩逐漸增大，塑性區(qū)也不斷擴(kuò)大。當(dāng)扭矩達(dá)到Ms時，橫截面3 M上的剪應(yīng)力大小近似為二，在這種剪應(yīng)力分布形式下，剪應(yīng)力公式為=3xW p由于鑄鐵是脆性材料，應(yīng)力在截面上從開始受力直至破壞都保持線性分布，當(dāng)邊 緣的剪應(yīng)力達(dá)到二時，最大扭矩為Mb，故仍用彈性階段的應(yīng)力公式計算強(qiáng)度極 限。3）為什么扭轉(zhuǎn)試件兩端較粗，中間較細(xì)？中間和兩端采用光滑曲線過渡，而不是 直角連接答：這樣便于試件

7、的安裝，中間和兩端采用光滑曲線過渡是為了防止應(yīng)力集中而 產(chǎn)生扭斷。4）如果扭轉(zhuǎn)試件是屈服失效，請用最大剪應(yīng)力理論分析一下試件可能的斷口形狀。答：最大剪應(yīng)力應(yīng)是與試件端面平行，如果是屈服失效，則斷口形狀應(yīng)是平面。5）如果扭轉(zhuǎn)試件是斷裂失效，請用最大拉應(yīng)力理論分析一下試件可能的斷口形狀。答：根據(jù)最大拉應(yīng)力理論，如果試件是斷裂失效，則會出現(xiàn)a=45。時，拉應(yīng)力 最大，這時斷口形狀應(yīng)是45。的斜面。6）什么是塑性材料？什么是脆性材料？（如果在你做的其它實驗中也有此題，回 答一次即可）答：伸長率55%的材料稱為塑性材料，6V5%的材料稱為脆性材料。分析思考題1）扭轉(zhuǎn)實驗中你是怎樣測量試件直徑的？為什么采

8、用這種方法？你有其它方法 測量直徑嗎？你的依據(jù)是什么？答：取三個不同的位置，每個位置相互垂直測兩次，為了減少材料在加工過程中 使試件不規(guī)則而引起的誤差。2）扭轉(zhuǎn)實驗對試件的放置有什么要求？為什么？答：主動夾保持平衡，是為了避免引起初始扭矩。3）夾緊試件后，如果讀數(shù)盤的主動針偏離了零位，這是什么原因造成的？對實 驗結(jié)果有什么影響？應(yīng)該怎樣解決？答：夾塊沒有保持水平位置，影響實驗所測得數(shù)據(jù)。重新調(diào)整試件的位置。4）兩種扭轉(zhuǎn)試件的斷口形狀分別是什么樣的？怎樣解釋這種結(jié)果？答：低碳鋼為平面，鑄鐵為螺旋曲面。5）通過實驗?zāi)阌X得低碳鋼的塑性性能如何？你的依據(jù)是什么？鑄鐵呢？答：通過實驗我們知道低碳鋼的可塑

9、性比鑄鐵好，因為強(qiáng)度極限比較大；鑄鐵可 塑性比較差，易斷裂。6）在拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)三個試驗中，你已經(jīng)做了那些實驗？請通過這些實驗， 總結(jié)一下低碳鋼的抗拉、抗壓、抗扭強(qiáng)度的大小關(guān)系。同樣地，請總結(jié)一下鑄鐵 的抗拉、抗壓、抗扭強(qiáng)度的大小關(guān)系。拉伸，壓縮實驗，扭轉(zhuǎn)。由實驗數(shù)據(jù)可以得出，對于低碳鋼，其抗扭強(qiáng)度小于抗 拉強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度;對于鑄鐵，其抗扭強(qiáng)度小于抗拉強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度。7）結(jié)合你已經(jīng)做過的實驗（拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)），請對比低碳鋼和鑄鐵的抗拉、 抗壓、抗扭強(qiáng)度的大小關(guān)系。舉例說明其使用范圍。低碳鋼屬于塑性材料，在工程中有著廣泛的應(yīng)用。大多不經(jīng)熱處理用于工程結(jié)構(gòu) 件，有的經(jīng)滲碳和其他熱處理用于要

