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低碳钢和铸铁的扭转实验报告

扭转试验报告

一、试验目的 1、测定低碳钢的剪切屈服极限τs 。和剪切强度极限近似值τb 。

2、测定铸铁的剪切强度极限τb 。

3、观察并分析两种材料在扭转时的变形和破坏现象。

二、设备和仪器

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1、材料扭转试验机

2、游标卡尺

三、试验原理

1、低碳钢试样

对试样缓慢加载,试验机的绘图装置自动绘制出T-

φ曲线(见图1)。最初材料处于

低碳钢和铸铁的扭转实验报告

图1 低碳钢是扭转试验

弹性状态,截面上应力线性分布,T-φ图直线上升。到A 点,试样横截面边缘处剪应力达到剪切屈服极限τs 。以后,由屈服产生的塑性区不断向中心扩展,T-φ图

呈曲线上升。至B 点,曲线趋于平坦,这时载荷度盘指针停止不动或摆动。这不动

或摆动的最小值就是屈服扭矩T s 。再以后材料强化,T-φ图上升,至C 点试样断裂。

在试验全过程中,试样直径不变。断口是横截面(见图2a ),这是由于低碳钢抗剪能力小于抗拉能力,而横截面上剪应力最大之故。

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图2 低碳钢和铸铁的扭转端口形状

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据屈服扭矩 p

s W T 43s =τ (2-1) 按式2-1可计算出剪切屈服极限τs 。

据最大扭矩T b 可得:p

b b W T 43=τ (2-2) 按式2-2可计算出剪切强度极限近似值τb 。

说明:(1)公式(2-1)是假定横截面上剪应力均达到τs

后推导出来的。公式(2-2)形式上与公式(2-1)虽然完全

相同,但它是将由塑性理论推导出的Nadai 公式略去了一项

后得到的,而略去的这一项不一定是高阶小量,所以是近似的。

(2)国标GB10128-88规定τs 和τb 均按弹性扭转公式计算,这样得到的结果可以

用来比较不同材料的扭转性能,但与实际应力不符。

II、铸铁试样

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铸铁的曲线如图3所示。呈曲线形状,变形很小就突

然破裂,

有爆裂声。断裂面粗糙,是与轴线约成45°角的螺

旋面

(见图1-3-2b)。这是由于铸铁抗拉能力小于抗剪

能力,

而这面上拉应力最大之故。据断裂前的最大扭矩T

b

按弹性

扭转公式1-3-3可计算抗扭强度τ

b

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图3 铸铁扭转曲线图

四、试验步骤

1、测量试样尺寸

以最小横截面直径计算截面系数(抗扭截面模量)W p。

2、试验机准备

刻度盘指针调零指针调零,安装绘图记录纸,安装记录笔。

3、安装试样,用粉笔在试样上画一母线,用以观察试样变形情况。

4、测试

对低碳钢试样,起先缓慢加载,注意观察绘图和载荷指针转动情况。待记录下屈服扭矩T s后改用快速加载,直至断裂记录下最大扭矩T s。

对铸铁试样,慢速加载,注意观察绘图、载荷指针转动和试样变形情况直到试样断裂,记录下最大扭矩T b。

5、取下试样,观察并分析断口形貌和形成原因。

6、试验机回复原状,清理现场。

五、思考题

1、根据低碳钢和铸铁试样扭转破坏的情况分析破坏原因。

答:低碳钢试件受扭转时沿横截面破坏,此破坏是由横截面上的切应力造成的,说明低碳钢的抗剪强度较差;铸铁试件受扭转时沿大约45度斜截面破坏,断口粗糙,此破坏是由斜截面上的拉应力造成的,说明铸铁的抗拉强度较差。

2、铸铁扭转破坏断裂面为何是45°螺旋面?

答:铸铁扭转破坏断裂面为何是45度螺旋面而不是45度平面铸铁扭转时主要受45度切应力作用且所受切应力最大,而铸铁的抗拉能力较抗剪能力弱,故产生螺旋面破坏。