11231269土木1109劉凱恒扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.學(xué)習(xí)了解微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造原理，并進(jìn)行操作練習(xí)。2.確定低碳鋼試樣的剪切屈服極限τs、剪切強(qiáng)度極限τ3.確定鑄鐵試樣的剪切強(qiáng)度極限τb4.觀察不同材料的試樣在扭轉(zhuǎn)過程中的變形和破壞現(xiàn)象。二．實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工具：扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺、扳手。三．試驗(yàn)原理：扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是材料力學(xué)試驗(yàn)最基本、最典型的試驗(yàn)之一。進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時，把試件兩夾持端分別安裝于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的固定夾頭和活動夾頭中，開啟直流電動機(jī)，經(jīng)過齒輪減速器帶動活動夾頭轉(zhuǎn)動，試件便受到了扭轉(zhuǎn)荷載，試件本身也隨之產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)配套軟件上可以直接讀出扭矩T和扭轉(zhuǎn)角q，同時試驗(yàn)機(jī)配套軟件也自動繪出了Tq曲線圖，一般q是試驗(yàn)機(jī)兩夾頭之間的相對扭轉(zhuǎn)角。因材料本身的差異，低碳鋼扭轉(zhuǎn)曲線有兩種類型（圖B）。扭轉(zhuǎn)曲線表現(xiàn)為彈性、屈服和強(qiáng)化三個階段，與低碳鋼的拉伸曲線不盡相同，它的屈服過程是由表面逐漸向圓心擴(kuò)展，形成環(huán)形塑性區(qū)。當(dāng)橫截面的應(yīng)力全部屈服后，試件才會全面進(jìn)入塑性。在屈服階段，扭矩基本不動或呈下降趨勢的輕微波動，而扭轉(zhuǎn)變形繼續(xù)增加。當(dāng)首次扭轉(zhuǎn)角增加而扭矩不增加（或保持恒定）時的扭矩為屈服扭矩，記為sT。對試件連續(xù)施加扭矩直至扭斷，從試驗(yàn)機(jī)配套軟件界面上讀得最大值bT。根據(jù)國標(biāo)GB/T10128－1988規(guī)定，低碳鋼受扭轉(zhuǎn)時的屈服強(qiáng)度st和強(qiáng)度極限bt采用式τs=TsWp鑄鐵試件扭轉(zhuǎn)時，其扭轉(zhuǎn)曲線（圖C）伸曲線，它有比較明顯的非線性偏離，但由于變形很小就突然斷裂，一般仍按彈性公式計算鑄鐵的抗扭強(qiáng)度極限，即：圖B低碳鋼扭轉(zhuǎn)Tq曲線圖C鑄鐵Tq曲線圓形試件受扭時，橫截面上的應(yīng)力應(yīng)變分布如下圖。在試件表面任一點(diǎn)，橫截面上有最大切應(yīng)力，在與軸線成±45的截面上存在主應(yīng)力σ1=τσ3=-τ。低碳鋼的圖D扭轉(zhuǎn)試件的應(yīng)力應(yīng)變分布四．實(shí)驗(yàn)步驟1.a低碳鋼實(shí)驗(yàn)（華龍試驗(yàn)機(jī)）（1）量直徑：用游標(biāo)卡尺量取試樣的直徑d0。在試樣上選取3各位置，每個位置互相垂直地測量2次直徑，取其平均值；然后從3（2）安裝試樣：啟動扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，手動控制器上的“左轉(zhuǎn)”或“右轉(zhuǎn)”鍵，調(diào)整活動夾頭的位置，使前、后兩夾頭鉗口的位置能滿足試樣平口的要求，把試樣水平地放在兩夾頭之間，沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)手柄，夾緊試樣。（3）調(diào)整試驗(yàn)機(jī)并對試樣施加載荷：在電腦顯示屏上調(diào)整扭矩、峰值、切應(yīng)變1、切應(yīng)變2、夾頭間轉(zhuǎn)角、時間的零點(diǎn)；根據(jù)你所安裝試樣的材料，在“實(shí)驗(yàn)方案讀取”中選擇“教學(xué)低碳鋼試驗(yàn)”，并點(diǎn)擊“加載”而確定；用鍵盤輸入實(shí)驗(yàn)編號，回車確定（按Enter鍵）；鼠標(biāo)點(diǎn)“開始測試”鍵，給試樣施加扭矩；在加載過程中，注意觀察屈服扭矩Ms（4）試樣斷裂后，從峰值中讀取最大扭矩Mb。從夾頭上（5）觀察試樣斷裂后的形狀。