10、求耐磨的機(jī)械零件。鑄鐵屬于脆性材料，其抗拉強(qiáng)度低，塑性性能差，但抗壓能力強(qiáng)，價格低廉的特 點凸顯了其作為抗壓構(gòu)建材料的優(yōu)越性。廣泛應(yīng)用與鑄造機(jī)床床身、機(jī)座、缸體 及軸承等受壓零部件。8）結(jié)合你已經(jīng)做過的實驗（拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)），請分析低碳鋼的荷載-位移曲線 有什么共同點？低碳鋼在拉伸和壓縮、扭轉(zhuǎn)過程中都經(jīng)歷屈服點，并且在圖像上都有一段荷載基 本不變（小范圍的波動）的階段。并且經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，壓縮時的彈性模量和 屈服極限6 s都與拉伸時大致相同。9）對于本次實驗，你的體會是什么？你有什么建議嗎？答：這次試驗做完后，我對鑄鐵和低碳鋼的性質(zhì)有了較全面的認(rèn)識，拉伸、壓縮、 扭轉(zhuǎn)、彎曲等，低碳鋼和鑄鐵

11、都有不同的性質(zhì)。鑄鐵表現(xiàn)脆性，低碳鋼表現(xiàn)韌性。 但是由于客觀條件的原因使得我們實驗設(shè)備較少，這就使得很多同學(xué)沒有實際操 作試驗，建議每組同學(xué)人數(shù)保持在23人，增加硬件設(shè)備。實驗數(shù)據(jù)處理:試件低碳鋼鑄鐵直徑（第1次）0.9720.9700.9900.986直徑（第2次）0.9720.9740.9860.988直徑（第3次）0.9700.9720.9920.996流動荷載虬=42.5 N - m無破壞荷載虬=98 N - m峰=67.5 N - m形 狀圓形螺旋狀低碳鋼：- 0.972 + 0.970 + 0.972 + 0.974 + 0.970 + 0.972d = 0.9717cm;6nd

12、3w = 1.8013 x10-7 m 3;t = 3 M = 176.95MP；t = 3 M = 408.04MPa;s 4 wb 4 w鑄鐵：- 0.990 + 0.986 + 0.986 + 0.988 + 0.992 + 0.996d = 0.9897cm;6兀d 3w = 1.9032 x10-7 m 3;3 Mt =b = 266MPa;t彎曲實驗實驗?zāi)康臏y定純彎曲梁的正應(yīng)力，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行比較，以驗證彎曲正應(yīng)力公 式。實驗儀器組合實驗臺彎曲梁實驗裝置，電阻應(yīng)變儀，預(yù)調(diào)平衡箱，數(shù)字測力儀。實驗原理示意圖請參見兩端鉸支的矩形截面鋼梁，在距兩端支座為仃處，分別作用相M =-Pa

13、同大小的力。梁的AB段為純彎曲，其彎矩為2。為了實測正應(yīng)力，可在梁的AB段內(nèi)沿橫截面表面均勻粘貼7個電阻應(yīng)變片（7個測點）。當(dāng)梁受到荷載作用時，可從電阻片的變形測得各點的應(yīng)變值占。在比例極限 范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在著正比關(guān)系，即。=占。因而通過測得應(yīng)變值便 可計算出該點正應(yīng)力的數(shù)值。關(guān)于電阻應(yīng)變片和應(yīng)變測量電路的原理參見電阻應(yīng)變儀。實驗步驟觀察預(yù)調(diào)平衡箱后面板的接線，將測點與通道的對應(yīng)關(guān)系記錄下來。數(shù)字測力儀的量程設(shè)為20KN，初始調(diào)零。將電阻應(yīng)變儀的“基零、測量”開關(guān)置在“基零”位置，調(diào)節(jié)“基零平衡”, 使顯示為零。將電阻應(yīng)變儀的“基零、測量”開關(guān)置在“測量”位置，旋轉(zhuǎn)“換點開關(guān)”，調(diào)節(jié)

