文档介绍：1
实验三、金属材料的扭转实验
一、实验目的
1. 测定低碳钢(或铝合金)的切变模量G。
2. 测定铝的规定非比例扭转应力
4. 观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。
3. 测定低碳钢的屈服点或上屈服点、下屈服点
和抗扭强度
图1-19 扭转试样
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二、设备和仪器
1. RNJ-500微机控制电子扭转试验机。
1 单片机测控箱
2 固定夹具
3 活动夹具
4 减速箱
5 导轨工作平台
6 手动调整轮
7 伺服电机
8 机架
图附1-5-1 RNJ-500 型微机控制扭转试验机示意图
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固定夹具(2)一端与扭矩传感器相连,另一端用于试样安装;活动夹具(3)则一端固定试样,另一端与减速箱(4)相连。
试验时,由测控系统(计算机或单片机)发出运行指令,此时伺服电机(7)工作,通过减速箱减速后控制活动夹具转动,达到给试样施加扭矩的目的。
另外出于试验机调零和操作灵活的考虑,该试验机提供了手动调节的控制方式。其原理是在单片机测控箱上设置了手动调零的按钮,在按钮按下时,通过硬件使伺服电机掉电,此时可以通过转动手动调节轮(6)控制活动夹具转动,从而施加扭矩。
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图附1-5-2 扭转试验机测量系统组成图
试验机测量系统主要由扭矩传感器、小角度扭角仪、光电编码器、单片机系统、计算机、网络打印机等组成,如图1-5-2所示。
在试样承受扭矩时,产生扭转变形,标距间的扭转角由小角度扭角仪获得,同时通过光电编码器获取活动夹具的转动角度。这样,单片机系统将相应的扭矩、标距间扭转角以及活动夹具的转动角度信号分别进行放大,并作数字化处理后的结果通过RS-232传递给计算机系统,计算机系统对接受的数据按用户要求分别绘制出相应的测试曲线,并将最后试验结果输出
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2. 小扭角传感器。
3. 游标卡尺。
1 试样
2 固定夹块
3 紧定螺母
4 旋转夹块
5 标距标尺
6 数字百分表
图附1-5-4小角度扭角仪示意图
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四、测量原理
材料的切变模量G是在扭转过程中,线弹性范围内切应力和切应变之比。切变模量G是计算构件扭转变形的基本参数,可采用逐级加载法或图解法测定。
1、测G(逐级加载法)
先通过试验机采用手动形式施加初始扭矩T0,然后采用等增量加载,加载五次,第i次加载后扭矩为
(a)
按照定义:
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或采用最小二乘法计算切变模量G。
或者:
标距间相对扭转角由试验机提供的小角度扭角仪测量获得,记录每级载荷下的扭转角。各级加载过程中的切变模量为:
取平均值:
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2、测G(图解法)
通过试验机配备的扭矩传感器以及小角度扭角仪,可自动记录扭矩-扭转角(T- )曲线,如图1-20所示。
在所记录的曲线的弹性直线段上,选取扭矩增量和相应的扭转角增量。按下式计算材料的切变弹性模量G
式中:
为小角度扭角仪的测量标距;
为试样截面对圆心的极惯性矩。
图1-20图解法测G
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3 低碳钢屈服点测定
拉伸时有明显屈服现象的金属材料(如低碳钢)在扭转时同样有屈服现象。通常T- 曲线有两种类型,见图1-21。
扭矩保持恒定而扭转角仍持续增加(曲线出现平台)时的扭矩称为屈服扭矩,记作(图1-21a),按弹性扭转公式计算所得的切应力称为屈服点,记作
图1-21 有明显屈服现象的T- 曲线
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在屈服阶段,扭矩首次下降前的最大扭矩称为上屈服扭矩,按弹性扭转公式计算所得的切应力称为上屈服点:
屈服阶段中的最小扭矩称为下屈服扭矩(不加说明时即指下屈服扭矩),按弹性扭转公式计算所得的切应力称为下屈服点: