实验编号3 低碳钢和铸铁扭转实验
低碳钢和铸铁扭转破坏试验
一、概述
工程中有许多承受扭转变形的构件，了解材料在扭转变形时的力学性能，对于构件的合理设计和选材是十分重要的。

材料在扭转变形下的力学性能只能通过试验来测定；扭转变形是构件的基本变形之一。

因此扭转试验也是材料力学基本实验之一。

二、实验目的
1、测定低碳钢的剪切屈服极限τ
s ，及低碳钢铸铁的剪切强度极限τ
b
2、铸铁的抗扭强度极限τ
b
3、观察、比较分析两种材料在扭转过程中变形和破坏形式。

4、学习自动绘制T－φ曲线及微机控制电子扭转实验机、扭角仪的操作
三、实验设备和仪器
1、微机控制电子扭转实验机
2、游标卡尺
3、低碳钢和铸铁圆形扭转试件
四、试件
扭转试验所用试件与拉伸试件的标准相同，一般使用圆形试件，d
=10mm，
标距l
=50mm或100mm,平行长度l为70mm或120mm。

其它直径的试样，其平行长度为标距长度加上两倍直径。

为防止打滑，扭转试样的夹持段宜为类矩形，如图3-1所示。

图3-1
五、实验原理
扭转试验是材料力学试验最基本、最典型的试验之一。

进行扭转试验时，把试件两夹持端分别安装于扭转试验机的固定夹头和活动夹头中，开启试验机，试件便受到了扭转荷载，试件本身也随之产生扭转变形。

扭转试验机上可以直接读出扭矩M和扭转角φ，同时试验机也自动绘出了M—φ曲线图，一般φ是试验机两夹头之间的相对扭转角。

扭转试验的标准是GB/T10128-1988。

因材料本身的差异，低碳钢扭转曲线有两种类型，如图3-2所示。

扭转曲线表现为弹性、屈服和强化三个阶段，与低碳钢的拉伸曲线不尽相同，它的屈服过程是由表面逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区。

当横截面的应力全部屈服后，试件才会全面进入塑性。

在屈服阶段，扭矩基本不动或呈下降趋势的轻微波动，而扭转变形继续增加。

当首次扭转角增加而扭矩不增加（或保持恒定）时的扭矩为
屈服扭矩，记为M
s ；首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩，记为M
su
；屈服阶段
中最小的扭矩为下屈服扭矩，记为M
sL
（不加说明时指下屈服扭矩）。

对试件连续
施加扭矩直至扭断，从试验机扭矩标识上读得最大值。

考虑到整体屈服后塑性变形对应力分布的影响，低碳钢扭转屈服点和抗扭强度理论上应按下式计算。

τs=M s/Wρτb=M b/Wρ
图3-2低碳钢图3-3铸铁铸铁试件扭转时，其扭转曲线不同于拉伸曲线，它有比较明显的非线性偏离，见图（3-3）。

但由于变形很小就突然断裂，一般仍按弹性公式计算铸铁的抗扭强度，即
τb=M b/Wρ
圆形试件受扭时，横截面上的应力应变分布如图3-4b、c所示。

在试件表面
任一点，横截面上有最大切应力τ，在与轴线成±45的截面上存在主应力σ
1
=
τ，σ
3
=-τ（见图3-4a）。

低碳钢的抗剪能力弱于抗拉能力，试件沿横截面被剪
断。

铸铁的抗拉能力弱于抗剪能力，试件沿与σ
1
正交的方向被拉断。

图3-4
六、实验步骤
1．开机：试验机——>打印机——>计算机
注意：每次开机后，最好要预热10分钟，待系统稳定后，再进行试验
工作。

若刚刚关机，需要再开机，至少保证1分钟的时间间隔。

2．双击电脑桌面图标，进入试验软件，选择好联机的用户名和密码
选择对应的传感器及扭角仪后击。

3．根据试样情况准备好夹具，若夹具已安装到试验机上，则对夹具进行检查,并根据试样的长度及夹具的间距设置好限位装置。

4．点击里的新试验，选择相应的试验方案，输入试样的原始用户参数如尺寸等。

测量试样的尺寸方法为：用游标卡尺在试样标距两端和中间三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直方向各测量一次，取其平均值。

用三个平均值中最小者计算W
ρ
5．划线：在试件的两端和中间用彩色粉笔画三个圆周线，并沿试件表面划一母线，以便观察低碳钢扭转时的变形情况（铸铁变形较小不用画此线）。

6．装夹试样
7．先按“对正”按键，使两夹头对正。

如发现夹头有明显的偏差，请按下“正传”或“反转”按键进行微调。

8．将已安装卡盘的试样的一端放入从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试样夹紧。

9．按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。

10．推动移动支座移动，使试样的头部进入主动夹头的钳口间。

11．先按下“试样保护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试样夹紧。

12．按“扭转角清零”按键，（点击扭角窗口的按钮）使计算机显示屏上的扭转角显示值为零。

13．将测量辊放在卡盘上。

14．点击，开始自动试验，软件自动切换到试验界面。

15．观察试验过程
16．试验结束，在试验结果栏中，程序将自动计算出结果显示在其
中。

如果想清楚的观看结果，可双击试验结果区，试验结果区将放大到半屏，方便观看结果数据，再次双击，试验结果区大小复原。

如果想分析曲线，双击曲线区，曲线区将放大到半屏，方便分析曲线，再次双击，曲线区大小复原。

17、实验完成后，点击,打印试验报告。

18、关闭试验窗口及软件；
关机：试验软件——>试验机——>计算机。

七、结果整理
1、计算低碳钢的剪切屈服极限 τs =s M W ρ
强度极限 τb =
b M W ρ 2、铸铁的强度极限 τb =
s M W ρ 式中W ρ=16
π d 3是试件的抗扭截面模量。

八、预习要求：
1、复习课程中的扭转理论。

2、阅读扭转实验指导书。

九、思考题
1、低碳钢拉伸和扭转的断裂方式是否一样？破坏原因是否一样？
2、铸铁在压缩破坏和扭转破坏试验中，断口外缘与轴线夹角是否相同？破坏原因是否相同？
3、分析低碳钢拉伸曲线与扭转曲线的相似处和异同点？。