材料力学扭转实验

§1－2 扭转实验

一、实验目的

1、测定低碳钢的剪切屈服点τs，抗扭强度τb。 2、测定铜棒的抗扭强度τb。

3、比较低碳钢和铜棒在扭转时的变形和破坏特征。

二、设备及试样

1、伺服电机控制扭转试验机（自行改造）。 2、0.02mm游标卡尺。

3、低碳钢φ10圆试件一根，画有两圈圆周线和一根轴向线。 4、铜棒铁φ10圆试件一根。

三、实验原理及方法

塑性材料试样安装在伺服电机驱动的扭转试验机上，以6-10o/min的主动夹头旋转速度对试样施加扭力矩，在计算机的显示屏上即可得到扭转曲线（扭矩-夹头转角图线），如下图为低碳钢的部分扭转曲线。试样变形先是弹性性的，在弹性阶段，扭矩与扭转角成线性关系。

弹性变形到一定程度试样会出现屈服。扭转曲线扭矩首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩Tsu；屈服段中最小扭矩为下屈服扭矩Tsl，通常把下屈服扭矩对应的应力值作为材料的屈服极限τs，即：τs=τsl= Tsl/W。当试样扭断时，得到最大扭矩Tb，则其抗扭强度为τb= Tb/W

式中W为抗扭截面模量，对实心圆截面有 W=πd03/16。

铸铁为脆性材料，无屈服现象，扭矩-夹头转角图线如左图，故当其扭转试样破断时，测得最大扭矩Tb，则其抗扭强度为：τb= Tb

C 61`材料的拉伸压缩实验

一、实验目的

1. 观察试件受力和变形之间的相互关系；

2. 观察低碳钢在拉伸过程中表现出的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象；观

察铸铁在压缩时的破坏现象。 3. 测定拉伸时低碳钢的强度指标（?s、?b）和塑性指标（?、?）；测定压缩时铸铁的

强度极限?b。 4. 学习、掌握电子万能试验机的使用方法及工作原理。

二、实验设备

1. 微机控制电子万能试验机； 2. 游标卡尺。 三、实验材料

拉伸实验所用试件（材料：低碳钢）如图1所示，压缩实验所用试件（材料：铸铁）如图2所示：

l0 l d0 图1 拉伸试件 图2 压缩试件

四、实验原理 1、拉伸实验

低碳钢试件拉伸过程中，通过力传感器和位移传感器进行数据采集，A/D转换和处理，并输入计算机，得到F-?l曲线，即低碳钢拉伸曲线，见图3。

对于低碳钢材料，由图3曲线中发现OA直线，说明F正比于?l，此阶段称为弹性阶段。屈服阶段（B-C）常呈锯齿形，表示载荷基本不变，变形增加很快，材料失去抵抗变形能力，这时产生两个屈服点。其中，B?点为上屈服点，它受变形大小和试件等因素影响；

B点为下屈服点。下屈服点

低碳钢和铸铁的扭转实验

一、实验名称

低碳钢和铸铁的扭转实验。 二、实验目的

1．测定低碳钢的剪切屈服极限 ?s及剪切强度极限?b； 2．测定铸铁的剪切强度极限?b；

3．观察比较两种材料扭转变形过程中的各种现象及其破坏形式，并对试件断口进行分析。 三、实验设备及仪器

1．扭转试验机 2．游标卡尺 四、试样制备

低碳钢和铸铁试样如图所示，直径d=10mm，分别测量并记录试样的原始标距L0。

五、实验原理

扭转实验是将材料制成一定形状和尺寸的标准试样，置于扭转试验机上进行的，利用扭转试验机上面的自动绘图装置可绘出扭转曲线，并能测出金属材料抵抗扭转时的屈服扭矩Ts和最大扭矩Tb。通过计算可求出屈服极限?s及剪切强度极限?b。

TsTb ?s? ?b?WtWt六、实验步骤

1、测量试件标距；

Wt ，其中：

??d316

2．选择试验机的加载范围，弄清所用测力刻度盘； 3．安装试样，调整测力指针；

4．实验测试。开机缓慢加载，注意观察试件、测力指针和记录图，记录主要数据，在低碳钢扭转时，有屈服现象，记录测力盘指针摆动的最小扭矩为屈服扭矩Ts，直至实验结束记录最大

