1、材料力學實驗報告-彎曲扭轉扭轉實驗一、實驗目的學習扭轉實驗機的構造原理，并進行操作練習。測定低碳鋼的剪切屈服極限百、剪切強度極限召和鑄鐵的剪切強度極限石。觀察低碳鋼和鑄鐵在扭轉過程中的變形和破壞情況。二、實驗儀器扭轉實驗機，游標卡尺。三、實驗原理塑性材料和脆性材料在扭轉時的力學性能。(參考材料力學課本及其它相關 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。將扭轉實驗機刻度盤的從動針調至靠近主動針。主動針的調零方式為自動 調整，如果主動針不在零位，應通知老師，由老師進行調整。絕對

2、不能用調從動 針的方法，將兩針調至零位。把試件安裝在扭轉試驗機的夾頭內，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。如果已經出現小量的初始扭矩，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生扭曲。打開繪圖記錄器的開關；將調速旋鈕置于低速位置。開始用0類“網 檔 慢速加載，每增加5N*m的扭矩，記錄下相應的扭轉角度。實驗過程中，注意觀 察試件的變形情況和甄頊圖，當材料發生流動時，記錄流動時的扭矩值踱和 相應的扭轉角度。另外，注意記錄扭矩剛開始下降時的扭矩值和相應的扭轉角度

3、。 扭矩值估讀到0.1N*m。流動以后，繼續加載，試件進入強化階段，關閉記錄器后，將電機速度選 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，試件扭斷后應立即停止加載，以便記錄斷裂時的扭轉角度。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，記錄下相應的扭轉角度。注意觀 察鑄鐵試件在扭轉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 羽和相應的扭轉角度。注意，試件扭斷后應立即停止加載，以便記錄斷裂時的 扭轉角

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度極限的計算公式中應該乘一系數3/4。原因 是這樣：圓軸扭轉在彈性變形范圍內剪應力分布如參考圖(a)所示，對于塑性材料，當扭矩增大到一定數值后，試件表面應力首先達到流動極限百，并逐漸向內 擴展，形成環形塑性區，如參考圖(b)所示。若扭矩逐漸增大，塑性區也不斷擴 大。當扭矩達

5、到過時，橫截面上的剪應力大小近似為百，如參考圖(c)所示，在3虬習=-x這種剪應力分布形式下，剪應力公式為勺吧。試件繼續變形，材料進一步強化，當試件扭斷時，假設整個截面的剪應力都 達到包此時最大扭矩為虬，因此剪切強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，應力在截面上從開始受力直至破壞都保持線性分布， 當邊緣上的剪應力達到4時。此時最大扭矩為M&，故仍用彈性階段的應力公式 計算強度極限。預習思考題1）分析試件在扭轉狀態下各點的主應力大小和方向。答:扭轉狀態下，橫街面上主應力大小從圓心向外線性增大，在半徑處達到最大， 方向垂直于半徑和扭轉力矩方向相同。2）低碳鋼屈服極限和強

6、度極限的計算公式中為什么會出現3/4?請分析并推導 計算公式。答：圓軸扭轉在彈性變形范圍內剪應力分布為線性分布，對于塑性材料，當扭矩 增大到一定數值后，試件表面應力首先達到流動極限二，并逐漸向內擴展，形成 環形塑性區，若扭矩逐漸增大，塑性區也不斷擴大。當扭矩達到Ms時，橫截面3 M上的剪應力大小近似為二，在這種剪應力分布形式下，剪應力公式為=3xW p由于鑄鐵是脆性材料，應力在截面上從開始受力直至破壞都保持線性分布，當邊 緣的剪應力達到二時，最大扭矩為Mb，故仍用彈性階段的應力公式計算強度極 限。3）為什么扭轉試件兩端較粗，中間較細？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力集中而 產生扭斷。4）如果扭轉試件是屈服失效，請用最大剪應力理論分析一下試件可能的斷口形狀。答：最大剪應力應是與試件端面平行，如果是屈服失效，則斷口形狀應是平面。5）如果扭轉試件是斷裂失效，請用最大拉應力理論分析一下試件可能的斷口形狀。答：根據最大拉應力理論，如果試件是斷裂失效，則會出現a=45。時，拉應力 最大，這時斷口形狀應是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 使試件不規則而引起的誤差。2）扭轉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，如果讀數盤的主動針偏離了零位，這是什么原因造成的？對實 驗結果有什么影響？應該怎樣解決？答：夾塊沒有保持水平位置，影響實驗所測得數據。重新調整試件的位置。4）兩種扭轉試件的斷口形狀分別是什么樣的？怎樣解釋這種結果？答：低碳鋼為平面，鑄鐵為螺旋曲面。5）通過實驗你覺得低碳鋼的塑性性能如何？你的依據是什么？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、扭轉三個試驗中，你已經做了那些實驗？請通過這些實驗， 總結一下低碳鋼的抗拉、抗壓、抗扭強度的大小關系。同樣地，請總結一下鑄鐵 的抗拉、抗壓、抗扭強度的大小關系。拉伸，壓縮實驗，扭轉。由實驗數據可以得出，對于低碳鋼，其抗扭強度小于抗 拉強度小于抗壓強度;對于鑄鐵，其抗扭強度小于抗拉強度小于抗壓強度。7）結合你已經做過的實驗（拉伸、壓縮、扭轉），請對比低碳鋼和鑄鐵的抗拉、 抗壓、抗扭強度的大小關系。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用。大多不經熱處理用于工程結構 件，有的經滲碳和其他熱處理用于要

