在材料力学的圆轴扭转破坏实验中:一,低碳钢与铸铁试样扭转破坏断口情况有何特点?试分析其破坏原因。二,根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果,综合分析低碳钢与铸铁的力学性质。三,请根据扭矩-转角图,怎样验证弹性阶段剪切胡克定律,并提供测量剪切模块G的方法
在材料力学的圆轴扭转破坏实验中,低碳钢与铸铁试样的扭转破坏断口情况及其特点、破坏原因分析如下:
1. **低碳钢**
- **断口特点**:断口垂直于杆轴,较平整,呈现出典型的“杯口”样式,中心区域凹陷,周围凸出。断口表面光亮平整,伴有细小和大致一样的颗粒特征。这种特征表明低碳钢具有良好的延展性和韧性,能够在扭转载荷下进行塑性变形,直至发生断裂。
- **破坏原因**:低碳钢的扭转破坏主要是由于剪切应力引起的剪切破坏。当扭矩达到一定程度时,材料的局部区域开始屈服并产生塑性变形,随着扭矩的继续增加,塑性变形逐渐扩展到整个截面,最终导致断裂。
2. **铸铁**
- **断口特点**:断口与轴线呈一定角度(约45°),断口粗糙不平,有明显的裂纹扩展痕迹。铸铁的组织中含有大量的碳化物,这些碳化物在材料中形成了硬而脆的组织,因此铸铁的断口呈现出脆性断裂的特征。
- **破坏原因**:铸铁的扭转破坏主要是由于拉应力引起的脆性断裂。在扭转过程中,铸铁内部的微裂纹在拉应力的作用下迅速扩展,最终导致材料沿某一斜面断裂。
根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果,可以综合分析低碳钢与铸铁的力学性质如下:
1. **强度**:
- 低碳钢:具有较高的屈服强度和抗拉强度,适用于要求较高强度的应用。在拉伸和压缩试验中,低碳钢表现出良好的强度性能。
- 铸铁:强度相对较低,通常用于对强度要求不高的应用。在拉伸试验中,铸铁的抗拉强度远低于低碳钢;在压缩试验中,虽然铸铁的抗压强度较高,但仍然低于低碳钢。
2. **延展性**:
- 低碳钢:具有较好的延展性,可以在拉伸过程中发生较大的塑性变形。
- 铸铁:延展性较差,易于断裂,即使在压缩状态下也表现出一定的脆性。
3. **韧性**:
- 低碳钢:具有较好的韧性,能够吸收和消散能量,具有较好的抗冲击性能和抗疲劳性能。
- 铸铁:韧性较差,易于发生脆性断裂,抗冲击性能和抗疲劳性能较差。
4. **硬度**:
- 低碳钢:通常具有较低的硬度。
- 铸铁:由于含有较多的碳化物,硬度较高。
根据扭矩-转角图,可以通过以下步骤验证弹性阶段剪切胡克定律并提供测量剪切模量G的方法:
1. **绘制扭矩-转角图**:以扭矩Mn为纵坐标,扭转角φ为横坐标,绘制弹性阶段的扭矩-转角图。
2. **观察图形**:在弹性阶段,如果扭矩-转角图为一条直线,则说明剪切胡克定律成立。这是因为根据剪切胡克定律,扭矩与扭转角成正比关系。
3. **计算剪切模量G**:通过公式G=T/(J*θ),其中T为扭矩,J为极惯性矩,θ为扭转角,计算每次的剪切弹性模量Gi。然后按算术平均值计算剪切弹性模量G的实验结果。
综上所述,通过以上步骤可以验证弹性阶段剪切胡克定律,并测量出材料的剪切模量G。
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