材料力学二扭转与弹性模量测定Word格式文档下载.docx
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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(
S),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:
3Ts…3Ts
-s
41p4Wp
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。
3Tb
-b
4WP
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》(GB/T10128-1988)规定,材料的扭转屈服点和抗扭强度按公式ts=Ts/WP,
Tb二Tb/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T--曲线可以看出,铸铁HT200的扭转T-曲线类似于拉伸的F-「丄曲线,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°
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-1型多功能材料力学试验机(图1.8)、150mm游标卡尺、标准低碳钢、铸铁扭转试件(图3.7)。
YDD-1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。
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》(GB/T10128-1988)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,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。
4.4数据的分析处理
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
3.9为实
3.9实测低碳钢扭转T-©
曲线
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。
图测低碳钢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。
匚曲■家HHBH***flj£
*4氓冬t
图3.10实测铸铁扭转T-©
得到相关数据后,依据实验原理,就可以得到所需要的力学指标。
5、完成实验预习报告
在了解实验原理、实验方案及实验设备操作后,就应该完成实验预习报告。
实验预习报告包括:
明确相关概念、预估试件的最大载荷、明确操作步骤等,在完成预习报告时,有些条件实验指导书已给出(包括后续的实验操作步骤简介)、有些条件为已知条件、有些条件则需要查找相关标准或参考
资料。
通过预习报告的完成,将有利于正确理解及顺利完成实验。
有条件的同学可以利用多媒体教学课件,分析以往的实验数据、观看实验过程等。
完成实验预习报告,并获得辅导教师的认可,是进行正式实验操作的先决条件。
6、实验操作步骤简介
6.1试件原始参数的测量及标距的确定
实验采用标准短试件,试件形状见图3.7,用游标卡尺在标距长度的中央和两端的截面处,按两
个垂直的方向测量试件的直径,填入实验表格取三组数据平均值的最小值进行计算。
计算出扭转试件
的抗扭截面系数Wp。
为了更好的观察实验现象,实验前,在扭转试件表面制作一组矩形框标记,实验中应注意观察矩形框的变化。
6.2连接测试线路
按要求联接测试线路,一般第3通道选择测扭矩,第八通道选择测转角,第七通道进行扭转方向判断。
连接试验机上的转角传感和扭转传感接口。
联线时应注意不同类型传感器的测量方式及接线方
式。
联线方式应与传感器的工作方式相对应。
6.3设置数据采集环境
6.3.1进入测试环境
首先检测仪器。
检测到仪器后,系统将自动给出上一次实验的测试环境。
或通过文件-引入项目,
引入所需要的采集环境。
6.3.2设置测试参数
测试参数是联系被测物理量与实测电信号的纽带,设置合理的测试参数是得到正确数据的前提。
测试参数由系统参数、通道参数及窗口参数三部分组成。
其中,系统参数包括测试方式、采样频率、报警参数、实时压缩时间及工程单位等;
通道参数反映被测工程量与实测电信号之间的转换关系,由测量内容、转换因子及满度值等组成;
窗口是指为了在实验中显示及实验完成后分析数据而设置的曲线窗口,曲线分为实时曲线及X-Y函数曲线两种。
第一项、系统参数
采样频率:
50-200Hz,每个脉冲为0.144度时建议选择200Hz。
测试方式:
扭转测试。
实时压缩时间:
300秒。
若进行反复扭转实验时需设置换向判断通道及报警通道。
通常情况下8CH固定用于转角脉冲计数,7CH用于转角方向判断,反复扭转时可选择扭矩或转角通道作为报警通道,并选择相应的报警值。
需要注意的是:
1、传感器的接线一定要与通道的参数设置相对应,8CH固定用于转角测试。
2、报警通道与报警的选择与实验的类型有关,并需与试验机的控制方式相结合,在进行反复扭转实验时,需启动试验机扭转自动控制功能。
第二项、通道参数
通常选择3CH测扭矩,7CH进行扭转方向判断,8CH固定选择测转角。
需要选择及输入的参数有:
测量内容、工程单位、修正系数,并选择相应的满度值。
1、需将8CH(固定选择测转角)通道的测量内容设置为“脉冲计数”,且“脉冲计数”功能只有
在系统参数中将测试方式设置为“扭转测试”时方可选择,且只有一个通道可选为“脉冲计数”。
选
为“脉冲计数”的通道需将其满度值设为5000mV,由于a、c均为0,显示值为5000*b,b为每个脉冲
代表的转角。
如当b=0.6时满度值指示值为3000,b=0.144时满度值指示值为720。
2、7CH为方向判断通道,测量内容选择为“电压测量”(或“数据采集内”),b可选为1,满度值为5000mV。
第三项、窗口参数可以开设两个数据窗口,左窗口为扭矩、转角的实时曲线窗口,右窗口为扭矩、转角的X-Y曲线
窗口,并设定好窗口的其它参数如坐标等。
坐标参数设置时,需对被测试件的极限扭矩及变形进行预估,这样可以得到较好的图形比例。
1、在扭转测试时,数据的记录方式是以脉冲为触发的,即使在普通绘图方式时,窗口的横坐标是转角而不是时间,且转角只有正值,即使在反向扭转时,转角也是一直在增加的。
2、在进行反复扭转实验时,在X-Y方式下,转角有正负之分,正向扭转为正,反向扭转为负。
对比当前各参数与实际的测试内容是否相符,若相符进入“6.4.3数据预采集”,如不符,则应选择正确的参数或通过引入项目的方式引入所需要的测试环境。
6.3.3数据预采集
6.3.3.1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。
6.3.3.2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。
由于传感器输出的电压在平衡时可能为一较高的电压,对于平衡范围较小的测试系统有时会超出采集系统的平衡范围,此时若信号经平衡后的数值过大,在“清除零点”时会有相应提示,且仪器的相应通道会有过载指示,说明通道的初始值过大,尤其是脉冲计数通道容易出现此情况,说明脉冲计数通道电压处于高电平,此时应启动扭转启动,然后停止,重新“平衡”、“清零”,观察“过载指示”是否清除,若未清除重复上述操作,直至“过载指示”清除为止。
对于平衡前有过载指示,平衡后指示消失的情形,说明仪器本身记忆的初始平衡值过大,属正常情况。
6.3.3.3启动采样
单击菜单栏中的“控制”,选择“启动采样”,选择数据存储目录,便进入相应的采集环境,此时并没有采到数据,这是因为数据采集系统每检测到一个方波就记录一次数据,扭转电机没有起动时,光电编码器没有转角输出,采集系统并不记录数据。
选择“正向扭转”,起动电机正向扭转,数据采集系统显示采集到的零点数据,X-Y图中,转角正向增加,用手扭动扭转上夹头,采集到的扭矩就产生了相应的变化,正向扭矩为正值,反之为负值。
此时,选择“反向扭转”,起动电机反向扭转,X-Y图中,转角负向减少。
证明采集系统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正确。
这样就完成了数据采集环境的设置。
6.4装夹试件在确信设备和采集环境运行良好后,便可以进行试件的装夹,安装时,将试件的一端安装在上夹头内,下拉上夹头,使试件的另一端接近下夹头,通过控制电机正反向转动,调整下夹头位置,使试件可以方便的进入下夹头,向下轻推上夹头,松手后,依靠摩擦力保证上夹头不被拉回。
反复扭转时,需使用夹头紧定螺钉。
这样便完成了试件的装夹。
6.5加载测试在试件装夹完毕,并确定数据采集系统能正常工作后,就可以进行加载测试了。
具体操作步骤如下:
选择“控制”-“平衡”-“清除零点”-“启动采样”,选择好存储目录后便开始采集数据。
实验时可以通过显示实时数据全貌窗口来观测试件扭转全过程,单击“显示数据全貌”图标,调入显示数据全貌窗口,重排显示窗口,选择被测通道,调整窗口坐标。
然后选择“正向扭转”,开始数据采集,试件很快进入屈服阶段,并很快进入强化阶段。
注意观察标距线的变化,横向标距线的距离不变,竖向标距线变成螺旋线而且间距变短。
由于标距线的距离不断伸长,原来清晰的标距线变得不太清晰。
持续扭转,试件断裂后,将上夹头拉起,停止采集数据,停止扭转。
取出断裂试件,观察端口形式及标距线的变化。
