扭转切应力公式(金属拉伸扭转试验性能分析解析)

Posted 2023-05-27

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扭转切应力公式(金属拉伸扭转试验性能分析解析)

金属材料的扭转拉伸试验检测项目包括：（1）拉伸试验（高温、室温、低温）。拉伸试验是金属材料物理性能测试的非常重要的一个部分，它是通过变化金属材料所处位置的稳定条件进行的实验，可以测出金属材料的拉伸性质；（2）弯曲试验。金属材料的疲劳性能可通过金属材料的应力测试；（3）冲击试验（高温、室温、低温）。冲击试验的方法类似于拉伸试验的方法；（4）剪切试验；（5）硬度测试。

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拉伸试验

通过拉伸试验测定金属的弹性模量E、上屈服强度ReH、下屈服强度ReL、抗拉强度Rm、断后伸长率A和断面收缩率Z等力学性能指标来评定金属材料的性能。

试件介绍：根据国家标准（GB228-2002）的统一规定。对于直径为d0的圆形横截面试件，短试件和长试件的标距L0分别为5d0和10d0，，并取计算值的整5或整10的倍数作为原始标距。本实验采用圆形横截面的短试件，即L0=5d0。当d0≈8时，L0=40。

弹性模量计算：在测试曲线的前面直线段取2~5个点的数据，根据公式进行试算。

F—载荷，S0—横截面面积（取三处中最小一处的平均直径计算），Le—引伸仪标距，ΔL—试件在载荷F作用下，标距Le段内试件的变形，ΔF—载荷的增量、Δ(ΔL)—变形增量的平均值。

强度指标：计算上屈服强度ReH、下屈服强度ReL和抗拉强度Rm。

塑性指标：将断口吻合，将断口尽量放置在游标卡尺的中间，量取4格内的伸长量Lu。计算伸长率A：

注意，如果当文件断口不在中间部位，而在边上第一格内时，要用断口移中法（可假想第一格之前还有一格，从而使断口仍然位于游标卡尺的中间。Lu=L1+L2。

摆锤式冲击试验

基本原理

冲击试验是用以测定金属材料抗缺口敏感性(韧性)的一种动态力学性能试验，用来测定冲断一定形状的试样所消耗的功，又叫冲击韧性试验。

材料变形速度不同，它所显示的机械性质会随之发生变化。在工程上常采用“韧度”来表示材料抵抗冲击的能力。将钢制摆锤悬挂在轴上，并使摆锤向上摆起在一定位置（如图1所示的α角），于是摆锤便具有了一定的势能。试验时，突然释放摆锤，摆锤将绕轴下摆，冲击安装在基座上的试件，将试件冲断，摆锤将扬起到另一个位置（如图1所示β角），前后两个位置的势能差，即为将试件折断所消耗的能量或称为吸收功A。将A用带缺口的截面面积F=8*10cm2除之，即得样品材料的冲击韧度αk。αk对材料品质、内部缺陷、晶粒大小特别敏感，所以常用来检验和对比材料。A或者αk吸收功越小，材料的韧性也就越低，反之则越大。αk值没有明确物理意义，因为冲击功并非沿着缺口处截面积均匀地消耗。因此αk值不能直接用于设计计算。

试件形状

根据试样形状和破断方式冲击试验分为弯曲冲击试验、扭转冲击试验和拉伸冲击试验三种。横梁式弯曲冲击试验法操作简单应用最广,其试验原理见原理图。为了达到将试件折断，一般要求在试件上加工制作缺口，中国有关标准（GB229）规定采用横梁式试验法所用标准试样以U形缺口试样和V形缺口试样为主。

受力分析

分析表明，折断时，在缺口根部将发生应力集中。图3所示为弯曲冲击时缺口截面的应力分布图。图中缺口根部的N点，拉应力很大。在缺口根部附近M点，材料处于三向拉应力状态，呈现脆性破坏方式（断裂）。试验表明，缺口的形状、试件的绝对尺寸和材料的性质等因素都会直接影响断口附近参与塑性变形的体积。因此，冲击试验必须在规定的标准下进行，同时，缺口的加工精度也十分重要，一般应当采用铣口加工。同一种金属材料缺口越尖越深则塑性变形体积愈小。因此对于不同尺寸和缺口的试样所得结果不能互相换算和比较。

试验操作

设备为ZBC-2302-2冲击试验机，最大冲击能量300J。

以下是操作过程。

A开机。在确认仪表的电源线和信号连线连接无误后，打开电源开关，约2秒后液晶显示屏幕开始显示，显示应正常，否则应检查系统是否有故障。

B测量并记录试样缺口截面的尺寸。

C清零。在摆锤自由下垂、静止且无任何动作执行的前提下，按[清零] 键。

D检查空摆能量。在不放试样的情况下，按[取摆]、[退销]、[冲击]、[放摆]步骤进行若干次空摆冲击，使吸收功显示的空摆能量值趋于稳定，并记录该值。

E放置试样。按[取摆]，将摆锤置于高点，并保持静止。将试样对中、侧面贴紧砧座、缺口背向摆锤打击面放置在砧座上。可使用专用的试样夹钳工具放置试样。

F测试吸收功。注意确定摆锤冲击半径内无人或物（除试样外）在内。按[退销]、[冲击]、[放摆]步骤进行试验，记录吸收功（实际吸收功应减去空摆能量值），记录环境温度。

注意：按[取摆]时，摆锤应逆时针转动。若方向不对，应立即关闭电源。

双面剪切试验

1、基本原理

在工程上，对于焊缝、销钉、铆钉及螺栓等联接件，常常需要校核其抗剪强度。联接件是用以连接两块板或者几块板的连接构件，而板是承载体，依托销孔固定或者传递作用力，所以联接件往往承受一定的挤压和横向的剪切力。根据工程中的应用情形，设计专用的剪切器，可以实现对联接件的剪切强度的测试。不过由于装配总是存在误差和缝隙，因此这种剪切强度试验，试件并非处于纯剪应力状态，而同时还受到挤压和弯曲的作用。

2、试件形状

试件形状一般为圆形或者矩形，为了减少受弯和局部挤压的影响，试件尽可能加工成与对应剪切夹具内孔相匹配的尺寸。

3、受力分析

分析表明，剪断时，在试件两个剪切面上承受剪力。在剪切面上，有一定面积的挤压现象。

剪切面受力示意图

4、试验操作

试验设备为INSTRON电子拉压试验机，最大吨位50kN。以下是操作过程(INSTRON试验机常规操作从略)。

A量取试样尺寸并记录。

B安装试件至专用剪切器，注意尽可能保证试件两端有相同的剩余长度。

C力值清零。进入试验界面，选择“剪切试验”方法，开始试验。

D剪切过程中，应观察试样变形情况，以及力与位移的变化曲线图。

E断裂后，观察剪切断面特征和试样形状。记录试验最大力。记录环境温度。

提示：试样断裂后，上夹头如未脱出下夹头，可按试验机上升按钮使之脱出。

硬度测试

硬度测试主要有：维氏硬度测试、洛氏硬度测试、布氏硬度测试。在测试前需要注意对试样进行正确的处理，主要是保证试样上下两面要平行，必要时要进行镶样。还有当试样表面有涂层时，需要磨掉涂层，对基材进行测试。对试样进行加工时注意不要对其硬度造成改变。