扭转实验

11231269 土木1109 刘凯恒

扭转实验

一．实验目的：

1.学习了解微机控制扭转试验机的构造原理，并进行操作练习。 2.确定低碳钢试样的剪切屈服极限 、剪切强度极限 。 3.确定铸铁试样的剪切强度极限 。

4.观察不同材料的试样在扭转过程中的变形和破坏现象。 二．实验设备及工具：

扭转试验机、游标卡尺、扳手。 三．试验原理：

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，开启直流电动机，经过齿轮减速器带动 活动夹头转动，试件便受到了扭转荷载，试件本身也随之产生扭转变形。扭转试验机配套软 件上可以直接读出扭矩T 和扭转角q ，同时试验机配套软件也自动绘出了T ?q 曲线图，一 般q 是试验机两夹头之间的相对扭转角。

因材料本身的差异，低碳钢扭转曲线有两种类型（图B）。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s T 。对试件连续施加扭矩直至扭断，从试验机 配套软件界面上读得最大值b T 。

根据国标GB/T10128－1988规定，低碳钢受扭转时的屈服强度s t 和强度极限b t 采用式

计算。 （式中:

?是实心试件的扭转截面系数）

铸铁试件扭转时，其扭转曲线（图C）伸曲线，它有比较明显的非线性偏离，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极限，即：

图 B 低碳钢扭转T ?q 曲线 图 C 铸铁T ?q 曲线

圆形试件受扭时，横截面上的应力应变分布如下图。在试件表面任一点，横截面上有最 大切应力?，在与轴线成 ±45 的截面上存在主应力 。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 正交的方向被拉断。由此可见，不同材料，其变形曲线、破坏方式、破坏原因都有很大差异。

图D 扭转试件的应力应变分布

四．实验步骤

1.a低碳钢实验（华龙试验机） （1）量直径：

用游标卡尺量取试样的直径 。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。。

（2）安装试样：

启动扭转试验机，手动控制器上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，沿箭头方向旋转手柄，夹紧试样。

（3）调整试验机并对试样施加载荷：

在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、切应变1、切应变2、夹头间转角、时间的零点；根据你所安装试样的材料，在“实验方案读取”中选择“教学低碳钢试验”，并点击“加载”而确定；用键盘输入实验编号，回车确定（按Enter键）；鼠标点“开始测试”键，给试样施加扭矩；在加载过程中，注意观察屈服扭矩 的变化，记录屈服扭矩的下限值，当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“终止测试”键，使试验机停止转动。

（4）试样断裂后，从峰值中读取最大扭矩 。从夹头上取下试样。 （5）观察试样断裂后的形状。 1.b低碳钢实验（青山试验机） （1）量直径：

用游标卡尺量取试样的直径 。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。

（2）安装试样：

启动扭转试验机，手动“试验机测控仪”上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，用扳手顺时针旋转，夹紧试样。

（3）调整试验机并对试样施加载荷：

在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、夹头间转角、切应变1、切应变2、试验时间的零点；选择“实验方案1”；用鼠标“新建”，在下拉菜单中，依次输入“试验编号”、“实验员”、“钢筋长度”、在“实验材料”中选择“塑性”、“材料形状”中选择“实心”和“钢筋直径”等信息后，点击“确定”；鼠标点“开始”键，就给试样施加扭矩了；在加载过程中，注意观察试样屈服时扭矩 的变化，并记录屈服扭矩的下限值，当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“停止”键，使试验机停止转动。

（4）试样断裂后，取下试样，从峰值中读取最大扭矩 。 （5）观察试样断裂后的形状。 2.a铸铁实验（华龙试验机） （1）量直径：

用游标卡尺量取试样的直径 。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。。

（2）安装试样：

启动扭转试验机，手动控制器上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，沿箭头方向旋转手柄，夹紧试样。

（3）调整试验机并对试样施加载荷：

在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、切应变1、切应变2、夹头间转角、时间的零点；根据你所安装试样的材料，在“实验方案读取”中选择 “教学铸铁试验”，并点击“加载”而确定；用键盘输入实验编号，回车确定（按Enter键）；鼠标点“开始测试”键，给试样施加扭矩；当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“终止测试”键，使试验机停止转动。

（4）试样断裂后，从夹头上取下试样，读取峰值表中最大扭矩 。 （5）观察试样断裂后的形状。 2.b低碳钢实验（青山试验机） （1）量直径：

用游标卡尺量取试样的直径 。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。

（2）安装试样：

启动扭转试验机，手动“试验机测控仪”上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，用扳手顺时针旋转，夹紧试样。

（3）调整试验机并对试样施加载荷：

在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、夹头间转角、切应变1、切应变2、试验时间的零点；选择“实验方案1”；用鼠标“新建”，在下拉菜单中，依次输入“试验编号”、“实验员”、“钢筋长度”、在“实验材料”中选择“脆性”、“材料形状”中选择“实心”和“钢筋直径”等信息后点击“确定”；鼠标点“开始”键，就给试样施加扭矩了；当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“停止”键，使试验机停止转动。

（4）试样断裂后，取下试样，从峰值中读取最大扭矩 。 （5）观察试样断裂后的形状。 五．实验记录

试样 直径（第1次） 直径（第2次） 直径（第3次） 屈服载荷 极限载荷 破坏形状 低碳钢 平面 铸铁 45 螺旋曲面 注：低碳钢的剪切流动极限和强度极限的计算公式中应该乘一系数3/4。原因是这样：圆周扭转在弹性范围内剪应力分布如图a所示，对于塑性材料，当扭矩增大到一定数值后，试样表面应力先达到流动极限 ，并逐渐向内扩展，形成环形塑性区，如图b所示。若扭矩逐渐增大，塑性区也不断扩大。当扭矩达到 时，横截面上的剪应力都近似达到 如图c所示，在这种剪应力分布下，流动时剪应力公式为 。

在扭矩继续增加时，试样继续变形，材料进一步强化，当试样扭断时，整个横截面上的剪应力都达到 ，此时最大扭矩为 ，因此剪切强度极限和流动极限一样，近似地 。

由于铸铁是脆性材料，应力在横截面上从开始受力直至破坏都保持为线性分布，当试样边缘上的剪应力达到 时，此时最大扭矩为 ，故仍有弹性阶段的应力公式计算强度极限。 六．数据处理

七．实验结论

八．预习思考题

1.为什么扭转试样两端较粗，中间较细？中间和两端采用光滑曲线过度，而不是直角连接？

答：这样便于试件的安装，中间和两端采用光滑曲线过渡是为了防止应力集中而产生扭断。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jpkt.html