扭转实验、各向异性材料的单轴拉伸实验

实验3 扭转实验

李享荣 编写

一、实验目的

1.测定低碳钢的扭转屈服极限和强度极限。

2.测定铸铁的扭转强度极限。

3.观察低碳钢和铸铁的断口情况，并分析其原因。

二、实验设备

1.K —500型扭转机(见附录三)

2.游标卡尺

三、实验原理及装置

1.低碳钢园截面试件扭转时，其尺寸和形式视试验机而定。在弹性范围内，扭矩T 与扭转角?为直线关系(图3-1a)。

当扭矩超过比例极限扭矩p T 时，曲线变弯并逐渐趋于水平。在屈服阶段时，扭角增加而扭矩不增加，此时的扭矩即为屈服扭矩

s T 。屈服后，圆截面上的剪应力，由边缘向中心将逐步升值到扭转屈服极限

s τ(图3-1b)，即截面材料处于全屈服状态，由此，可以求得材料

的剪切屈服极限为：

图3-1a 低碳钢扭转时的?-T 曲线 3-1b 低碳钢扭转时横截面在全屈服下的应力分

布

p s s W T 43=τ ， 其中

163d W p π= 此后，扭转变形继续增加，试件扭矩又继续上升至C 点，试件被剪断，记下破坏扭矩b T ，扭转强度极限b τ为：

p b b W T 43=

τ

铸铁受扭时，?-T 曲线如图3-2所示。从开始受扭，直到破坏，近似为一条直线，故其强度极限b τ可按线弹性应力公式计算如下：

p b b W T =

τ

图3-2 铸铁扭转时的?-T 曲线 图3-3 铸铁扭转时沿45o 斜截面的应力

材料在纯剪切时，横截面上受到切应力作用，而与杆轴成45o

螺旋面上，分别受到拉应力τσ=1和压应力τσ-=3的作用(图3-3)。

低碳钢的抗拉能力大于抗剪能力，故试件沿横面剪断(图3-4a)，而铸铁抗拉能力小于抗剪能力，故沿45o

方向拉断(图3-4b)。

图3-4a 低碳钢扭转破坏 图3-4b 铸铁扭转破坏

四、试验步骤：

1.用游标卡尺测量试件直径。

2.根据低碳钢的强度极限估计试件的最大扭矩，确定测力盘读数范围并调整摆锤重量及校正表盘零点，检查自动绘图仪是否正常。

3.将试件装在扭转机二夹头内，并用粉笔在试件轴线方向画一条细线。以观察变形。

4.检查准备妥当后，开始试验。用慢速加速或手摇加载使试件缓慢而均匀地变形。仔细观察

测力指针的转动，当测力盘指针几乎不动而扭角继续增加时，说明材料已屈服，记下此时的扭矩T 。过了屈服阶段以后，取下加载摇手柄，开动电机加载，直到试件扭断为止。停车并记下破坏。

实验1 各向异性材料的单轴拉伸实验

马杭编写

工程上使用的大量材料例如木材、纤维增强复合材料的力学性能是与受力方向有关的，即为各向异性材料。各向异性材料的应力应变关系和机械性能与各向同性材料有很大的差别，存在应力应变主轴不重合、拉剪耦合、弹性常数具有方向性等一些新的现象。本实验采用木材试样，观察比较木材在不同方向上机械性能的差异。

一、实验目的

1.通过单轴拉伸实验，观察分析木材在纵向和横向两个方向上的拉伸过程，观察断口，比较其机械性能。

2.测定材料在纵向和横向两个方向上的强度指标。

3.进一步熟悉电子万能材料试验机的使用。

二、实验设备

1.电子万能材料试验机WDW-100A(见附录一)。

2.计算机、打印机。

3.游标卡尺。

三、试样

板状拉伸试样几何形状如图4-1所示，采用两块试样，其拉伸方向分别为木材纤维的纵向和横向，材质为水曲柳。

图4-1 板状拉伸试样简图

四、实验原理

单轴拉伸实验在电子万能材料试验机上进行。在试验过程中，试验机上的载荷传感器

和位移传感器分别将感受到的载荷与位移信号转变成电信号送入EDC 控制器，信号经过放大和模数转换后送入计算机，并将处理过的数据同步地显示在屏幕上，形成载荷—位移曲线（即l P ?-曲线），试验数据可以存储和打印。在实验前，应进行载荷传感器和位移传感器的标定（校准）。

根据l P ?-曲线和试样参数，计算木材纵向和横向的强度指标。根据强度指标、l P ?-曲线特征并结合断口形貌，分析、评价木材纵向和横向的性能。

五、试验步骤

1.试样原始尺寸测量：b ，h ，如图4-1所示。

2.初始条件设定（参见附录一：电子式万能材料试验机控制软件使用说明）：（1）首先进行载荷与位移清零，用鼠标点击载荷与位移（绿色）显示区右上方的0.0按纽，使两者的显示值均为零。（2）点击左上方“曲线参数”，根据材料的强度与塑性，选择合适的显示量程，对于纵向拉伸，载荷范围选40 kN ，位移范围为30 mm 比较合适。附图一右下方为载荷—位移曲线的显示区，其X 轴为横梁位移（mm ），Y 轴为载荷（kN ）。（3）点击左上方“试样信息”，输入试样参数。

3.试样装夹：（1）选择“手动操作”，设定较快的横梁移动速度（20mm/min 或50mm/min ），点击“上升”或“下降”使横梁移动并观察。当横梁到达合适的位置时，点击“停止”使横梁停止移动。（2）将试样的夹持端插入上楔形夹头并旋紧，点击“下降”使试样的另一端插入下楔形夹头，下降时注意对中以免产生碰撞，停机后旋紧下夹头。

注意，试样装夹之后不再进行载荷清零。

4.加载试验：（1）选择“手动操作”，设定试验速度为5mm/min ，观察l P ?-曲线的变化和实验中出现的现象。试样断裂后试验机自动停止加载。

5.试验结束前的重要工作：（1）打印记录曲线，开启打印机电源后，依次点击右上角“分析”（弹出新界面）、“打印”。 点击右上角“保存”，可以将本次试验的信息以文本文件的形式保存起来，文件名的后缀为“.dat ”。（2）取下试样，观察断口形貌。（3）对于纵向拉伸，实验结束后试样可能并未完全断开，可以在打印记录曲线之后选择较大的横梁移动速度（例如20mm/min 或50mm/min ）将试样完全拉断。

六、试验结果整理

1.根据l P ?-曲线和试样参数，计算木材纵向和横向的强度指标。

2.画出断口形貌简图，根据试验结果，对木材纵向和横向的性能进行计算和分析比较，包含极限强度、曲线初始段斜率（相当弹性模量），计算纵向与横向强度的比值，并进行简要的讨论。

3.独立完成试验报告。