低碳钢、铸铁的扭转破坏实验报告

低碳钢、铸铁的扭转破坏实验

一：实验目的和要求 1、掌握扭转试验机操作。 2、低碳钢的剪切屈服极限τs。 3、低碳钢和铸铁的剪切强度极限τb。

4、观察比较两种材料的扭转变形过程中的变形及其破坏形式，并对试件断口形貌进行分析。 二：实验设备和仪器 1、材料扭转试验机 2、游标卡尺 三、实验原理 1、低碳钢扭转实验

低碳钢材料扭转时载荷-变形曲线如图（a）所示。

T Tb Ts 0 φ

图1. 低碳钢材料的扭转图

1. 低碳钢材料的扭转图

(a) (b) (c) 图2. 低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图

ρ dA τ τs

τs 低碳钢试件在受扭的最初阶段，扭矩T与扭转角φ成正比关系(见图1)，横截面上剪应力τ沿半径线性分布，如图2(a)所示。随着扭矩T的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限τ

s且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形

塑性区，但中心部分仍是弹性的，见图2(b)。试件继续变形，屈服从试件表层向心部扩展直到整个截面几乎都是塑性区，如图2(c)所示。此时在T-φ曲线上出现屈服平台(见图1)，试验机的扭矩读数基本不动，此时对应的扭矩即为屈服扭矩Ts。随后，材料进入强化阶段，变形增加，扭矩随之增加，直到试件破坏为止。因扭转无颈缩现象。所以，扭转曲线一直上升直到破坏，试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb。由Ts????sdA??s?Ad/20?（2??d?）??sWt 可得低碳钢材料的

43扭转屈服极限?s?Wt?3Ts3T；同理，可得低碳钢材料扭转时强度极限?b?b，其中4Wt4Wt?16d3为抗扭截面模量。

2、铸铁扭转实验

铸铁试件受扭时，在很小的变形下就会发生破坏，其扭转图如图3所示。 T Tb

O

φ

图3. 铸铁材料的扭转图

从扭转开始直到破坏为止，扭矩T与扭转角近似成正比关系，且变形很小，横截面上剪应力沿半径为线性分布。试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb，铸铁材料的扭转强度极限为?b?Tb。 Wt低碳钢试样和铸铁试样的扭转破坏断口形貌有很大的差别，图4（a）所示低碳钢试样的断面与横截面重合，断面是最大切应力作用面，断口较为平齐，可知为剪切破坏；图（b）所示铸铁试样的断面是与试样轴线成45度角的螺旋面，断

面是最大拉应力作用面，断口较为粗糙，因而最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。

图4. 低碳钢和铸铁的扭转端口形状 四、实验步骤 低碳钢实验步骤：

1. 测量试样尺寸 在试件两端及中部位置，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算个横截面面积。

2. 检查设备线路连接是否接好，并打开设备电源以及配套软件操作界面。 3. 在试样上安装扭角测试装置，将一个定位环夹盒套在试样的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另一个定位环夹套在试样的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试样标距要求，将试样搁放在相应的的V形块上，使两卡盘与V形块的两端贴紧， 保证卡盘与试样垂直，以确保标距准确，将卡盘上的螺母拧紧。 4. 将试验机两端夹头对正，装夹试件，进行保护，清零。

5. 选择低碳钢扭转实验方案，记录低碳钢试件的屈服扭矩Ts和最大扭矩Tb。 6. 实验结束后，取下试件，观察试样破坏断口形貌，打印实验结果，关闭软件，关闭电源。 铸铁实验步骤：

与低碳钢扭转实验步骤相同。铸铁是脆性材料，只需记录铁铸试件的最大扭矩Tb，无需安装扭角测量装置。

五、实验记录及数据处理 表1. 试件尺寸

直径d（mm） 试 件 截面1 截面2 截面3 最小横平均直径 截面面抗扭截面系数 d0 (mm) 积 4?d02Wt?16 (mm) A0??d033（mm2） 低碳钢 铸 铁

表2. 实验记录及数据计算 试件 低 碳 钢 屈服扭矩 Ts= 39.98 N·m 实 最大扭矩 Tb= 89.68 N·m 验 扭转屈服应力： 数 据 最大扭转 Tb= 34.05 N·m 铸 铁 9.90 9.88 9.88 9.89 76.73 189.65 9.96 9.98 10.00 9.98 78.19 195.07 ?s?3Ts?153.73 MPa 4Wt3Tb?344.80MPa 4Wt剪切强度极限 ?b?Tb?179.5MPa Wt扭转极限应力： ?b?

六：实验数据拟合

铸铁的扭转破坏实验，扭矩-扭角曲线如下图所示：

低碳钢的扭转破坏，扭矩-扭转曲线如下图所示：

在弹性范围内进行圆截面试样扭转实验时，扭矩与扭转之间的关系符合扭转

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