10、求耐磨的機械零件。鑄鐵屬于脆性材料，其抗拉強度低，塑性性能差，但抗壓能力強，價格低廉的特 點凸顯了其作為抗壓構建材料的優越性。廣泛應用與鑄造機床床身、機座、缸體 及軸承等受壓零部件。8）結合你已經做過的實驗（拉伸、壓縮、扭轉），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、扭轉過程中都經歷屈服點，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。并且經過計算可以發現，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有了較全面的認識，拉伸、壓縮、 扭轉、彎曲等，低碳鋼和鑄鐵

11、都有不同的性質。鑄鐵表現脆性，低碳鋼表現韌性。 但是由于客觀條件的原因使得我們實驗設備較少，這就使得很多同學沒有實際操 作試驗，建議每組同學人數保持在23人，增加硬件設備。實驗數據處理: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彎曲實驗實驗目的測定純彎曲梁的正應力，并與理論計算結果進行比較，以驗證彎曲正應力公 式。實驗儀器組合實驗臺彎曲梁實驗裝置，電阻應變儀，預調平衡箱，數字測力儀。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。為了實測正應力，可在梁的AB段內沿橫截面表面均勻粘貼7個電阻應變片（7個測點）。當梁受到荷載作用時，可從電阻片的變形測得各點的應變值占。在比例極限 范圍內，應力與應變之間存在著正比關系，即。=占。因而通過測得應變值便 可計算出該點正應力的數值。關于電阻應變片和應變測量電路的原理參見電阻應變儀。實驗步驟觀察預調平衡箱后面板的接線，將測點與通道的對應關系記錄下來。數字測力儀的量程設為20KN，初始調零。將電阻應變儀的“基零、測量”開關置在“基零”位置，調節“基零平衡”, 使顯示為零。將電阻應變儀的“基零、測量”開關置在“測量”位置，旋轉“換點開關”，調節

14、相應的通道，使其電橋平衡（顯示為零）。將所用的7個通道同時調零。逐級加載，每增加0.5KN記錄7個通道的應變儀讀數。加載到4KN后，卸載。根據應變儀讀數求出各測點應變差值的算術平均值，然后計算應力值。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預習思考題1）分析在純彎曲狀態下，梁截面的應力分布情況。M 答：由 =亍；梁截面的正應力從圓心處向外徑依次增大，方向垂直于試件。2）如果將電阻應變片的靈敏系數由2.0改為2.1,則測出的應變值會有什么影 響？dR 一答：由=k可知，當k由2.0變為2.1時，應變減小。R3）電阻應變片由金屬電阻絲制成，測量應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，這是正常現象，不會影響測量結果。你是否同意這種看法？為 什么？答：同意，因為應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

16、在操作中有這樣一個過程：將電阻應變儀的“基零、測量”開關置 在“基零”位置，調節“基零平衡”，使顯示為零，然后旋轉“換點開關”，調 節所有通道，使其電橋平衡，接著就開始加載測量應變。請問，這位同學的操作 正確嗎？為什么？答：不正確。應先旋到“換點開關”，調節所有通道，使電橋平衡，再將應變儀 的“基零、測量”開關置在調節“基零平衡”，使顯示為0，開始加載。5）如果電阻應變儀的顯示窗口的讀數為“-200”，這是什么意思？ 答：表示應變為2 X10 -46）我們知道，在拉伸、壓縮、彎曲、扭轉作用下物體都會產生應變，那么電阻 應變片可以用來測量那些應變呢？為什么？答：電阻應變片可以測量彎曲和扭轉，而拉

17、伸壓縮會使其貼在表面的應變片損壞 而不能測量。7）溫度補償片有什么作用？答：因為電阻應變片對溫度變化十分敏感，因此用溫度補償片來補償溫度對應變片 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）如果加載前應變有初讀數，應該怎樣處理測量結果？答：將測量所得的數據減去初讀數即可得實驗所需數據。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，導致實驗存在誤差。通過這次實驗我加深了彎曲力矩、 正應力的理解，從試驗中對彎曲有了更深的認識。增強了實際動手能力。實驗數據處理：匕=告=%3X1宜=1.0667X10 ； 實際二牛z應變平