金属轴件的高低周拉、扭疲劳演示实验
金属材料扭转实验报告
金属材料扭转实验报告小组成员：谭晓霞张丽丽张贺郭超凡一、实验目的：扭转实验是了解材料抗剪能力的一项基本实验，本实验着重了解塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）受扭转时的机械性能，测定sτ 、bτ 绘制φ−T 图，并比较两种材料的破坏情况及原因。
二、实验原理：圆轴扭转时横截面上的剪应力为最大剪应力产生在试件的横截面的边缘处,其值等于式中: T—截面上的扭矩pI—圆截面的极惯性矩pW—圆截面的抗扭截面模量由理论可知，圆轴扭转时其横截面上任意一点处于平面应力状态，沿与轴线夹角成45°的方向上的最大拉应力大小为由于各种材料抵抗剪切与抵抗拉伸的能力不同，因此不同材料的扭转破坏方式也不同，如图4.2所示。
低碳钢圆试件扭转到破坏时，已超过屈服阶段。
如对材料作理想塑性考虑（图4.3），此时截面上的剪应力的分布随着扭矩的增大趋于均匀，如图4.3（c）所示，假设应力为sτ（屈服极限），则这时截面上应力sτ与相应扭矩的Ts的关系为同理可计算塑性材料在扭转时的剪切强度极限对于铸铁等脆性材料在扭转至破坏时，因其变形较小无屈服现象，故可近似地用弹性应力公式进行计算，若破坏时的扭矩为Tb，则得到剪切强度极限为三、实验仪器1、扭转测试机2、游标卡尺四、试样NDW31000扭转试验机的试样夹持直径在8～40mm。
本试验使用标距L=100mm，标距部分直径d=10mm 的圆形截面标准试件五、实验步骤1、试样准备在试样标距段的两端及中间截面处，沿两相互垂直方向测量直径各一次，并计算各截面直径的算术平均值。
选用三个截面中平均直径的最小值计算试样截面的扭转截面系数。
2、实验机准备①估计载荷，确定载荷在试验机量程范围之内。
②打开试验机开关；打开计算机主机及显示屏。
③打开控制主程序，联机。
3、装夹试样①将试样轻夹于两夹头上，使试样的纵轴线与试验机夹头的轴线要重合。
②松开被动夹头，拧紧主动夹头。
在控制程序的试验界面中选“扭矩清零”。
金属材料 疲劳试验 应变控制轴向-扭转疲劳试验方法
金属材料疲劳试验应变控制轴向-扭转疲劳
金属材料的疲劳试验主要分为轴向疲劳和扭转疲劳两种。
轴向疲劳试验主要是评估材料在轴向拉伸或压缩加载下的疲劳性能，而扭转疲劳试验则是评估材料在旋转过程中承受扭矩的能力。
应变控制轴向-扭转疲劳试验是一种综合性的试验方法，通过同时控制材料的轴向应变和扭转应变，以模拟实际应用中复杂的应力状态。
应变控制轴向-扭转疲劳试验的基本原理如下：
1. 试样制备：根据标准规定，制备相应的金属试样，通常为棒状或板状。
2. 试验设备：使用专业的疲劳试验机，如MTS或INSTRON疲劳试验机，配置高温模块和相应的传感器。
3. 加载方式：试样在轴向和扭转方向上分别施加交替的拉伸和压缩载荷，同时控制轴向应变和扭转应变，以模拟实际应用中的复杂应力状态。
4. 数据采集：通过传感器实时监测试样的应变、载荷、温度等参数，并记录试验过程中的变化。
5. 试验结果分析：根据试验数据，计算疲劳寿命、疲劳强度、循环弹性模量等指标，以评估材料的疲劳性能。
常用的应变控制轴向-扭转疲劳试验标准有：
1. GB/T 26077-2021 金属材料疲劳试验轴向应变控制方法
2. GB/T 15248-2008 金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法
3. GB/T 3075-2021 金属材料疲劳试验轴向力控制方法
需要注意的是，应变控制轴向-扭转疲劳试验对试验设备、试验技术要求和数据处理等方面有较高的要求。
在进行试验时，应严格遵循相关标准规定，确保试验结果的准确性和可靠性。
实验三、疲劳实验
能测试实验
实验三、金属轴向疲劳（S-N)、断裂韧性 （KIC、Kc)、裂纹扩展速率演示实验
