1、材料力学实验指导书3扭转实验指导书1、概述工程中有许多承受扭转变形的构件，了解材料在扭转变形时的力学性能，对于构件的合理设计和选材是十分重要的。扭转变形是构件的基本变形之一，因此扭转实验也是材料力学基本实验之一。2、实验目的2.1 测定低碳钢的扭转屈服强度口及抗扭强度Q。2.2 测定铸铁的抗扭强度rz,。2.3观察、比较低碳钢和铸铁在扭转时的变形和破坏现象，分析其破坏原因。3、实验原理对一确定形状试件两端施加一对大小为Me的外力偶，试件便处于扭转受力状态，此时试件中的单元体处于如图3.1所示的纯剪应力状态。图3.1纯剪应力状态对单元体进行平衡分析可知，在与试样轴线成45角的螺旋面上，分别承受主
2、应力力=7，%=T的作用，这样就出现了在同一个试件的不同截面上拉压=Z的情形。这样对于判断材料各极限强度的关系提供了一个很好的条件。图3.2为低碳钢Q235扭转实验扭矩了和扭转角的关系曲线，图3.3为铸铁HT200试件的扭转实验扭矩了和扭转角。的关系曲线。图3.4为低碳钢和铸铁扭转破坏断口形式MeMe图3.4低碳钢和铸铁扭转破坏断口形式由图3.2低碳钢扭转7-。曲线可以看出，低碳钢Q235的扭转丁-。曲线类似于拉伸的尸-曲线，有明显的弹性阶段、流动屈服阶段及强化阶段。在弹性阶段，根据扭矩平衡原理，由剪应力产生的合力矩需与外加扭矩相等，可得剪应力沿半径方向的分布,为：_TXP在弹性阶段剪应力的变
3、化如图3.5所示图3.5低碳钢扭转试件弹性阶段应力分布变化在弹性阶段剪应力沿圆半径方向呈线性分布，据此可得max当外缘剪应力增加到一定程度后，试件的边缘产生流动现象，试件承受的扭矩瞬间下降，应力重新分布至整个截面上的应力均匀一致，称之为屈服阶段，在屈服阶段剪应力的变化如图3.6所示称达到均匀一致时的剪应力为剪切屈服强度（TS）,其对应的扭矩为屈服扭矩，习惯上将屈服段的最低点定义为屈服扭矩，同样根据扭矩平衡原理可得:37,v*p37；E-、=2s41p4Wp图3.6低碳钢扭转试件屈服阶段应力分布变化应力均匀分布后，试件可承受更大的扭矩，试件整个截面上的应力均匀增加，直至试件剪切断裂,如图3.4所
4、示，最大剪应力对应的扭矩为最大扭矩，定义最大剪应力为剪切强度。通过以上的分析可知：在低碳钢的扭转时，可以得到剪切强度极限，但由于不同材料的破坏形式并不一致，其剪切强度的计算公式并不相同，鉴于此，为方便不同材料力学特性的比较，国标金属扭转实验方法（GB10128-1988）规定，材料的扭转屈服点和抗扭强度按公式TS=7；/%,%=/WP计算。需要注意的是，国标定义的强度为抗扭强度而非剪切强度。由图3.2铸铁扭转7-。曲线可以看出，铸铁HT200的扭转丁-。曲线类似于拉伸的Z7-1.曲线，没有屈服阶段及强化阶段。从图3.1纯剪应力状态及图3.4铸铁扭转破坏断口形式可以看出，铸铁试件是沿与轴线成45
5、螺旋面方向被拉伸破坏的，也就是说，在图3.1纯剪应力状态单元体中，拉应力首先达到拉伸强度值。其抗扭强度的计算同低碳钢试件，且此时抗扭强度等于最大扭矩时的最大剪应力（即边缘剪应力）。由以上分析可知：铸铁的扭转破坏是由于拉应力引起的拉伸破坏，通过扭转实验可间接测得铸铁试件的拉伸强度，但无法得到其剪切强度。4、实验方案4.1 实验设备、测量工具及试件YDD-I型多功能材料力学试验机（图1.8）、15Onim游标卡尺、标准低碳钢、铸铁扭转试件（图3.7）。YDD-I型多功能材料力学试验机由试验机主机和数据采集分析系统两部分组成，主机部分由加载机构及相应的传感器组成，数据采集部分完成数据的采集、分析等
