【實驗目的】
1、驗證扭轉變形公式，測定低碳鋼的切變模量g。；測定低碳鋼和鑄鐵的剪下強度極限握典型塑性材料（低碳鋼）和脆性材料（鑄鐵）的扭轉效能；
2、繪製扭矩一扭角圖；
3、觀察和分析上述兩種材料在扭轉過程中的各種力學現象，並比較它們性質的差異；
4、了解扭轉材料試驗機的構造和工作原理，掌握其使用方法。
【實驗儀器】
【實驗原理和方法】
1.測定低碳鋼扭轉時的強度效能指標
試樣在外力偶矩的作用下，其上任意一點處於純剪下應力狀態。隨著外力偶矩的增加，當達到某一值時，測矩盤上的指標會出現停頓，這時指標所指示的外力偶矩的數值即為屈服力偶矩，低碳鋼的扭轉屈服應力為
式中：為試樣在標距內的抗扭截面係數。
在測出屈服扭矩後，改用電動快速載入，直到試樣被扭斷為止。這時測矩盤上的從動指標所指示的外力偶矩數值即為最大力偶矩，低碳鋼的抗扭強度為
對上述兩公式的**說明如下：
低碳鋼試樣在扭轉變形過程中，利用扭轉試驗機上的自動繪圖裝置繪出的圖如圖1-3-2所示。當達到圖中點時，與成正比的關係開始破壞，這時，試樣表面處的切應力達到了材料的扭轉屈服應力，如能測得此時相應的外力偶矩，如圖1-3-3a所示，則扭轉屈服應力為
經過點後，橫截面上出現了乙個環狀的塑性區，如圖1-3-3b所示。若材料的塑性很好，且當塑性區擴充套件到接近中心時，橫截面周邊上各點的切應力仍未超過扭轉屈服應力，此時的切應力分布可簡化成圖1-7c所示的情況，對應的扭矩為
圖1-3-2 低碳鋼的扭轉圖
（a）（b）（c）
圖1-3-3低碳鋼圓柱形試樣扭轉時橫截面上的切應力分布
由於，因此，由上式可以得到
無論從測矩盤上指標前進的情況，還是從自動繪圖裝置所繪出的曲線來看，點的位置不易精確判定，而點的位置則較為明顯。因此，一般均根據由點測定的來求扭轉切應力。當然這種計算方法也有缺陷，只有當實際的應力分布與圖1-7c完全相符合時才是正確的，對塑性較小的材料差異是比較大的。
從圖1-6可以看出，當外力偶矩超過後，扭轉角增加很快，而外力偶矩增加很小，近似於一條直線。因此，可認為橫截面上的切應力分布如圖1-7c所示，只是切應力值比大。根據測定的試樣在斷裂時的外力偶矩，可求得抗扭強度為
2.測定灰鑄鐵扭轉時的強度效能指標
對於灰鑄鐵試樣，只需測出其承受的最大外力偶矩（方法同2），抗扭強度為
由上述扭轉破壞的試樣可以看出：低碳鋼試樣的斷口與軸線垂直，表明破壞是由切應力引起的；而灰鑄鐵試樣的斷口則沿螺旋線方向與軸線約成角，表明破壞是由拉應力引起的。
【實驗步驟】
一、低碳鋼
1、試件準備：在標距的兩端及中部三個位置上，沿兩個相互垂直方向各測量一次直徑取平均值，再從三個平均值中取最小值作為試件的直徑d。在低碳鋼試件表面畫上一條縱向線和兩條圓周線，以便觀察扭轉變形。
2、試驗機準備：按試驗機→計算機→印表機的順序開機，開機後須預熱十分鐘才可使用。根據計算機的提示，設定試驗方案，試驗引數。
3、裝夾試件：
（1）先將乙個定位環夾套在試件的一端，裝上卡盤，將螺釘擰緊。再將另乙個定位環夾套在試件的另一端，裝上另一卡盤；根據不同的試件標距要求，將試件擱放在相應的v形塊上，使兩卡盤與v形塊的兩端貼緊，保證卡盤與試件垂直，以確保標距準確。將卡盤上的螺釘擰緊。