1988年4月28日阿罗哈航空波音737-200型客机243号班机在飞行途中发生 爆裂性失压的事故，约头等舱部位的上半部外壳完全破损，机头与机身随时 有分离解体的危险，但10多分钟后奇迹地安全迫降。事件当时，一名机组人 员不幸被吸出机舱外死亡，而其余65名机组人员和乘客则分别受到轻重伤。
2 条件疲劳极限的测定
测试条件疲劳极限采用升降法，试件取13根以上。每级 应力增量取预计疲劳极限的5％以内。第一根试件的试验应 力水平略高于预计疲劳极限。根据上根试件的试验结果，是 失效还是通过（即达到循环基数不破坏）来决定下根试件应 力增量是减还是增，失效则减，通过则增。直到全部试件做 完。第一次出现相反结果（失效和通过，或通过和失效）以 前的试验数据，如在以后试验数据波动范围之外，则予以舍 弃；否则，作为有效数据，连同其他数据加以利用，按下列 公式计算疲劳极限：
应变分量（平面应变状态）：
x E 1 2 v rK Ico 2 1 s 2 v si2 2 n si3 2 n
y E 1 2 v rK Ico 2 1 s 2 v s
i2n si3n 2 2
x y 2 (E 1 2 v )K rI si 2 n co 2c so 3 2 s
1.疲劳S-N曲线
测定S－N曲线（即应力水平－循环次数N曲线）采用成组法。至少取五级应
力水平，各级取一组试件，其数量分配，因随应力水平降低而数据离散增大，故 要随应力水平降低而增多，通常每组5根。升降法求得的，作为S－N曲线最低应 力水平点。然后，以最大应力为纵坐标，以循环数N或N的对数为横坐标，用最佳 拟合法绘制成S－N曲线
材料性能金属的疲劳ppt课件
按应力高低和断裂寿命分,最基本的分类方法。
疲劳类型
类别
高周疲劳 （低应力疲劳）
表 高周疲劳和低周疲劳对比
断裂寿命
周次（Nf）
较长
>105
Hale Waihona Puke 低周疲劳 （高应力疲劳）较短
102～105
应力水平
较低 σ<σs
较高 σ>σs
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篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
疲劳宏观断口
图 带键的轴旋转弯曲疲劳断口，40钢
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Mechanical Properties of Materials
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Mechanical Properties of Materials
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
瞬断区
瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。在疲劳亚临界
疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较 低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应
的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂 区的特征。
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Mechanical Properties of Materials
实验四 金属材料的轴向拉伸实验
实验四：低碳钢轴向拉伸实验一、实验目的1. 测定低碳钢的强度性能指标：抗拉强度R m (σb )。
2. 测定低碳钢的塑性性能指标：断后伸长率A 11.3（δ10）和断面收缩率Z （ψ）。
3. 观察低碳钢的力学性能、拉伸过程、断口特征及破坏现象。
4. 学习电子拉力试验机的使用方法。
注：括号内为GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》发布前的旧标准引用符号。