6、试件采用两端为扁形标准扭转试件，按国标金属扭转实验方法（GBzTl0128-1988）的规定制作，试件的两端与试验机的上、下扭转夹头相联接。为方便观测试件的变形，试验前需用游标卡尺测量出试件的最小直径（d。）。为方便观测试件的变形、观察实验现象实验前在试件上作一组如图3.7图3.7常用扭转试件所示的矩形框标记。4.2装夹、加载方案安装好的试件如图3.8所示。试件两端为扁形,扭转试验时，试件的两端与试验机的上、下扭转夹头相联接，夹头中间有矩形加载槽。上夹头通过花键轴与扭矩传感器联接，花键轴在扭矩传感器中可上下滑动，以适合安装试件。下夹头通过双键与试验机的扭转轴相联接。扭转时，扭矩传感器固定不动
7、扭转电机带动下夹头转动，试件受到扭转。4.3数据测试方案扭矩通过上夹头-花键轴传至扭矩传感器，试件的转角通过安装在扭转轴上的光电编码器转化为电压方波信号，转轴每转过一个确定的角度，光电编码器就输出一个方波信号，这样，通过记录方波的数量就可以知道试件的转角，扭转时，数据采集系统每检测到一个方波就记录一次数据，并将方波数量代表的转角作为X轴，扭矩作为Y轴显示数据，这样就得到了扭转试验的扭矩-转角曲线。1、3-扭转上下夹头，2-扭转试件，4-左立柱，5-扭矩传感器图3.8扭转实验试件的装夹数据采集分析系统，实时记录试件所受的扭矩及转角,并生成扭矩、转角实时曲线.图3.9为实4.4数据的分析处理测低
8、碳钢Q235扭转实测曲线，图3.10为实测铸铁HT200的扭转实测曲线。在图3.9低碳钢Q235扭转实验曲线中，横坐标-试件的转角，纵坐标-试件所受的扭矩，从扭矩-转角曲线可以清晰地区别低碳钢扭转实验的弹性阶段、屈服阶段,并可方便地读取屈服扭矩、极限扭矩。B&出HEiran名ICHOo3I方式1240722300JCHDO4方式1240.22.13001I10572.181C10572第三项、窗口参数可以开设三个数据窗口：中间窗口：荷载、应变实时曲线；右窗口：纵坐标-荷载，横坐标-纵向应变和横向应变；左窗口：纵坐标-横向应变，横坐标-纵向应变。并设定好窗口的其它参数如坐标等。6.4.3数据预采
9、集6. 4.3.1采集设备满度值对应检查检查采集设备各通道显示的满度值是否与通道参数的设定值相一致，如不一致，需进行初始化硬件操作，单击菜单栏中的“控制”，选择“初始化硬件”，就可以实现采集设备满度值与通道参数设置满度值相一致。7. 4.3.2数据平衡、清零单击菜单栏中的“控制”，选择“平衡”，对各通道的初始值进行硬件平衡，可使所采集到的数据接近于零，然后，单击菜单栏中的“控制”，选择“清除零点”，“清除零点”为软件置零，可将平衡后的残余零点清除。8. 4.3.3启动采样单击菜单栏中的“控制”，选择“启动采样”，选择数据存储的目录，便进入相应的采集环境，采集到相应的零点数据，此时启动油泵，选择
10、压缩上行”或“拉伸下行”，打开“进油手轮”，使下夹头上行或下行，此时所采集到的数据便会发生相应的变化，将下夹头调整到拉伸位置。此时从实时曲线窗口内便可以读到相应的力和位移的零点数据，证明采集环境和设备均能正常工作。单击菜单栏中的“控制”，选择“停止采样”，停止采集数据，并分析所采集的数据，确认所设置的各参数是否正确。这样就完成了数据采集环境的设置。6.5加载测试在确信采集环境和设备运行良好以后，便可以开始正式的加载测试了。首先设置试验机所处的状态，关闭“进油手轮”，关闭“调压手轮”，选择“拉压自控”、“油泵启动”、“拉伸下行”，前面已经设置好了采集环境，只需要“控制”、“平衡”、“清除零点”
