3.2金属材料的扭转实验精品课件
金属材料扭转实验
矩的增大趋于均匀，如图 4.3（c）所示，假设应力为τ s （屈服极限），则这 时截面上应力τ s 与相应扭矩的Ts 的关系为
τs
=
3TS 4WP
图 4.2
T
(a)
(b)
(c)
Tb Ts
图 4.3 扭转试件在不同扭矩下横截面应力图
图 4.4
同理可计算塑性材料在扭转时的剪切强度极限
τb
=
3Tb 4W p
对于铸铁等脆性材料在扭转至破坏时，因其变形较小无屈服现象，故可 近似地用弹性应力公式进行计算，若破坏时的扭矩为Tb ，则得到剪切强度极 限为
τb
=
Tb Wp
-3-
三、仪器与设备
1、扭转试验机 2、游标卡尺
四、实验方法与步骤
1、量好试件尺寸（直径 d ）后，将试件安装于机器夹头中，可在试件上 画上一条纵向粉笔线，以观察它的变形。
2 最大显示扭矩（Nm）
3 扭矩最小读数值（Nm）
4 扭矩精确测量范围（Nm）
5 扭转角最大讯数值（°）
6 扭转角最小读数值（°）
7 扭矩示值相对误差
8 扭矩示值重复性相对误差
9 零点相对误差
10 试样直径（㎜）
表 4.3
规格、参数及指标 NJS-01 150 0.06 20—100 99999.9 0.1
-1-
实验四 金属材料扭转实验
一、实验目的
扭转实验是了解材料抗剪能力的一项基本实验，本实验着重了解塑性材 料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）受扭转时的机械性能，测定τ s 、τ b 绘制 T − φ 图，并比较两种材料的破坏情况及原因。
扭转实验过程中，试件的断面形状几乎一直不变，无颈缩现象，变形较 均匀，可以较准确地测定试件变形及瞬时破坏应力。
金属材料扭转实验
一、实验目的 1 了解 GB/T 10128-2007《金属材料 室温扭转试验方法》所规定的定义和符号、试 样、实验要求、性能测定方法。 2 了解扭转试验机的基本构造和工作原理，掌握其使用方法。 3 测定金属材料扭转时的上下屈服强度、抗扭强度和相应的扭角。 4 比较不同材料在扭转时的机械性能及其破坏情况。
东南大学力学实验中心 金属材料扭转实验
图 8（b）选择需要计算的指标 设置“试验结束条件”，通常设定“断裂百分比”为 40%。点击“下一步”，见图 8（c）。
图 8（c）设置结束条件 选择传感器。然后点击“下一步”，见图 8（d）。
东南大学力学实验中心 金属材料扭转实验
图 8（d）选择传感器 设置坐标轴增量。点击“关闭”，完成参数设置，见图 8（e）。
图 8（e）设置坐标轴增量 3 开始实验，观察加载过程
首先分别对界面中显示的“扭矩”和“转角”进行“清零”，再选择需要绘制的曲线类 型，然后点击“试验开始”，试验机按照前面的设定对试样加载，此时应注意观察试样的变 化情况和控制软件上扭转曲线的绘制情况，见图 9。
东南大学力学实验中心 金属材料扭转实验
东南大学力学实验中心 金属材料扭转实验
图 7 试样录入 点击“参数设置”，设置实验参数。通常“试验开始扭矩值”设定为 1N·m；“试验速 度”低碳钢试样为 360º/min，铸铁试样为 36º/min。然后点击“下一步”，见图 8（a）。
图 8（a）设定开始扭矩和实验速度 选择需要计算的指标，在前面的复选框内打“√”。点击“下一步”，见图 8（b）。
mm4
W
截面系数Biblioteka mm3τm抗扭强度
MPa
γ max
最大非比例 切应变
%
1 规定非比例扭转强度的测定 图解法：根据试验机自动记录的扭矩-扭角曲线，在曲线上延长弹性直线段交扭角轴于
第四章金属扭转试验
第四章金属扭转试验在机械、石油、冶金等工程中有许多机械零部件承受扭转载荷作用的实例，如各种轴类零件(电机主轴、机床主轴、汽车传动轴)、石油钻杆等。
