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Ms = ∫ (τ S dA) ρ
A
式中: τ s = 常数, 且dA = 2πρdρ
图1.10 试样剪应力分布
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Mb
2πR 3 3 πR 3 3 M S = τ S ∫ ρ 2 ρ π dρ = τ s = τ s = Wn τ s 3 4 2 4 0
(a)低碳钢
(b)铸铁
图1.12低碳钢,铸铁扭转破坏断面形状
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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圈及0度.退 出滑动轴承测试软件,卸观察和记录数据,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 M s ,直到试样剪断,立即停车,记录最大扭矩 M b . 对铸铁试样,直接加载到试样破坏为止,记录最大扭矩 M b . 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
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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
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τb =
Mb Wn
图1.11 铸铁转角扭矩及应力分布曲线
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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45度的方向拉断,如图1.12(b)所示.
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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 Wn = π d 3 /16 ),并将计算结果填人表格中; 量( 根据低碳钢试样的屈服扭矩计算其抗剪屈服 强度 τs 根据低碳钢试样的最大扭矩 计算其抗剪强 M 度 τb 根据铸铁试样的最大扭矩 计算其抗剪强度
b
Mb
τb
机械工程基础实验之
低碳钢和铸铁的扭转破坏实验
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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 τ s及抗剪强度τ b 测定铸铁的抗剪强度 τ b 比较低碳钢与铸铁的抗扭性能
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实验设备
K-50,NJ-100B型扭转试验机 游标卡尺
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与图1.10(d)相似,所以τ b =
3 Mb . 4 Wn
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铸铁试样的扭转
铸铁试样从开始受扭转直到被破坏,其 M n 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 M b ,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 τ b 应按 下式计算:
R
3 Ms τs = 4 Wn
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 M b ,横截面上各点的切应力仍大小均相同,且都为τ b ,其分布
无法显示图像.计算机 可能没有足够的内存以 打开该图像,也可能是 该图像已损坏.请重新 启动计算机,然后重新 打开该文件.如果仍然 显示红色 "x",则可能需 要删除该图像,然后重 新将其插入. 无法显示图像.计算机可能没有足够的内存 以打开该图像,也可能是该图像已损坏.请 重新启动计算机,然后重新打开该文件.如 果仍然显示红色 "x",则可能需要删除该图 像,然后重新将其插入.
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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?
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�
低碳钢试样的扭转
低碳钢试样受到扭转的整个过程中,扭转试验机上的自动绘图器记 录出的 M n 关系曲线,如图1.9所示.当扭矩在比例扭矩 M P 以内,材 料完全处于弹性状态,OA段为一直线,所以 M P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 M P 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τ p ,如图1.10(b)所 示.当扭矩超过M P 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τ s,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 M 大,如图1.10(c)所示, n 曲线稍微上升,到B点后至 B'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 M S ,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 M n 达到 M S时, τs 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: