【知识目标】

1.测定Q235 低碳钢切变模量G。

2.验证扭转胡克定律。

【技能目标】

1.能全面考虑测量仪器精度、人为读数误差的影响,设计合理的加载方案。

2.了解扭角仪工作原理和使用方法。

3.了解电子扭转试验机的结构、工作原理和操作方法。

3.5.1　实验设备

①RNJ-1000 微机控制电子扭转试验机。

②扭角仪。

③游标卡尺。

3.5.2　实验内容

①测定低碳钢的切变模量G。

②学习扭角仪的原理及使用方法。

3.5.3　实验原理

圆轴受扭转时,横截面处于纯剪切应力状态。因此,常用扭转试验来研究不同材料在纯剪切作用下的力学性能。

如图3.13 所示为受扭转作用的圆轴。其两端分别作用着外力偶Me,此段轴各横截面上的扭矩Mn=Me。横截面Ⅱ相对于横截面Ⅰ产生的扭转角为φ,在材料的剪切比例强度内时,由扭转理论可知,扭转角φ 与扭矩Mn 的关系为

式中　l——轴上Ⅰ,Ⅱ横截面间的距离;

IP——横截面的极惯性矩。

图3.13　受扭矩的圆轴

实验时采用等增量加载法逐级加载,每增加同样大小的扭矩ΔMn,如扭转角的增量Δφ 基本相等,则验证了扭转胡克定律。实验时,用扭角仪测出各级载荷作用下的扭转角φi 就可计算出各级扭转角的增量Δφi。确定等增量加载法的加载方案应考虑下面4 点:

①因扭转胡克定律在线弹性范围内才成立,故试样承受最大应力值不能超过比例极限。

②由于夹头与试样之间,以及试验机传动链各环节存在微小间隙,因此,必须施加初始载荷,以避开实验开始阶段各类非线性因素带来的影响。

③初始载荷大于或等于每次的增量载荷。

④至少应有4~6 级加载,每级加载应使扭角仪百分表读数有足够大的变化,要考虑人为读表误差所占比例必须在允许的范围内,结合本实验采用试样的几何参数与百分表测量精度,本实验建议ΔMn≥5 N·m。

在低碳钢试样上安装扭角仪测量扭转角,如图3.14 所示。按选定的标距l0 用刻线机刻划两条标距线,将扭角仪的A,B 两个环分别固定在两端标距线处,加载后标距线处两横截面发生相对转动,由百分表测出距试样轴心线距离为b,且分别在A 和B 横截面上两点的相对位移δ(mm)(设百分表的大指针相应转过N 格),则(www.daowen.com)

图3.14　扭角仪安装示意图

A,B 两横截面的相对转角(即AB 段轴的扭转角)为

根据测算得的各级扭转角的增量Δφi 及式(3.17),可得

因此,由实验得到材料的切变模量为

验证扭转虎克定律也可用作扭转曲线图(即Mn-φ 图)的方法来进行,即将各级加载值(即扭矩Mni)及其测算得的相应的扭转角φi 分别作为纵、横坐标值绘图,如扭转曲线近似一条直线,这就验证了扭转虎克定律。

3.5.4　实验步骤

(1)试样准备

①用游标卡尺测量试样的直径。用刻线机在试样标距两端刻划圆周线。

②把扭角仪的两个圆环套在试样上(暂不固定),将试样装入扭转试验机的夹头内。

③根据低碳钢的剪切屈服极限τs 及扭角仪的量程,拟订加载方案。

(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)安装扭角仪

①把A,B 两圆环上的螺母拧紧,保证两圆环的间距为标定距离80 mm,并尽量使两圆环的轴心线与试样的轴心线重合。

②把百分表紧固在A 环上,用游标卡尺测量试样轴心线到百分表顶杆端头的实际距离b,并测量实际的标距长度l0。

(4)进行实验

合理设置控制软件加载程序,保证加载过程缓慢均匀,每增加一次扭矩ΔMn 试验机保载5 s,记录扭角仪的读数一次,加载到最终载荷(切勿超过比例极限Mp)为止。

(5)结束工作

用慢速反向缓慢卸载到零为止。

3.5.5　实验结果的处理

①以扭矩Mn 为纵坐标,扭转角φ 为横坐标,作弹性变形阶段的Mn-φ 图。

②计算每次的切变模量Gi,再取其算术平均值即得材料的切变模量G。

3.5.6　思考题

实验采用何种加载方法?应考虑哪些问题?