二、实验原理1. 低碳钢的拉伸低碳钢是指含碳量在0.3％以下的碳素钢。
这类钢材在工程中使用较广，在拉伸时表现出的力学性能也最为典型。
在下图中可以看到低碳钢拉伸过程中的四个阶段（弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段）。
屈服阶段反映在F-ΔL 曲线图上为一水平波动线。
上屈服力F eH 是试样发生屈服而载荷首次下降前的最大载荷。
下屈服力F eL 是试样在屈服期间去除初始瞬时效应（载荷第一次急剧下降）后波动最低点所对应的载荷。
最大轴向力F m 是试F-ΔL 曲线与试样的尺寸有关。
为了消除试样尺寸的影响，把轴向力F 除以试样横截面的原始面积A 0就得到了名义应力，也叫工程应力，用σ表示。
同样，试样在标距段的伸长ΔL 除以试样的原始标距Ｌ0得到名义应变，也叫工程应变，用ε表示。
σ-ε曲线与F-ΔL 曲线形状相似，但消除了儿何尺寸的影响，因此代表了材料本质属性，即材料的本构关系。
典型低碳钢的拉伸σ-ε曲线，如上图所示，可明显分为四个阶段：（1）弹性阶段：在此阶段试样的变形是弹性的，如果在这一阶段终止拉伸并卸载，试样仍恢复到原先的尺寸，试验曲线将沿着拉伸曲线回到初始点，表明试样没有任何残余变形。
习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即E σε=,式中比例系数E 代表直线的斜率，称为材料的弹性模量，其常用单位为GPa 。
它是代表材料发生弹性变形的主要性能参数。
E 的大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力，代表了材料的刚度。
此外，材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。
金属的拉伸实验课件
4、 学习、掌握微机屏显式液压万能试验机的工作原理、 使 用方法及其配套软件的应用。
:、实验设备:
1、微机屏显式液压万能试验机
:、实验设备:
2、游标卡尺
:、实验设备:
3、引伸计
三、实验材料:
实验时首先把待测试材料按照GB6397-86《金属拉伸
试验试样》做成标准圆柱体长试件，其工作长度（标 距）
3、安装夹具：根据试件情况准备好夹具，并安 装在夹具座上。若夹具已安装好，对夹具进行检查。
实验步骤及注意事项:
4、夹持试件：若在上空 间试验，则先将试件夹持在 上夹头上，力清零消除试件 自重后再夹持试件的另一端; 若在下空间试验，则先将试 件夹持在下夹头上，力清零 消除试件自重后再夹持试件 的另一端。
金属材料拉伸实验
拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材 料 特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数据可 以确 定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比 例极限、 面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服 强度和其它 拉伸性能指标。
实验目的:
1、观察并分析试件受力和变形之间的相互关系; 2、 观察试验材料在拉伸过ห้องสมุดไป่ตู้中表现出的弹性变形、屈 服、强化、颈缩、断裂等阶段物理变化现象； 3、 测定并计算试验材料的强度指标（屈服强度s、抗拉 强
屮d=a」———dx'ioo%
5、开始实验：按运行命令按钮，按照软件设定的
方案进行实验。 6、记录数据：试件拉断后，取下试件，将断裂试 件
的两端对齐、靠紧，用游标卡尺测出试件断裂后的 标距
长度人及断口处的最小直径&（一般从相互垂直方 向测量
两次后取平均值）。
五、试验结果
金属扭转试验实验报告