（2）先按「對正」按鍵，使兩夾頭對正。如發現夾頭有明顯的偏差，請按下「正轉」或「反轉」按鍵進行微調。將已安裝卡盤的試件的一端放入從動夾頭的鉗口間，扳動夾頭的手柄將試件夾緊。
按「扭矩清零」按鍵或試驗操作介面上的扭矩「清零」按鈕。推動移動支座移動，使試件的頭部進入主動夾頭的鉗口間。先按下「試件保護」按鍵，然後慢速扳動夾頭的手柄，直至將試件夾緊。
（3）將扭角測量裝置的轉動臂的距離調好，轉動轉動臂，使測量輥壓在卡盤上。
4、開始試驗：按「扭轉角清零」按鍵，使電腦顯示屏上的扭轉角顯示值為零。按「執行」鍵，開始試驗。
5、記錄資料：試件斷裂後，取下試件，觀察分析斷口形貌和塑性變形能力，填寫實驗資料和計算結果。
6、試驗結束：試驗結束後，清理好機器，以及夾頭中的碎屑，關斷電源。
二、鑄鐵
1、試件準備：在標距的兩端及中部三個位置上，沿兩個相互垂直方向各測量一次直徑取平均值，再從三個平均值中取最小值作為試件的直徑d。在低碳鋼試件表面畫上一條縱向線和兩條圓周線，以便觀察扭轉變形。
2、試驗機準備：按試驗機→計算機→印表機的順序開機，開機後須預熱十分鐘才可使用。根據計算機的提示，設定試驗方案，試驗引數。
3、裝夾試件：啟動扭轉試驗機並預熱後,將試件一端固定於機器,按"對正"按鈕使兩夾頭對正後,推動移動支座使試件頭部進入鉗口間.
4、開始試驗：按「扭轉角清零」按鍵，使電腦顯示屏上的扭轉角顯示值為零。按「執行」鍵，開始試驗。
5、記錄資料：試件斷裂後，取下試件，觀察分析斷口形貌和塑性變形能力，填寫實驗資料和計算結果。
6、試驗結束：試驗結束後，清理好機器，以及夾頭中的碎屑，關斷電源。
【實驗資料與資料處理】
一. 低碳鋼扭轉
1.低碳鋼直徑d測量
2.低碳鋼定位環間距l測量
注：第二次實驗修正標距為100
3.線性階段相關資料
當處於線性階時,有
二. 鑄鐵扭轉
1.鑄鐵直徑d測量
【實驗結果分析】
一、低碳鋼資料處理
1、驗證線性階段的資料是否為一條直線，以驗證比例極限內的扭轉角公式
根據original data,運用matlab擬合實驗資料
則選取資料如下表
資料用matlab繪製的圖如下
滿足線性關係
二、計算低碳鋼模量g
所以，三、計算低碳鋼和鑄鐵的剪下強度極限
1、低碳鋼：
屈服極限：
強度極限：
2、鑄鐵
強度極限：
埠形狀：
低碳鋼鑄鐵
【實驗思考】
1、試件的尺寸和形狀對測定彈性模量有無影響?為什麼?
答：彈性模量是材料的固有性質，與試件的尺寸和形狀無關。
2、逐級載入方法所求出的彈性模量與一次載入到最終值所求出的彈性模量是否相同?為什麼必須用逐級載入的方法測彈性模量?
答: 逐級載入方法所求出的彈性模量與一次載入到最終值所求出的彈性模量不相同，採用逐級載入方法所求出的彈性模量可降低誤差，同時可以驗證材料此時是否處於彈性狀態，以保證實驗結果的可靠性。
3、碳鋼與鑄鐵試件扭轉破壞情況有什麼不同?分析其原因.
答：碳鋼扭轉形變大，有屈服階段，斷口為橫斷面，為剪下破壞。
鑄鐵扭轉形變小，沒有屈服階段，斷口為和軸線成約45°的螺旋形曲面，為拉應力破壞。
4、鑄鐵扭轉破壞斷口的傾斜方向與外加扭轉的方向有無直接關係?為什麼?
答：有關係。扭轉方向改變後，最大拉應力方向隨之改變，而鑄鐵破壞是拉應力破壞，所以鑄鐵斷口和扭轉方向有關。
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