實驗二  扭轉(zhuǎn)破壞實驗

工程中承受扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件很多，如各類電動機軸、傳動軸、鉆桿等。材料在扭轉(zhuǎn)變形下的力學性能，如扭轉(zhuǎn)屈服點τs、抗扭強度τb 、切變模量G等，是進行扭轉(zhuǎn)強度計算和剛度計算的依據(jù)。本實驗將介紹τs、τb的測定方法及扭轉(zhuǎn)破壞的規(guī)律和特征。

實驗目的

1. 觀察低碳鋼和鑄鐵在扭轉(zhuǎn)過程中的變形規(guī)律和破壞特征；
2. 測定低碳鋼扭轉(zhuǎn)時的屈服極限τs和強度極限τb；測定鑄鐵扭轉(zhuǎn)時的強度極限τb；
3. 了解扭轉(zhuǎn)試驗機的結(jié)構(gòu)原理，掌握操作方法；

實驗設(shè)備

1. 扭轉(zhuǎn)試驗機； 游標卡尺。

圖2.1 扭轉(zhuǎn)試驗機

3 扭轉(zhuǎn)試樣

扭轉(zhuǎn)試樣與拉伸試樣的形狀和尺寸完全相同，長度l=100mm，直徑d =10mm。

圖2.2 扭轉(zhuǎn)試樣

實驗原理

圖2.3 低碳鋼扭轉(zhuǎn)曲線及破壞形式

(1) 扭轉(zhuǎn)屈服極限

進入屈服階段，曲線呈鋸齒狀，捕捉初始瞬時效應后的ZUI小載荷  ，則扭轉(zhuǎn)屈服極限為

其中  為抗扭截面系數(shù)。

(2) 扭轉(zhuǎn)強度極限

過屈服階段后，材料的強化使扭矩又有緩慢的上升。變形卻非常顯著，試樣的縱向畫線變?yōu)槁菪€，但試樣仍保持為圓柱形，橫截面的大小及平行長度的尺寸幾乎不變，也沒有頸縮現(xiàn)象。直到扭矩達到  ，試樣被扭斷。扭轉(zhuǎn)強度極限為

因此，低碳鋼扭轉(zhuǎn)時的兩個強度指標為

低碳鋼扭轉(zhuǎn)破壞的斷口形狀：與軸線垂直。

鑄鐵扭轉(zhuǎn)實驗測定的T~φ曲線、破壞形式如圖2.3所示。

圖2.4 鑄鐵扭轉(zhuǎn)曲線及破壞形式

鑄鐵試樣受扭時，變形很小即突然斷裂，T~φ曲線接近直線，把它作為直線，可計算鑄鐵扭轉(zhuǎn)時的強度指標為

鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞的斷口形狀：與軸線成45o。

5 實驗步驟

1. 量好試件尺寸（直徑d）后，將試件安裝于機器夾頭中，可在試件表面上畫一條縱向粉筆線，以觀察它的變形；
2. 選定試驗機的測力范圍及轉(zhuǎn)速；
3. 開動電機，加載，注意觀察試樣的變形情況，并記下   和   （鑄鐵試樣只記下   ）。低碳鋼試樣加載到   后可以改為快速；
4. 試樣扭斷后，立即關(guān)閉電機，取下斷裂的試樣，繪制斷口破壞草圖。

6 討論與思考

（1）計算低碳鋼扭轉(zhuǎn)時的屈服極限 和強度極限 時為何公式中有3/4的系數(shù)？而計算鑄鐵強度極限 時則無此系數(shù)？

（2）本實驗要求注意觀察、分析哪些現(xiàn)象？

附 實驗報告

實驗二 扭轉(zhuǎn)破壞實驗

實驗日期：           室溫：        小組成員：           

（一）實驗目的

（二）實驗設(shè)備

（三）實驗記錄

表2-1  扭轉(zhuǎn)實驗試件原始尺寸

（四）結(jié)果處理

表2-2  扭轉(zhuǎn)實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果

（五）問題討論

1. （1）    低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞有什么不同？根據(jù)斷口形式分析其破壞原因；
2. （2）    比較塑性材料和脆性材料在拉伸、壓縮及扭轉(zhuǎn)時的變形情況和破壞特點，試分析兩種材料的機械性能。