【文章內(nèi)容簡介】 力度盤相聯(lián)的齒桿，使齒輪和指針轉動，于是指針便在測力度盤 12 上指出試件所受扭矩的大小。 電動加載：將變速桿 5 放在“ 轉／分”或 1 轉／分”處，此時，軸 I 上的兩個齒輪之一，便通過滑鍵與軸 I 聯(lián)在一起，開動電機 10，經(jīng)三角皮帶 動軸 I、II 等傳動系統(tǒng)，對試件快速加載。 （ 6）測扭轉角 —— 傳動主軸 8 除帶動活動夾頭轉動外，在它的一端還裝有一個 18 測角度盤 15，用它指示試件轉動端的絕對扭轉角。測角度盤上的測角指標 16 與試件被動端聯(lián) 動，因此指標桿在度盤上所指數(shù)值便是試件兩端的相對扭轉角。度盤最小刻度為 1o，因此只適用于測量大變形。測角度盤上還附有一個計數(shù)裝置，可以指出試件扭轉的總圈數(shù)。 （ 7）自動繪圖 —— 如果需要記錄試驗過程中扭矩和扭轉角的關系曲線，應在加載荷前 調好自動繪圖器的傳動裝置、圖紙、筆尖和墨水。筆尖由推動測力 指針的齒桿帶動，而圖紙滾動則與傳動主軸 8 聯(lián)動。這樣，隨著試驗過程的進行，筆尖便在圖紙上自動地繪出 Mn 一 ? 曲線。曲線上各點的縱坐標為扭矩，橫坐標為試件轉動端的絕對扭轉角。 （ 8）注意事項 ①機器運轉時，操作者不得離開。所見異聲或發(fā)生故障，應立即停車。 ②在實驗時，不得觸動擺錘，以免影響測讀扭矩精度。 ③采用電動加載時，手搖柄必須先取掉，以免其飛出造成事故。 2） NN— 100A 型扭力試驗機 此機是一 種機械傳動加載，擺式機構測扭矩的扭力試驗機。它有三種量程：200N m（ 20Kg m）、 500N m（ 50Kg m）、 1000N m（ 100Kg m）；相應的精度分別為 m（ m）、 m（ m）、 m（ m）。它適用于直徑為 ? 10～ 20mm，長度為 100～ 600mrn 的試件。 試驗機的外形如圖 4— 3 所示，其測力機構的傳動系統(tǒng)如圖 4— 4 所示。其操作步驟如下： （ 1）檢查試驗機夾頭 2 的形 式是否與試件配合，離合器桿 4 是否放在正確位置上。 （ 2）根據(jù)試件所需的最大扭矩，轉動調節(jié)輪 10 至相應位置，以選擇適當?shù)臏y力度盤 5。 （ 3）安裝試件先將試件一端裝在固定夾頭 1 中，向左移動活動車頭 12 并轉動加載夾頭 2，使試件的另一端插人夾頭 2 中。 （ 4）旋動調零手輪使測力度盤上的指針對“零”。 （ 5）加載也有手動和電動之分。 手動加載：將離合器桿調到中央位置上（即“空車”位置），用手轉動手輪11 加載。 19 圖 43 NN— 100 型扭力試驗機外形圖 電動加載：選用離合器桿可使加載夾頭具有四種轉速： 7 度／分、 21 度／分、60 度／分、 180 度／分。電動加載時，先將離合器桿 4 調到所欲用的轉速位置上，按下開關按扭（“正向”、“反向”均可），開動電動機 6 通過變速箱 齒輪箱 3等傳動系統(tǒng)，使加載夾頭 2 順時針（或逆時針）傳動，試件便產(chǎn)生扭轉變形。 試件受力后，固定夾頭就會旋轉一個不大的角度（不超過 2186。7ˊ），與固定夾頭團結在一起的大杠桿也就跟著旋轉。無論這種旋轉是順時針的還是反時針的，通過反向杠 桿、變支點杠桿，總使拉桿下行。拉桿下行的結果，一方面揚起擺錘來平衡加載夾頭加在試樣上的力偶，使試件受到扭矩的作用，另一方面帶動撥桿、推桿，使指針旋轉，從而在 20 圖 44 NN— 100 型扭力試驗機測力機構圖 1— 反向杠桿， 2— 變支點杠桿， 3— 拉桿， 4— 擺錘， 5— 撥桿， 6—推桿， 7— 指針， 8— 限位開關， 9— 大杠桿， 10— 擺桿， 11— 平衡鉈，12— 滑架， 13— 調節(jié)輪， 14— 調零手輪， 15— 輪， 16— 繩輪 表盤上顯示試樣所受的扭矩。如所加扭矩超過了所用的測力量程，則揚起的擺桿上的一個彈簧片就會使限位開關動作，切斷電源，自動停車。 （ 8）注意事項 ①一旦試樣承受了扭矩，即測力指針已經(jīng)走動之后，就不允許再改變量程。 ②在實驗時，不得觸動活動車頭。 ③如發(fā)生異常現(xiàn)象，應立即停車。 三、實驗原理 本試驗使用圓形截面試件。 將試件裝在扭力試驗機上，開動機器，給試件加扭矩。利用機器上的自動繪圖裝置，可以得到 Mn 一 ? 曲線。這 Mn 一 ? 曲線也叫扭轉圖。低碳鋼試件的 Mn 一 ?曲線，如圖 4— 5 所示。 圖中起始直線段 OA 表明試件在這階 21 段中的 Mn 與 ? 成比例， 截面上的剪應力 呈線性分布，如圖 4— 6（ a）。在 A 點處， Mn 與 ? 的比例關系開始破壞，此時截面周 邊上的剪應力達到了材料的剪切屈服極限 s? ，相應的扭矩記為 MP。 由于這時截面內(nèi)部的剪應力尚小于 s? ，故試件仍具有承載能力， Mn— ? 曲線呈繼續(xù)上升的趨勢。 扭矩超過 MP 后，截面上的剪應力分布發(fā)生變化，如圖 4— 6（ b）。在截面上出現(xiàn)了一個環(huán)狀塑性區(qū)，并隨著 Mn 的增長，塑性區(qū)逐步向中心擴展， Mn— ? 曲線稍微上升，直到 B 點趨于平坦，截面上各材料完全達到屈服，扭矩度盤上的指針幾乎不動或擺動，此時測力度盤上指示出的扭矩或指針擺動的最小值即為屈服扭矩 Ms。如圖 4— 6（ C），根據(jù)靜力平衡條件，可以求得 s? 與 Ms 的關系為： ?? A ss dAM ?? 將式中 dA 用環(huán)狀面積元素 ???d2 表示，則有 ? ?? 2/ 2 342 do nsss WdM ????? （ 4— 1） 故剪切屈服極限nss WM43?? 式中163dWn ??是試件的抗扭截面模量。 圖 46 截面上剪應力分布圖 繼 續(xù)給試件加載，試件再繼續(xù)變形，材料進一步強化。當達到 Mn 一 ? 曲線上的 C 點時，試件被剪斷。由測力度盤上的被動計可讀出最大扭矩 Mb，與公式（ 4— 1）相似，可得剪切強度極限 nbb WM43?? （ 4— 2） 圖 45 低碳鋼試件扭轉圖 22 鑄鐵的 Mn 一 ? 曲線如圖 4 一 7 所示。從開始受扭， 直到破壞，近似為一直線，按彈性應力公式，其剪切強 度極限： nbb WM?? （ 4— 3） 試件受扭，材料處于純剪切應力狀態(tài)，在 垂直于桿軸和平行于桿軸的各平面上作用著剪 應力，而與桿軸成 45186。角的螺旋面上。則分別 只作用著 ???1 、 ?? ??3 的正應力，如圖 4— 8 所示。 由于低碳鋼的抗拉能力高于抗剪 能力，故試件沿橫截面剪斷，而鑄鐵的抗拉能 力低于抗剪能力， 故試件從表面上某一最弱處，沿與軸線成 45186。方向拉斷成一螺旋面。 四、試驗步驟 1．用游標卡尺測量試件直徑，求出抗扭截面模量 Wn。在試件的中央和兩端共三處，每處測一對正交方向，取平均值作該處直徑，然后取三處直徑最小者，作為試件直徑 d，并據(jù)此計算 Wn。 2．根據(jù)求出的 Wn、估計試件材料的 b? ，求出大致需要的最大載荷，確定所需的機器量程。 3．將試件兩端裝入試驗機的夾頭內(nèi)，調整好繪圖裝置，將指針對準零點，并將測角度盤調整到零。 4．用粉筆在試件表面上畫一縱向線，以便觀察度件的扭轉變形情況。 5．對于低碳鋼試件，可以先用手動（或慢速電動加載）緩慢而均勻地加載，當測力指針前進速度漸漸減慢以至停留不動或擺動，這時，它表明的值就是 Ms（注意：指針停止不動時間很短，因此要留心觀察）。然后卸掉手搖柄，用電動加載（或換成快速電動加載）直至試件破壞并立即停車。記下被動指針所指的最大扭矩，注意觀察測角度盤的讀數(shù)。 6．鑄鐵試件的試驗步驟與低碳鋼相同，可直接用電動加載，記錄試件破壞時的最大扭矩值。 五、思考題 圖 47 鑄鐵的扭轉圖 圖 48 試沖受扭的應力分布圖 23 1．低碳鋼與鑄鐵試樣破壞等情況有何不同？為什么。 2．根據(jù)拉伸、壓 縮和扭轉三種試驗結果，綜合分析低碳鋼與鑄鐵的機械性質。 