注意观察实验各阶段现象及标记线的变化。
需要在实验过程中调节转速时,可以旋转“扭转调速”转轮:
顺时针旋转电机转速加快,反之降低,直至停止。
实验时可根据不同时验阶段进行相应调整。
反复扭转时,需启动扭转自动控制功能,并根据需要在测试过程中调整报警参数。
7、分析数据完成实验报告
7.1验证数据
首先关闭“显示数据全貌”窗口,在扭矩-转角窗口显示全部实验数据,并验证数据的正确性。
从低碳钢扭转实验曲线中应能清晰地看到低碳钢扭转时的屈服及强化阶段,铸铁则无屈服阶段。
7.2读取数据
选择双光标,放大左图屈服阶段,读取屈服扭矩Ts,极限扭矩Tb及转角0。
7.3分析数据
将得到的实验数据填入到相应表格,屈服扭矩,极限扭矩,这样就得到了抗扭屈服强度,抗扭强度,剪切屈服强度以及剪切强度。
在分析数据时需特别注意区别抗扭强度与剪切将度的区别,抗扭强度的定义是针对荷载类型定义
的,有利于不同材料间的相互比较,但无法反映性材料真实的应力状态。
剪切强度是按材料破坏时的应力状态定义的,能够反映材料破坏时的真实应力状态,但不同材料破坏时的应力状态并不相同,计算时不同材料需根据材料的破坏特征确定计算公式。
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,依据实验原理,将所测得各参数带入相应的计算公式即可得到相应的力学指标。
但在各参数的测量过程中,应明确各参数的准确定义,并尽可能减小测量误差。
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、实验注意事项
1、在紧急情况下,没有明确的方案时,请按急停按钮;
2、扭转实验的测试方式为“扭转测试”;
3、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;
4、在进行通道参数设置时,需对测量内容为“脉冲计数”的通道进行复选确定。
5、在正式装夹试件实验前,需先打开扭转启动,手拧上夹头确定采集系统正常工作后进行试件
装夹;
6、试件装夹时应先装上夹头再装下夹头。
5电测法测定材料的弹性模量E和泊松比'
1■指导书
1、概述
弹性模量E(也称杨氏模量)是表征材料力学性能中弹性段的重要指标之一,它反映了材料抵抗弹性变形的能力。
泊松比反映了材料在弹性范围内,由纵向变形引起的横向
变形的大小。
在对构件进行刚度稳定和振动计算、研究构件的应力和变形时,要经常用到E
和」这两个弹性常数。
而弹性模量E和泊松比」只能通过实验来测定。
1、测定低碳钢的弹性模量E和泊松比」;
2、验证胡克定律;
3、了解电阻应变片的工作原理及贴片方式;
4、了解应变测试的接线方式。
弹性模量E和泊松比」是反映材料弹性阶段力学性能的两个重要指标,在弹性阶段,
给一个确定截面形状的试件施加轴向拉力,在截面上便产生了轴向拉应力二,试件轴向伸
长,单位长度的伸长量称之为应变;
,同样,当施加轴向压力时,试件轴向缩短。
在弹性阶
段,拉伸时的应力与应变的比值等于压缩时的应力与应变的比值,且为一定值,称之为弹性
模量E,E=匸!
鱼二、:
:
/;
。
AL/L
在试件轴向拉伸伸长的同时,其横向会缩短,同样,在试件受压轴向缩短的同时,其横向会伸长,在弹性阶段,确定材质的试件拉伸时的横向应变与试件的纵向应变的比值等于压缩时横向应变与试件的纵向应变的比值,且同样为一定值,称之为泊松比」,
;
横
纵
这样,弹性模量E和泊松比」的测量就转化为拉、压力和纵、横向应变的测量,拉、
压力的测量原理同拉、压实验,应变的测量采用电阻应变片电测法原理。
电阻应变片可形象地理解为按一定规律排列有一定长度的电阻丝,实验前通过胶粘的
方式将电阻应变片粘贴在试件的表面,试件受力变形时,电阻应变片中的电阻丝的长度也随
之发生相应的变化,应变片的阻值也就发生了变化。
实验中采用的应变片是由两个单向应变
片组成的十字形应变花,所谓单向应变片,就是应变片的电阻值对沿某一个方向的变形最为敏感,称此方向为应变片的纵向,而对垂直于该方向的变形阻值变化可忽略,称此方向为应
变片的横向。
利用应变片的这个特性,在进行应变测试时,所测到只是试件沿应变片纵向的应变,其不包含试件垂直方向变形所引起的影响。
对于单向电阻应变片而言,在其工作范围
内,其电阻的变化与试件的变形有如下的关系:
K应K应-
R丿L丿
K应称为电阻应变片的灵敏度系数,不同材料的电阻应变片灵敏度系数不同,常用
图4.1惠斯登电桥原理图
应变片的灵敏度系数K应一般在2.1左右,即使同一批应变片的灵敏度系数也并非相同,
例如,在该实验中所粘贴的电阻应变片的阻值R=120.2_0.3」,K=2.19_1%。
通
常应变片应变极限为ew2%但有些特制的应变片其应变极限可达到20%
由于常用钢材当应力达到弹性极限时,;
v0.2%,所以可以采用粘贴应变片的方