11、启动采样”，测试到零点数据。打开“进油手轮”进行拉伸加载，实验过程中通过进油手轮的旋转来控制加载速度。从中间窗口内可以读到试件所受的力以及试件的纵向应变和横向应变，至合适拉伸值时打开“压力控制手轮”，选择“压缩上行”，至力归零后，关闭“压力控制手轮”，通过“进油手轮”控制加载速度，进行压缩加载，至合适压缩值时打开“压力控制手轮”选择“拉伸下行”，至力归零后，关闭“压力控制手轮”，进行拉伸加载，通过旋转“进油手轮”控制加载速度。加载至合适值后，再卸载，进行压缩加载。这样循环测试到3-4组正确的数据后，在试件处于非受力的状态下就可以关闭“进油手轮”，停止采样。“油泵停止”，“拉压停止”，“自控
12、停止”。这样就完成了加载测试的过程。当然，也可以通过通道报警功能，控制拉压自动换向加载，由于在自动换向时，系统处于高压状态，试件有突然卸载现象。7、数据分析7.1 验证数据首先回放一下试验加载的全过程，然后把数据调进来，显示全部数据，预览全部数据，观察数据的变化规律，验证数据的正确性。7.2 读取数据弹性模量和泊松比电测试验采用分级读数的方式验证，共分5级，依据试验过程中的最大荷载，确定级差，为消除起始点误差的影响，一般将级差荷载作为零点荷载。通过数据移动及局部放大功能,显示所需要的一段数据,采用光标拖动与方向键微移光标相结合的方式,选取合适的荷载值，同时读取该荷载下的纵向应变和横向应变，填入
13、试验表格，然后依次读取下一级的荷载及其对应的应变值，填入试验表格。需要注意的是：由于采用拉、压双向加载测试，分析数据时需要分析两组数据，拉伸段,压缩段。对于用油压传感器测力的系统，测力通道需根据拉压段输入不同的系数。7.3 分析数据通过实验前的测量及实验后的数据读取就得到了所需要的数据,代入相应的公式或计算表格即可得到弹性模量E和泊松比需要注意的是，由于采用拉、压双向加载测试，分析数据时需要分析两组数据，拉伸段、压缩段，并注意正反向数据的比对。7.4 完成实验报告通过观察试验现象、分析试验数据就可以进行试验报告的填写了，完成实验报告的各项内容。并总结试验过程中遇到的问题及解决方法。8、实验注意
14、事项1、在紧急情况下，没有明确的方案时，请按急停按钮；2、上夹头应处于活动较状态，但不应旋出过长，夹头与上横梁间隙应在3T0n三之间；3、在装夹试件确定油缸位置时，严禁在油缸运行时手持试件在夹头中间判断油缸的位置；4、实验初始阶段加载要缓慢；5、进行数据采集的第一步为初始化硬件，初始化完成后应确认采集设备的量程指示与通道参数的设定值一致；且平衡后各通道均无过载现象；6、试件装夹及拆卸过程中应注意对应变片、接线板及测试线的保护。7、在09年前的试验机上进行电测类实验时，实验操作人员可能未按照规定操作，没有及时关闭进油手轮而先停止数据采集时，试验机油缸活塞杆可能仍在向上或向下动作，此时容易造成试件特别是纯弯梁试件的不可逆损坏。因此进行如下升级：在数据采集分析系统中增加了同步停止辅助功能，当实验人员首先停止数据采集时，数据采集分析系统自动发送一个电压控制信号，使运行中的试验机油缸活塞杆停止动作5秒钟并报警，提示操作人员关闭进油手轮，避免试件损坏。注意：操作者仍然应该在关闭试验机后，停止数据采集。