一、实验目的1. 通过金属扭转试验，了解金属在扭转过程中的力学性能变化。
2. 测定金属材料的剪切屈服极限、剪切强度极限和切变模量。
3. 比较不同金属材料的扭转性能，分析其差异。
二、实验原理金属扭转试验是研究金属材料扭转性能的重要方法。
在扭转过程中，试样受到一对大小相等、方向相反的力矩作用，使试样产生扭转变形。
根据胡克定律和剪切应力与切变应力的关系，可以推导出金属材料的扭转力学性能指标。
三、实验设备与材料1. 实验设备：扭转试验机、游标卡尺、扭矩传感器、计算机等。
2. 实验材料：低碳钢、灰铸铁、铝等金属材料。
四、实验步骤1. 准备工作：检查实验设备是否完好，准备实验材料。
2. 试样制备：按照国家标准GB10128-2007《金属室温扭转试验方法》，制备圆形截面试样。
3. 试样测量：使用游标卡尺测量试样直径，计算试样抗扭截面系数。
4. 实验操作：a. 将试样安装在扭转试验机上，调整扭矩传感器，连接计算机。
b. 输入实验参数，如试样直径、材料类型等。
c. 启动实验，缓慢加载扭矩，观察试样变形情况。
d. 记录扭矩、扭转角等数据。
5. 实验结束：试样扭断后，取下试样，测量断口尺寸，计算剪切强度极限。
五、实验数据与处理1. 实验数据：记录扭矩、扭转角、试样直径、抗扭截面系数等数据。
2. 数据处理：a. 绘制扭矩-扭转角曲线，分析金属材料的扭转性能。
b. 计算剪切屈服极限、剪切强度极限和切变模量。
c. 比较不同金属材料的扭转性能，分析其差异。
六、实验结果与分析1. 实验结果：a. 低碳钢的剪切屈服极限为XXX MPa，剪切强度极限为XXX MPa，切变模量为XXX GPa。
b. 灰铸铁的剪切屈服极限为XXX MPa，剪切强度极限为XXX MPa，切变模量为XXX GPa。
c. 铝的剪切屈服极限为XXX MPa，剪切强度极限为XXX MPa，切变模量为XXX GPa。
2. 分析：a. 低碳钢的扭转性能较好，剪切屈服极限和剪切强度极限较高，切变模量较大。
金属材料扭转实验-实验指导
金属材料扭转实验扭转问题是工程中经常遇到的一类问题。
金属材料的室温扭转实验通过对试样（低碳钢和铸铁）施加扭矩，测量扭矩及其相应的扭角（一般扭至断裂），来测定一些材料的扭转力学性能指标。
国家标准GB/T 10128-2007《金属材料室温扭转试验方法》是本试验的依据。
一、实验目的1了解GB/T 10128-2007《金属材料室温扭转试验方法》所规定的定义和符号、试样、实验要求、性能测定方法。
2了解扭转试验机的基本构造和工作原理，掌握其使用方法。
3测定金属材料扭转时的上下屈服强度、抗扭强度和相应的扭角。
4比较不同材料在扭转时的机械性能及其破坏情况。
二、实验设备扭转试验机（介绍参看附录），游标卡尺。
扭转试样采用圆柱形试样，材料为低碳钢和铸铁。
三、实验原理使直杆发生扭转的外力，是一对大小相等、转向相反、作用面垂直于杆轴线的外力偶。
在这种外力偶作用下，杆表面的纵向线将变成螺旋线，即发生扭转变形。
当发生扭转的杆是等直圆杆时，杆的物性和横截面几何形状具有极对称性，杆的变形满足平面假设（横截面像刚性平面一样绕轴线转动），这是扭转问题中最简单的情况。
标准中定义了多种可测的扭转性能指标，表1列出了扭转破坏实验常用的几种指标的符号、名称和单位。
表1 符号、名称及单位1规定非比例扭转强度的测定图解法：根据试验机自动记录的扭矩-扭角曲线，在曲线上延长弹性直线段交扭角轴于O点，截取OC（OC=2L eγp/d）段，过C点作弹性直线段的平行线CA交曲线于A点，A点对应的扭矩为所求扭矩T p ，见图1。
WT p p =τ图1 规定非比例扭转强度2上屈服强度（eH τ）和下屈服强度（eL τ）的测定图解法：实验时用自动记录方法记录扭转曲线（扭矩—扭角曲线或扭矩—夹头转角曲线）。
首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩；屈服阶段中不计初始瞬时效应的最小扭矩为下屈服扭矩，见图2。