24 實驗 四 切變模量 G 的測定 一、實驗目的 1．測定低碳鋼材料的 切變 模量 G。 2．驗證材料受扭時在比例極限內(nèi)的剪切虎克定律。 二、實驗原理 圓軸受扭時，材料處于純剪切應力狀態(tài)。在比例極限以內(nèi)，材料的剪應力 ? 與剪應變 ? 成正比，即滿足剪切虎克定律： ?? G? 由此可得出圓軸受扭時的虎克定律表達式： pnGIM 01?? 式中 Mn 為扭矩 10 是試件的標距長度 Ip 為圓截面的極慣性矩。 通過扭轉試驗機，對試件逐級增加同樣大小的扭矩△ Mn，相應地由扭角儀測出相距為 10 的兩個截面之間的相對扭轉角增量Φ I。如果每一級扭矩增量所引起的扭轉角增量 △Φ i 基本相同，這就驗證了剪切虎克定律。根據(jù)測得的各級扭轉角增量的平均值△Φ，可用下式算出 切變 模量 pnIMG ???? 01 三、實驗設備和量具 1．扭轉試驗機。它的構造、工作原理及使用方法見實驗四。 2．游 標卡尺。 3．扭角儀。 鋼在彈性范圍內(nèi)，兩截面間的相對扭角是非常微小的，用扭轉試驗機上的測角裝置是難以精確測讀的。需要具有放大倍數(shù)大、精度高的專門儀器，這種儀器一般稱為側角儀。 測角儀的種類很多，按其結構來分， 有機械式、光學式和電子式等。但它們的 基本原理是相同的， 都是將試件某截面 25 圓周繞其形心旋轉的弧長與其另一截面 圓周繞其形心旋轉的弧長之差進行放大 后再測讀。 圖 5— 1 所示的是一種機械式測角儀。在試件的 A、 B 兩截面處，分別裝上 了測角 儀的兩根臂桿 AC 和 BDE，以放大 A、 B 兩截面圓周繞其形心旋轉的弧長。如果用千分表來放大、測讀兩臂桿的相對旋轉弧長，那就是機械式測角儀（如果用鏡片來代替二臂桿，分別用光杠桿放大 A、 B 兩截面圓周旋轉的相對弧長，就成為鏡式測角儀。如果差動變壓器替代千分表，可將二臂桿的相對旋轉弧長，以電量訊號輸出，再接上二次顯示儀表，就是電子式測角儀）。 當試件受扭時，固夾在試件上的 AC， BDE 桿就會繞試件軸轉動，曲桿 BDE 就會使安裝在 AC 桿上的千分表指針走動。設指針走動的位移為 ? ，千分表推桿頂針處 E 到試樣的軸線的距離為 b，則 A、 B 截面的相對扭轉角為 b??? （注意：這樣計算出來的 ? 的單位為弧長） 四、實驗步驟 1．測量試件直徑 d。在試件的標距內(nèi)，用游標卡尺量測中間和兩端等三處直徑，每處測一對正交方向，取平均值，作為計算截面極慣性矩 IP 之用。 2．擬定加載方案。根據(jù)試樣的直徑 d，求出抗扭截面模量 Wn，估計試件材料的剪切比例極限 p? ，按下式求出應加在試樣上 的最小和最大扭矩值： （ Mn） min＝（ ～ ） p? Wn （ Mn） max＝（ ～ ） p? Wn 材料的強度越高，（ Mn） min 越應取得接近上限，（ Mn） max 越應取得接近下限。對低碳鋼來說，可?。?Mn） min＝ p? Wn，（ Mn） max＝ p? Wn。至于 p? 能從有關手冊 中查得更好，否則可按 p? = p? 來估計。 根據(jù)擬定的（ Mn） min 和（ Mn） max 來選擇扭轉試驗機的使用量程。 在（ Mn） min 和（ Mn） max 的范圍內(nèi)分 4～ 5 級進行加載，確定每級的扭矩增量△Mn，這增量要使扭角儀有明顯的讀數(shù)變化。 3．安裝扭角儀和試件。在試件的標距兩端，裝上扭角儀。先將試件的一端裝入扭轉試驗機的固定夾頭，然后，將另一端裝入主動夾頭，用扳物擰緊夾緊螺栓，圖 51 機械式扭角儀 26 防止試驗時打滑。 4．用扭轉試驗機上 的手搖裝置，施加扭矩到（ Mn） max，與此同時，檢查扭轉試驗機和扭角儀的運行是否正常，然后卸載到（ Mn） min 以下少許，處于待令工作狀態(tài)。 5．測讀數(shù)據(jù)。加載到（ Mn） min，讀取扭角儀上的相應初讀數(shù)。此后，每加載一級扭矩增量△ Mn，讀取相應的扭角儀讀數(shù)，直到扭矩加到（ Mn） max 為止。 6．