1.b低碳鋼實(shí)驗(yàn)（青山試驗(yàn)機(jī)）（1）量直徑：用游標(biāo)卡尺量取試樣的直徑d0。在試樣上選取3各位置，每個位置互相垂直地測量2次直徑，取其平均值；然后從3（2）安裝試樣：啟動扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，手動“試驗(yàn)機(jī)測控儀”上的“左轉(zhuǎn)”或“右轉(zhuǎn)”鍵，調(diào)整活動夾頭的位置，使前、后兩夾頭鉗口的位置能滿足試樣平口的要求，把試樣水平地放在兩夾頭之間，用扳手順時針旋轉(zhuǎn)，夾緊試樣。（3）調(diào)整試驗(yàn)機(jī)并對試樣施加載荷：在電腦顯示屏上調(diào)整扭矩、峰值、夾頭間轉(zhuǎn)角、切應(yīng)變1、切應(yīng)變2、試驗(yàn)時間的零點(diǎn)；選擇“實(shí)驗(yàn)方案1”；用鼠標(biāo)“新建”，在下拉菜單中，依次輸入“試驗(yàn)編號”、“實(shí)驗(yàn)員”、“鋼筋長度”、在“實(shí)驗(yàn)材料”中選擇“塑性”、“材料形狀”中選擇“實(shí)心”和“鋼筋直徑”等信息后，點(diǎn)擊“確定”；鼠標(biāo)點(diǎn)“開始”鍵，就給試樣施加扭矩了；在加載過程中，注意觀察試樣屈服時扭矩Ms（4）試樣斷裂后，取下試樣，從峰值中讀取最大扭矩Mb（5）觀察試樣斷裂后的形狀。2.a鑄鐵實(shí)驗(yàn)（華龍試驗(yàn)機(jī)）（1）量直徑：用游標(biāo)卡尺量取試樣的直徑d0。在試樣上選取3各位置，每個位置互相垂直地測量2次直徑，取其平均值；然后從3（2）安裝試樣：啟動扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，手動控制器上的“左轉(zhuǎn)”或“右轉(zhuǎn)”鍵，調(diào)整活動夾頭的位置，使前、后兩夾頭鉗口的位置能滿足試樣平口的要求，把試樣水平地放在兩夾頭之間，沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)手柄，夾緊試樣。（3）調(diào)整試驗(yàn)機(jī)并對試樣施加載荷：在電腦顯示屏上調(diào)整扭矩、峰值、切應(yīng)變1、切應(yīng)變2、夾頭間轉(zhuǎn)角、時間的零點(diǎn)；根據(jù)你所安裝試樣的材料，在“實(shí)驗(yàn)方案讀取”中選擇

“教學(xué)鑄鐵試驗(yàn)”，并點(diǎn)擊“加載”而確定；用鍵盤輸入實(shí)驗(yàn)編號，回車確定（按Enter鍵）；鼠標(biāo)點(diǎn)“開始測試”鍵，給試樣施加扭矩；當(dāng)扭矩達(dá)到最大值時，試樣突然斷裂，后按下“終止測試”鍵，使試驗(yàn)機(jī)停止轉(zhuǎn)動。（4）試樣斷裂后，從夾頭上取下試樣，讀取峰值表中最大扭矩Mb（5）觀察試樣斷裂后的形狀。2.b低碳鋼實(shí)驗(yàn)（青山試驗(yàn)機(jī)）（1）量直徑：用游標(biāo)卡尺量取試樣的直徑d0。在試樣上選取3各位置，每個位置互相垂直地測量2次直徑，取其平均值；然后從3（2）安裝試樣：啟動扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，手動“試驗(yàn)機(jī)測控儀”上的“左轉(zhuǎn)”或“右轉(zhuǎn)”鍵，調(diào)整活動夾頭的位置，使前、后兩夾頭鉗口的位置能滿足試樣平口的要求，把試樣水平地放在兩夾頭之間，用扳手順時針旋轉(zhuǎn)，夾緊試樣。（3）調(diào)整試驗(yàn)機(jī)并對試樣施加載荷：在電腦顯示屏上調(diào)整扭矩、峰值、夾頭間轉(zhuǎn)角、切應(yīng)變1、切應(yīng)變2、試驗(yàn)時間的零點(diǎn)；選擇“實(shí)驗(yàn)方案1”；用鼠標(biāo)“新建”，在下拉菜單中，依次輸入“試驗(yàn)編號”、“實(shí)驗(yàn)員”、“鋼筋長度”、在“實(shí)驗(yàn)材料”中選擇“脆性”、“材料形狀”中選擇“實(shí)心”和“鋼筋直徑”等信息后點(diǎn)擊“確定”；鼠標(biāo)點(diǎn)“開始”鍵，就給試樣施加扭矩了；當(dāng)扭矩達(dá)到最大值時，試樣突然斷裂，后按下“停止”鍵，使試驗(yàn)機(jī)停止轉(zhuǎn)動。（4）試樣斷裂后，取下試樣，從峰值中讀取最大扭矩Mb（5）觀察試樣斷裂后的形狀。