式来测量试件的应变,这样对试件应变的测量就转化
成了对应变片R/R的测量。
常用的测量方式是采用
惠斯登电桥进行测量。
其原理如图4.1所示。
电桥由四个桥臂电阻R、R2、R3、R4组成,供桥电压由A、C点输入,输出电压为Udb。
假定电桥的初始状态为R〃R2=R3/R4,此时电桥输出电压Udb=0,称之为平衡电桥。
极限情况为R1=R2=R3=R^=R。
现在假定,R1=R2=R3=R4,电阻应变片R1粘贴
化时,认为其为恒定值。
这样应变片R1由于试件变形产生■R的变化时,输出电压Udb也
会产生相应的变化,.-:
Udb,由于电桥初始状态为平衡电桥,即Udb=0,故有:
△R/R厂
E
42R/R
(2)
(3)
通过计算机数据采集系统,对桥路输出的电压进行放大、离散采集及数据二次运算,就可以得到被测试件的应变;
调整K仪=1/K应,则,〜“,
同样可以推导,电阻应变片R2粘贴在被测试件上,其余应变片粘贴在非受力试件上
时,有
■-_-■-2
当四个电阻应变片全部粘贴在被测试件上时,有
■-二—『2、I3—”4
(4)
在实际测试中,把粘贴在试件上变形的应变片叫做工作片,把粘贴在非受力构件上在实验中不变形的应变片称之为补偿片,因为在实际的测试过程中,引起应变片电阻变化的不
仅仅是;
,温度、湿度等的变化均能导致电阻应变片电阻的变化。
例如,对于截面均匀的导体,当导体的材料温度一定时
R=°
iTL
(5)
式(5)中,山为材料在0C时的电阻率,:
-为材料的电阻温度系数。
这些由非试件变形等原因导致的电阻变化,对于工作片和补偿片产生的影响往往是相
同的,由式(4)可以看出,由于工作片与补偿片在不同的桥臂上,相同的变化量会相互抵消,所以在测试过程中通过将补偿片粘贴在与工作片具有相同材质的构件上,且与工作片处
于相同的工作环境中,这样就可以使补偿片感知与工作片相同的环境变化,产生大致相同的
电阻变化,从而减小由于在测试过程中环境变化导致的测试误差,其中最主要的是补偿由于
温度变化引起电阻的变化,故通常称补偿片为温度补偿片。
这样通过给每一个工作片粘贴一个温度补偿片就可以减小由于环境变化引起电阻的变化而导致的测试误差,但这意味着随着工作片的增加,补偿片也需要等量的增加,这样就变
得不方便和不经济,实际通常采用测量通道共用温度补偿片,通道分时切换测量的工作方式。
但这种测量方式需有切换开关,采样速率较低。
在较高速的多点采样时,多采用补偿通道的
补偿方式,组桥时,工作应变片与补偿片分别与标准电阻组成独立的半桥,补偿通道等同于
一独立通道,数据采集时,测量通道的数据与补偿通道的数据相减就可以起到补偿的作用,这样就可以实现多个工作片共用一个补偿片的补偿方式,习惯上称之为1/4桥。
丄
在实际测试中,温度补偿片可以补偿由于环境变化引起的误差,但有些误差是温度补偿片无法消除的,例如在弹性模量实验轴向拉伸时,由于制作精度及裝夹等原因会产生附加弯矩,使得在试件两侧对称粘贴的应变片一侧大于理论值而另一侧小于理论值,且误差两绝对值基本相等,根据桥路误差补偿原理,此时采用单一通道半桥补偿时不仅无法去掉该误差,反而将被测量的理论值补偿掉。
对于此类理论值相同,而误差方向相反的应变的测量,桥臂为单片时,需采用全桥的补偿方式,在半桥或1/4桥时需采用将两应变片串联起来组成一个桥臂的工作方式,原理图如图4.2所示,图中,R纵前为
为120「。
这样相对于只测单面应变片的测量方式就可以消除拉伸时由于试件附加弯曲等原因导致的试件前后面变形不均匀导致的误差。
应变片在半桥补偿方式时测得的电阻的变化比
值为2R/2RR/R,等于测得的单片应变值,当组成1/4桥时,由于补偿电阻为仪器
内置电阻,电桥为非平衡电桥,此时测得的应变值需根据串联后的阻值进行相应的修正,通
常计算机数据采集系统均带应变片阻值修正功能,修正时只需输入串联后的阻值即可。
实际
上,影响应变测量的不仅有应变片的阻值,电阻应变片的灵敏度系数、导线电阻等均可对测
试结果产生影响,在测试参数中输入相应的数值即可消除其带来的误差。
用游标卡尺测得试件的截面尺寸,从而得到试件的截面面积,通过拉压力传感器测得试
件所受的荷载,用电阻应变片电测法得到试件的应变,将上述值代入到相应的公式,即可得
到该材料的弹性模量E和泊松比
4.1实验设备、测量工具及试件:
YDD-1型多功能材料力学试验机(图1.8)、150mm游标卡尺、弹性模量泊松比试件(图
4.3)。
YDD-1型多功能材料力学试验机由试验机主机部分和数据采集分析两部分组成,主机部
分由加
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- 关 键 词:
- 材料力学 扭转 弹性模量 测定
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