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1、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,2,二、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 RNJ500 型微机控制扭转试验机示意图,3,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，
2、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。,4,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
3、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。,5,2. 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,6,四、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
4、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：,7,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：,8,2、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,9,3 低碳钢屈服点测定,拉伸时有明显
5、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,10,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 ：,11,试样在断裂前所承受的最大扭矩，按弹性扭转公式计算得抗扭强度，从自动记录的曲线上读取试样断裂前的最大扭矩
6、，按下式计算抗扭强度：,铸铁：,低碳钢：,图1-24铸铁扭转曲线,低碳钢的扭转曲线,12,4 铝合金规定非比例扭转应力测定,对于没有明显屈服现象的材料（如铝合金），需要测定扭转比例极限和扭转屈服强度时，按国家标准规定测定“规定非比例扭转应力”，记作,试样标距部分表面上的非比例切应变达到规定数值时，按弹性扭转公式计算得到的切应力称为“规定非比例扭转应力”。相应应力附以下标说明非比例切应变规定值。,称为扭转屈服强度,称为条件扭转比例极限,13,在自动记录的T- 曲线上（见图1-25），延长弹性直线段交 轴于O点，截取,为小角度扭角仪测量标距，,式中：n为扭转角放大倍数，,为规定的非比例切应变，,为
7、试样原始直径,过C点作弹性直线段的平行线交曲线于A点，A点对应的扭矩即为与非比例切应变规定值 所对应的扭矩,，规定非比例扭转应力为：,图1- 25图解法求规定 非比例扭转应力,14,五、实验步骤 1测量试样尺寸 在试样的标距两端及其中间处两个相互垂直的方向上各测一次直径，将试样原始尺寸记入表1-10。 2试验机准备 打开试验机测控箱电源，启动计算机及测试软件，操作软件使测控箱和计算机作数据通讯，根据试验要求，调节试验设置窗口（包括角度传感器、扭转速度的调节）以及扭矩窗口的零点调节，详细请参见附1-5扭转试验机。 加载速度按试验标准选择（屈服前应在630/min范围内，屈服后不大于360）。,1
8、5,3安装试样：注意试样的夹紧和对中。由于试件平面在安装时与夹具平面不完全吻合，可能会使扭矩偏移零点，此时应通过机械调零的方法将扭矩重新归零，同时将角度显示窗口清零。 4. 安装角度传感器：测定材料的切变模量G，或测定规定非比例扭转应力 ，应选择小角度传感器。安装过程中应将扭角仪的试验标距调整为50mm，同时将角度显示窗口清零。 5测试,5.1 测G(逐级加载法) 5.2 测G（图解法） 5.3 测规定非比例扭转应力（图解法） 5.4 测屈服点及抗扭强度,16,5.1 测G(逐级加载法) 试验过程采用手动方式进行。先施加3N.m的初始扭矩，记下初始角度；然后采用等增量（如=5N.m）分五级加载
9、，记录每次对应的角度值（在对应显示窗口显示）。重复测试三次，获取三组测量数据，记录于表1-9中。,17,5.2 测G（图解法） 1. 用于图解法测G的曲线，T轴比例应适当，应使曲线的弹性直线段的高度超过扭矩轴量程的以上，并使弹性直线段与扭矩夹角不小于40度。 2. 点击测试软件运行窗口，在观察到扭矩进入非弹性阶段时应及时中止试验，保存试验数据。打印试验曲线。 3. 无论采用逐级加载法或图解法测G，在完成测试后，均应取下小角度扭角仪，然后卸载，将扭矩卸回零点，将试样取出。,图1-20图解法测G,18,5.3 测规定非比例扭转应力 （图解法,铝合金） 1. 用于图解法测规定非比例扭转应力的曲线，同
10、样应使曲线的弹性直线段的高度超过扭矩轴量程的以上，扭角轴的放大倍数应使图1-25中的OC段大于5mm。 2. 点击测试软样运行窗口，正式测试，直至试件变形开始急剧增加时，停止实验，取下试样。保存实验数据。打印试验曲线。,图1- 25图解法求规定 非比例扭转应力,19,5.4 测屈服点及抗扭强度 （低碳钢、铸铁） 点击运行按钮，按预先设定的测试程序对试件进行加载，直至试件断裂(铸铁试件)或明显屈服(低碳钢)。保存实验数据。调出试验数据，输出试验报告。 在测屈服点及抗扭强度时，应注意观察试样变形及破坏情况。取下试样，观察并分析断口形貌和形成原因。,图1-21 有明显屈服现象的T- 曲线,图1-24铸铁扭转曲线,20,请同学们在实验前一定要预习!,六、实验结果处理（见书上）,七、实验报告要求（见书上）,
