【知识目标】

1.观察低碳钢和铸铁在扭转过程中的几何变形,验证圆轴扭转平面假设条件。

2.获得低碳钢和铸铁在准静态变形速率下的扭矩-扭转角曲线。

3.测定低碳钢的扭转抗剪屈服强度τs 和抗剪强度τb。

4.测定铸铁的扭转抗剪强度τb。

【技能目标】

1.能根据试样断口形貌结合理论知识,分析低碳钢和铸铁扭断破坏的原因。

2.能根据断口分析结果和扭矩-扭转角曲线,比较低碳钢与铸铁的力学性能。

3.了解电子扭转试验机的结构、工作原理和操作方法。

3.4.1　实验设备

①RNJ-1000 微机控制电子扭转试验机。

②游标卡尺。

3.4.2　实验内容

①对低碳钢进行扭转破坏实验,观察低碳钢扭转的现象,分析断裂的原因。

②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。

③计算低碳钢的扭转抗剪屈服强度τs 和抗剪强度τb。

④计算铸铁的扭转抗剪强度τb。

3.4.3　实验原理

圆轴受扭时,试样横截面处于纯切应力状态,因此,通常用扭转实验来研究不同材料在纯剪切作用下的力学性能。

(1)低碳钢试样的扭转

低碳钢试样在受到扭转的整个过程中,电子扭转试验机通过扭矩传感器和驱动电机主轴编码器获取扭矩和扭转角信号,由控制软件绘制Mn-φ 关系曲线,如图3.9 所示。当扭矩在比例扭矩Mp 以内,材料处于线弹性状态,OA 段为一直线,扭矩Mn 与扭转角φ 呈正比关系变化。试样横截面上的剪应力分布如图3.10(a)所示。当扭矩增大到Mp 时,试样横截面外圆处的切应力(最大切应力)为材料的比例强度τp,如图3.10(b)所示。当扭矩超过Mp 后,试样横截面上的切应力分布方式发生变化,首先是横截面外圆处的材料发生了屈服(即流动),周边形成环形塑性区,此区域内切应力达到抗剪屈服强度τs,切应力分布如图3.10(c)所示。随着扭矩继续增大,塑性区的切应力达到τs 后并不继续增大,而是如图3.10(c)所示不断向内拓展,Mn-φ 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,B 点对应的扭矩即为屈服扭矩Ms,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3.10(d)所示,即当Mn 达到Ms 时,横截面上各点的剪应力大小均相同,且都为τs,故由图3.10(e)得

式中,τs=常数,且dA=2πρdρ,则

图3.9　低碳钢扭矩-扭转角曲线

图3.10　扭转变形横截面剪应力分布

过了屈服阶段以后,因材料的强化,故又恢复了承载能力,但扭矩增加缓慢,而变形(扭转角φ)增长很快,B′C 段近似一根直线,到达C 点时,试样被切断,对应的扭矩即最大扭矩Mb,此时横截面上各点切应力仍与图3.10(d)相似,呈均匀分布,且都为τb。显然有(www.daowen.com)

(2)铸铁试样的扭转

铸铁试样从开始承受扭矩直到被破坏,其Mn-φ 关系曲线近似为一条直线,如图3.11(a)所示。可知,铸铁试样扭转过程中变形(扭转角φ)较小,且无屈服现象。试样外缘处切应力达到τb 时发生断裂。断裂时刻横截面上的切应力分布如图3.11(b)所示。由静力平衡关系可得

图3.11　铸铁转角扭矩及应力分布曲线

式中,τb=常数,且dA=2πρdρ,则

试样破坏后记录其最大扭矩Mb,即可计算铸铁抗剪强度τb 为

(3)低碳钢、铸铁扭转破坏断面形状及形成原因

受扭圆轴试样最大切应力出现在外圆处,试样表面处于平面应力状态。根据材料力学平面应力状态理论对由表面取出的正六面体微元体进行应力状态分析可知,微元体最大切应力出现在与竖直方向成0°夹角的截面上,最大的拉应力与压应力分别出现在微元体与竖直方向成±45°角的斜截面上,并且正应力与切应力的极值大小均为同一数值。拉伸试验的断口已证明低碳钢的抗拉压能力强于其抗剪能力,故如图3.12(a)所示从横截面切断。而铸铁如图3.12(b)所示的45°螺旋面断口证明了其抗拉能力最弱。

图3.12　低碳钢、铸铁扭转破坏断面形状

3.4.4　实验步骤

①试样准备。沿试样轴向等间距测量3 处位置的直径d,每处位置相隔90°各测一次并求平均值,以最小平均直径作为计算直径;在试样的表面上用有色笔沿轴向和径向画线绘制矩形方格,以便观察变形及破坏情况。

②试验机准备。熟悉试验机的操作规程;打开试验机电源;打开控制软件,将扭矩、扭转角和小变形数据清零。

③装夹试样。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,要保证试样夹紧后初始扭矩为正值,使试样扭转过程中不打滑。

④进行试验。选择合适的控制方案,并根据方案设置合适的变形速率和逻辑条件。实验过程中,认真观察试样发生的变形现象和扭矩-扭转角曲线的变化。

⑤观察低碳钢、铸铁试样断口,画出断口形状草图,分析断口形成原因。

3.4.5　实验结果的处理

①按计算直径d(最小平均直径)计算抗扭截面模量(Wn=πd3/16),并将计算结果填入表格。

②根据低碳钢试样的屈服扭矩,计算其抗剪屈服强度τs。

③根据低碳钢试样的最大扭矩Mb,计算其抗剪强度τb。

④根据铸铁试样的最大扭矩Mb,计算其抗剪强度τb。

3.4.6　思考题

①根据低碳钢和铸铁的拉伸、压缩和扭转3 种实验结果,分析总结两种材料的力学性能。

②低碳钢与铸铁试样扭转破坏的情况有什么不同?为什么?

③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?