14、相應(yīng)的通道，使其電橋平衡（顯示為零）。將所用的7個通道同時調(diào)零。逐級加載，每增加0.5KN記錄7個通道的應(yīng)變儀讀數(shù)。加載到4KN后，卸載。根據(jù)應(yīng)變儀讀數(shù)求出各測點應(yīng)變差值的算術(shù)平均值，然后計算應(yīng)力值。實驗記錄寬度 b=20mm高度 h=40mm加力點到支座的距離a=120 mm彈性模量占= 210 Gpa何載通道通道通道通道通道通道通道測點1測點2測點3測點4測點5測點6測點7一Ac745ac700.50-560-340-14050180430570.5-56-34-145184357-52-30-1351637561.0-108-64-27103480111-48-30-1341435490

15、.5-40160預(yù)習(xí)思考題1）分析在純彎曲狀態(tài)下，梁截面的應(yīng)力分布情況。M 答：由 =??；梁截面的正應(yīng)力從圓心處向外徑依次增大，方向垂直于試件。2）如果將電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)由2.0改為2.1,則測出的應(yīng)變值會有什么影 響？dR 一答：由=k可知，當(dāng)k由2.0變?yōu)?.1時，應(yīng)變減小。R3）電阻應(yīng)變片由金屬電阻絲制成，測量應(yīng)變時電阻絲是有電流的；彎曲實驗中 的鋼梁也是金屬，由于電阻應(yīng)變片是直接粘貼在鋼梁表面的，所以實驗時鋼梁中 也會有電流通過，這是正?，F(xiàn)象，不會影響測量結(jié)果。你是否同意這種看法？為 什么？答：同意，因為應(yīng)變片是通過電阻的微小變化來測量，由于電流很小，對測量影 響不大。4）一位同學(xué)

16、在操作中有這樣一個過程：將電阻應(yīng)變儀的“基零、測量”開關(guān)置 在“基零”位置，調(diào)節(jié)“基零平衡”，使顯示為零，然后旋轉(zhuǎn)“換點開關(guān)”，調(diào) 節(jié)所有通道，使其電橋平衡，接著就開始加載測量應(yīng)變。請問，這位同學(xué)的操作 正確嗎？為什么？答：不正確。應(yīng)先旋到“換點開關(guān)”，調(diào)節(jié)所有通道，使電橋平衡，再將應(yīng)變儀 的“基零、測量”開關(guān)置在調(diào)節(jié)“基零平衡”，使顯示為0，開始加載。5）如果電阻應(yīng)變儀的顯示窗口的讀數(shù)為“-200”，這是什么意思？ 答：表示應(yīng)變?yōu)? X10 -46）我們知道，在拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)作用下物體都會產(chǎn)生應(yīng)變，那么電阻 應(yīng)變片可以用來測量那些應(yīng)變呢？為什么？答：電阻應(yīng)變片可以測量彎曲和扭轉(zhuǎn)，而拉

17、伸壓縮會使其貼在表面的應(yīng)變片損壞 而不能測量。7）溫度補(bǔ)償片有什么作用？答：因為電阻應(yīng)變片對溫度變化十分敏感，因此用溫度補(bǔ)償片來補(bǔ)償溫度對應(yīng)變片 的影響。分析思考題1）在彎曲實驗中采用的是全橋測量還是半橋測量？答：全橋測量。2）如果加載前應(yīng)變有初讀數(shù)，應(yīng)該怎樣處理測量結(jié)果？答：將測量所得的數(shù)據(jù)減去初讀數(shù)即可得實驗所需數(shù)據(jù)。3）對于本次實驗，你的體會是什么？你有什么建議嗎？ 答：這次試驗所得的值與理論值有一定差距，但不是很大。這是因為加載力時， 在所需的力之間來回調(diào)，導(dǎo)致實驗存在誤差。通過這次實驗我加深了彎曲力矩、 正應(yīng)力的理解，從試驗中對彎曲有了更深的認(rèn)識。增強(qiáng)了實際動手能力。實驗數(shù)據(jù)處理：匕=告=%3X1宜=1.0667X10 ； 實際二牛z應(yīng)變平