第三章

扭转 习题解

[习题3-1] 一传动轴作匀速转动，转速n?200r/min，轴上装有五个轮子，主动轮II输入的功率为60kW，从动轮，I，III，IV，V依次输出18kW，12kW，22kW和8kW。试作轴的扭图。 解：（1）计算各轮的力偶矩（外力偶矩） Te?9.55Nk n 外力偶矩计算(kW换算成kN.m) 题目编号 习题3-1 轮子编号 I II III IV V 轮子作用 从动轮 主动轮 从动轮 从动轮 从动轮 功率(kW) 18 60 12 22 8 转速r/min 200 200 200 200 200 Te（kN.m） 0.859 2.865 0.573 1.051 0.382

(2) 作扭矩图

T图(kN.m)

[习题3-2] 一钻探机的功率为10kW，转速n?180r/min。钻杆钻入土层的深度l?40m。如土壤对钻杆的阻力可看作是均匀分布的力偶，试求分布力偶的集度m，并作钻杆的扭矩图。 解：（1）求分布力偶的集度m

Me?9.549Nk10?9.549??0.5305(kN?m) n180设钻杆轴为x轴，则：

?Mx?0

第三章

扭转 习题解

[习题3-1] 一传动轴作匀速转动，转速n?200r/min，轴上装有五个轮子，主动轮II输入的功率为60kW，从动轮，I，III，IV，V依次输出18kW，12kW，22kW和8kW。试作轴的扭图。 解：（1）计算各轮的力偶矩（外力偶矩） Te?9.55Nk n 外力偶矩计算(kW换算成kN.m) 题目编号 习题3-1 轮子编号 I II III IV V 轮子作用 从动轮 主动轮 从动轮 从动轮 从动轮 功率(kW) 18 60 12 22 8 转速r/min 200 200 200 200 200 Te（kN.m） 0.859 2.865 0.573 1.051 0.382

(2) 作扭矩图

T图(kN.m)

[习题3-2] 一钻探机的功率为10kW，转速n?180r/min。钻杆钻入土层的深度l?40m。如土壤对钻杆的阻力可看作是均匀分布的力偶，试求分布力偶的集度m，并作钻杆的扭矩图。 解：（1）求分布力偶的集度m

Me?9.549Nk10?9.549??0.5305(kN?m) n180设钻杆轴为x轴，则：

?Mx?0

1观察铸铁和低碳钢在拉伸时的断口表面形貌，分析低碳钢、铸铁拉伸时产生不同表面断裂形的本质原因 铸铁断口呈不平整状，是典型的脆性断裂，低炭钢断口外围光滑，是塑性变形区域，中部区域才呈现脆性断裂的特征。 表明，铸铁在超屈服应力下，瞬时断开 ，而低碳钢在超应力的时候，有塑性形变过程，直到拉伸后的断面面积减小到一定程度时，才瞬时断裂。

2铸铁和低碳钢在拉伸和压缩时力学性能的异同点、

低碳钢是指含碳量≤0.2%的铁碳金属物，铸铁的含碳量都是＞1%的黑色金属。所以，在实验比较它们在拉伸或压缩时的力学性质异同点，就要以其自身的机械性能来考虑。

低碳钢由于含碳量低，它的延展性、韧性和可塑性都是高于铸铁的，拉伸开始时，低碳钢试棒受力大，先发生变形，随着变形的增大，受力逐渐减小，当试棒断开的瞬间，受力为“0”，其受力曲线是呈正弦波＞0的形状。

铸铁由于轫性差，拉伸开始时，受力是逐步加大的，当达到并超过它的拉伸极限时，试棒断开，受力瞬间为“0”，其受力曲线是随受力时间延长，一条直线向斜上方发展，试棒断开，直线垂直向下归“0”。