五．實(shí)驗(yàn)記錄試樣低碳鋼鑄鐵直徑（第1次）dd直徑（第2次）dd直徑（第3次）dd屈服載荷M極限載荷MM破壞形狀平面45°螺旋曲面注：低碳鋼的剪切流動極限和強(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：圓周扭轉(zhuǎn)在彈性范圍內(nèi)剪應(yīng)力分布如圖a所示，對于塑性材料，當(dāng)扭矩增大到一定數(shù)值后，試樣表面應(yīng)力先達(dá)到流動極限τs，并逐漸向內(nèi)擴(kuò)展，形成環(huán)形塑性區(qū)，如圖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)到Ms時，橫截面上的剪應(yīng)力都近似達(dá)到τb如圖c在扭矩繼續(xù)增加時，試樣繼續(xù)變形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化，當(dāng)試樣扭斷時，整個橫截面上的剪應(yīng)力都達(dá)到τb，此時最大扭矩為Mb，因此剪切強(qiáng)度極限和流動極限一樣，近似地由于鑄鐵是脆性材料，應(yīng)力在橫截面上從開始受力直至破壞都保持為線性分布，當(dāng)試樣邊緣上的剪應(yīng)力達(dá)到τb時，此時最大扭矩為M六．?dāng)?shù)據(jù)處理七．實(shí)驗(yàn)結(jié)論

八．預(yù)習(xí)思考題1.為什么扭轉(zhuǎn)試樣兩端較粗，中間較細(xì)？中間和兩端采用光滑曲線過度，而不是直角連接？答：這樣便于試件的安裝，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。2.在計算低碳鋼屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的公式中為什么會出現(xiàn)3/4，而不是其他系數(shù)呢？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，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)到時，橫截面上的剪應(yīng)力大小近似為，在這種剪應(yīng)力分布形式下，剪應(yīng)力公式為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)到時，最大扭矩為，故仍用彈性階段的應(yīng)力公式計算強(qiáng)度極限。3.如果扭轉(zhuǎn)試樣是屈服失效，請用最大剪應(yīng)力理論分析一下，試樣可能的斷口形狀。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。4.如果扭轉(zhuǎn)試樣是斷裂失效，請用最大正應(yīng)力理論分析一下，試樣可能的斷口形狀。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)α=45°時，拉應(yīng)力最大，這時斷口形狀應(yīng)是45°的斜面。5.安裝扭轉(zhuǎn)試樣為什么要“把試樣水平地放在兩夾頭之間”？答：使主動夾保持平衡，避免引起初始扭矩。6.低碳鋼試樣在扭轉(zhuǎn)時的變形要經(jīng)歷哪3個階段？答：彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段九．分析思考題1.扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中你是怎樣測量試樣直徑的？為什么采用這種方法？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。2.兩種試樣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。3.鑄鐵試樣扭轉(zhuǎn)破壞斷口的傾斜方向與施加扭矩的方向有無直接關(guān)系？為什么？有直接關(guān)系。鑄鐵試樣扭轉(zhuǎn)破壞斷口的傾斜方向與施加扭矩的方向相同,將軸向方向及垂直方向應(yīng)力扭矩分解，其最大分應(yīng)力方向?yàn)閿嗫诜较颉?.通過你已經(jīng)做過的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，請總結(jié)一下低碳鋼抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度的大小關(guān)系。同樣地，請總結(jié)一下鑄鐵的抗拉、抗壓、抗剪性能。答：由實(shí)驗(yàn)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。5.結(jié)合你已經(jīng)做過的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，請分析低碳鋼的載荷-變形曲線有什么共同點(diǎn)。答：低碳鋼在拉伸和壓縮、扭轉(zhuǎn)過程中都經(jīng)歷屈