按下式分别计算上屈服强度和下屈服强度。
W T eHeH =τ WT eLeL =τ图2 上、下屈服强度3 抗扭强度（m τ）的测定对试样连续施加扭矩，直至扭断。
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金属轴件的高低周拉、扭疲劳演示实验
一、实验目的和要求
1、了解金属材料S—N 曲线的测试方法。
2、了解金属材料疲劳性能测试的有关试验设备。
3、观察金属疲劳破坏断口形貌的特征。
二、实验设备和仪器
1、高频疲劳实验机。
2、微机控制扭转疲劳试验机。
3、拉扭组合疲劳试验机。
三、实验原理和方法
金属材料在交变应力长期作用下发生局部累计损伤，经一定循环次数突然发生断裂的现象称做疲劳破坏。
疲劳破坏是一个裂纹形成、扩展、直至最终断裂的过程。
在工作应力超过疲劳极限σr 时，由于循环应力的反复交变，构件上应力最大或材料最薄弱的地方首先形成微裂纹，随着循环次数的增加，裂纹按一定速率逐渐扩展，而构件的承载面积逐渐减少，当裂纹面上的应力达到材料的断裂强度时，就突然发生断裂。
裂纹扩展时，高应变塑性区只限于裂纹尖端附近。
断裂时，宏观上没有明显的塑性变形，因此表现为脆断。
疲劳断口明显地分成光滑区（裂纹扩展区）和粗糙区（最后断裂区）。
疲劳断裂破坏常在没有任何先兆的情况下突然发生，具有很大的危险性。
灾难性的疲劳破坏事故引起广泛关注并推动疲劳研究工作不断深入。
经过长期的研究，材料与构件的疲劳形成一门新兴的学科。
金属疲劳试验在对疲劳破坏的机理研究
中占有非常重要的地位。
金属材料标准试样在交变应力作用下发生疲劳断裂前所经历的应力循环次数称为材料的疲劳寿命N。
构件的疲劳寿命不仅与交变应力类型、应力幅值有关，同时也与构件形状、尺寸和表面粗糙度等多种因素有关。
应力疲劳试验应采用标准的光滑小试样，在一定的循环特性R（R =σmin/σmax）下，控制循环应力的幅值，测取试样的疲劳寿命N。
应力幅值愈小，疲劳寿命愈长。
对于黑色金属，如碳素钢，若在某种交变应力(如R=-1 的对称循环交变应力)的某一应力水平下经受107 次循环，试样仍未破坏，则可认为该试样在这一应力水平下可以承受无限次循环而不发生破坏。
因此，通常在试验中以对应于寿命N o=107 的最大应力σmax，(作为材料的疲劳极限σr。
但是，对于有色金属和某些合金钢却不存在这一性质，降低交变应力的应力水平，疲劳寿命会增加，在经受107 次循环后，仍会发生疲劳断裂破坏。
因而，对这些金属，常以破坏循环次数为N o=107 或108 所对应的最大应力值为该材料的条件疲劳极限，此处107 或108 称为循环基数。
当交变应力的最大值σmax 大于材料的疲劳极限σr 时，试件会对应低于循环基数的某一寿命N。
把相同循环特性及条件下疲劳试验得到的一系列循环最大应力σmax 和寿命N 以及材料的疲劳极限σr，以σmax 为纵坐标，N 为横坐标，绘制成变最大应力σmax与疲劳寿命N 的关系曲线，即σmax—N 曲线(通常又称为S—N 曲线)，如图所示。
用S—N 曲线可以表征材料的应力疲劳性能。
要测绘某种金属材料的S—N 曲线，需要13 根以上标准光滑小试样，设定五级应力水平，测出一系
列交变最大应力σmax 和相应寿命N 的数据，用最佳拟合法绘制S—N曲线。
试验过程中对各级应力水平要精心选择，以便用尽量少的试样获得较理想的测试结果。
本实验因时间、物力消耗太多、学时有限，在有条件的情况下只能作参观性实验，
了解实验设备、实验原理、和测试方法。
四、实验演示内容
1、观察疲劳破坏实物，了解疲劳断口形貌特征。
2、观看高频疲劳试验机，了解其工作原理；观看轴向拉压疲劳试样，了解其安装方式；开启电源，观察试样承受拉、压交变载荷时的情况。
3、观看微机控制扭转疲劳试验机，了解其工作原理；开动试验机，演示试样承受扭转交变载荷时的情况。
4、观看拉扭组合疲劳试验机，了解其工作原理；开动试验机，演示试样承受拉扭组合交变载荷时的情况。