同样的道理：低碳钢抗压缩的能力比铸铁要低，当对低碳钢试块进行压缩实验时，受力逐渐加大，试块随外力变形，当试块变形达到极限时，

材料力学性能

验 指 导 郑镇洙 编

哈尔滨工业大学

2005年2月

实书

实验一、金属拉伸试验

1. 实验目的

(1)熟悉拉伸试验机； (2)掌握拉伸试验方法；

(3)熟练掌握拉伸曲线意义及强度塑性指标的计算方法。

2. 实验用材料和试样

45钢退火态，d0＝10mm的圆形短比例试样。 每个实验小组领取拉伸试样两根。

3. 实验设备和仪器

(1)万能材料试验机；

(2)拉力传感器和位移传感器各一个；

(3)动态电阻应变仪及X－Y函数记录仪各一台; (4)引伸计一只用以测定规定残余伸长应力。

(5)标定器一台。

(6)游标卡尺(最小刻度值为0.01mm)、手锤、冲头或打标点机、钢字等。

4. 实验方法和步骤

4.1 课前预习

查阅拉伸试验相关国家标准，了解有关拉伸性能指标的定义及测试方法。

4.2 试样的准备

(1)了解试样的材料与热处理状态，并在试样两头端部打上编号； (2)用游标卡尺测量试样横截面尺寸；

(3)在试样上标出原始标距，并将试样标距范围内的部分均分为10等分，轻轻打上标点。

4.3 试验设备和仪器的准备

认真听取教师对本实验所用设备和仪器的讲解和观摩示范操作，然后动手做准备工作。

(1)了解所用设备和仪器的

Nanjing University of Technology

工程力学(静力学与材料力学)课堂教学软件(6)

2012年10月26日

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工程力学(静力学与材料力学)

第二篇 材料力学

第6章 圆轴扭转

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第6章 圆轴扭转

第6章 圆轴扭转g m B j B'

m A'

A

外力偶作用平面和杆件横截面平行g:剪切角 (剪应变) g

j:相对扭转角

由几何关系知： g r / l

第6章 圆轴扭转

杆的两端承受大小相等、方向相反、作用平面垂 直于杆件轴线的两个力偶，杆的任意两横截面将绕轴 线相对转动，这种受力与变形形式称为扭转 (torsion)。本章主要分析圆轴扭转时横截面上的剪 应力以及两相邻横截面的相对扭转角，同时介绍圆轴 扭转时的强度与刚度设计方法。

第6章 圆轴扭转 工程中承受扭转的圆轴 外加扭力矩、扭矩与扭矩图 剪应力互等定理 剪切胡克定律 圆轴扭转时横截面上的剪应力分析 与强度设计 圆杆扭转时的变形及刚度条件 结论与讨论

第6章 圆轴扭转

工程中承受扭转的圆轴

第6章 圆轴扭转 工程中承受扭转的圆轴

请判断哪一杆件 将发生扭转？当两只手用力相等时， 拧紧螺母的工具杆将产生扭 转。

第6章 圆轴扭转 工程中承受扭转的

材料力学的课后题目

第三章 扭转

一、是非判断题

1.圆杆受扭时，杆内各点处于纯剪切状态。 （ × ）

2.杆件受扭时，横截面上的最大切应力发生在距截面形心最远处。 （ × ）

3.薄壁圆管和空心圆管的扭转切应力公式完全一样。 （ × ）

4.圆杆扭转变形实质上是剪切变形。 （ × ） 5.非圆截面杆不能应用圆截面杆扭转切应力公式，是因为非圆截面杆扭转时“平截面假设”不能成立。 （ √ ）

6.材料相同的圆杆，他们的剪切强度条件和扭转强度条件中，许用应力的意义相同，数值相等。 （ × ）

7.切应力互等定理仅适用于纯剪切情况。 （ × ） 8.受扭杆件的扭矩，仅与杆件受到的转矩（外力偶矩）有关，而与杆件的材料及其横截面的大小、形状无关。 （ √ ） 9.受扭圆轴在横截面上和包含轴的纵向截面上均无正应力。 （√ ） 10.受扭圆轴的最大切应力只出现在横截面上。 （ × ） 11.受扭圆轴内最大拉应力的

17 第三章 扭转

1．等截面圆轴上装有四个皮带轮，如何安排合理，现有四种答案：

（A） 将C轮与D轮对调； （B） 将B轮与D轮对调； （C） 将B轮与C轮对调；

（D） 将B轮与D轮对调；然后将B轮与C轮对调；

正确答案是 a 。 0.6 1.0 0.2 0.2

C B A D

2．薄壁圆管受扭转时的剪应力公式为 ??T/2?Rt ，（R为圆管的平均半径，t为壁厚）。关于下列叙述，

（1） 该剪应力公式可根据平衡关系导出；

（2） 该剪应力公式可根据平衡、几何、物理三方面条件导出； （3） 该剪应力公式符合“平面假设”；

（4） 该剪应力公式仅适用于t??R的圆管。 现有四种答案： （A） （1）、（3）对； （B） （1）、（4）对； （C） （2）、（3）对； （D） 全对；

正确答案是 b