因此，必须测定其相关材料的扭转性能指标，为设计提供依据。
扭转试验是对圆柱形试样施加扭矩T(使试样两端承受大小相等、方向相反、作用面垂直于试样轴线的力偶)，测量扭矩T及相应的扭角φ,绘制T-φ扭转曲线图，一般扭至断裂，以便测定金属材料的各项扭转力学性能指标。
圆柱形试样的扭转试验具有以下的特点：(1)用圆柱形试样进行扭转时，从试验开始直至破断，在试样的整个工作长度上塑性变形都是均匀的，试样仍保持圆柱形，横截面的大小、形状及试样工作长度几乎保持不变，没有缩颈现象。
因此，可以用扭转试验精确地测定高塑性金属材料的应力-应变关系。
(2)剪切试验只能测定材料的抗剪强度，对于高塑性材料，由于常伴随着弯曲变形而不能得到正确的结果，扭转试验则能较全面地了解材料在切应力作用下的行为。
(3)扭转应力状态较拉伸软(α=0.8)，可以使低塑性材料处于韧性状态测定它们的强度和塑性。
(4)由材料力学可知，圆柱形试样在扭转试验时，试样表面的应力状态如图4-1所示，最大切应力和正应力绝对值相等，夹角成45°。
因此，扭转试验可以明显地区别材料的断裂方式：正断或切断。
这一点其他试验不能与之相比。
(5)扭转试验时，试样横截面上沿直径方向切应力和切应变的分布是不均匀的，试样表面的切应力和切应变最大。
因此，扭转试验可以灵敏地反映材料的表面缺陷。
第一节金属材料扭转时的力学性质一、扭转时切应变材料力学假设扭转时圆柱体的变形：(1)所有纵向素线都倾斜了同一角度α，圆柱体上所有矩形格子扭歪成相似平行四边形；(2)所有圆周线都围绕轴线转了一定的角度φ，而圆周线形状、长短及两圆周线间距离都未改变。
由材料力学可知：半径为r(mm)的圆柱体，在距离圆柱体轴线为ρ的一层薄壁圆筒上任一点处的切应变：即：圆柱体横截面上任一点扭转时的切应变与该点到轴线的距离ρ成正比，圆柱体表面的切应变最大。
扭转实验讲义
§ 3 金属材料的扭转试验工程中有很多承受扭转的构件，如各类电动机轴、传动轴、钻杆等。
材料在扭转变形下的力学性能，如扭转屈服点、抗扭强度、切变模量等，是进行扭转强度和刚度计算的依据。
作为材料力学试验中最基本、最典型的试验之一，本节将介绍切变模量G ，扭转屈服点S τ、抗扭强度b τ的测定方法以及扭转破坏的规律和特征。
一、实验目的1. 测定铝合金材料的切变模量G 。
2. 测定低碳钢的屈服点s τ或上屈服点su τ、下屈服点sL τ和抗扭强度b τ。
3. 观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。
二、设备和仪器1. RNJ-500微机控制电子扭转试验机。
2. 小扭角传感器。
3. 游标卡尺。
三、试样采用直径10mm 、标距50毫米的圆形试样，端部铣成相对两平面以便夹持,如图1-19所示。
四、测试原理和方法 1．切变模量G材料的切变模量G 是在扭转过程中，线弹性范围内切应力和切应变之比。
切变模量G 是计算构件扭转变形的基本参数，可采用逐级加载法或图解法测定。
（1）逐级加载法测G先通过试验机采用手动形式施加初始扭矩T 0，然后采用等增量加载，加载五次，第i 次加载后扭矩为()5,2,1,00 =∆+=i Ti T T i （a ）式中：0T 为初扭矩，T ∆为每级扭矩增量。
标距间相对扭转角由试验机提供的小角度扭角仪测量获得，记录每级载荷下的扭转角()5,2,1,0 =i i ϕ。
各级加载过程中的切变模量为()01Pi i i TL G I ϕϕ-∆=-取平均值图1-19 扭转试样P 0P 1i i iTL G I TL G n n nI ϕϕ∆∆∆===∆∑∑∑ （1-31） 或采用最小二乘法计算切变模量G 。
由弹性扭转公式0PTL GI ϕ∆∆=，令 0PL a T GI ϕ∆==∆ (b) 式中：L 0为试样的标距，P I 为截面对圆心的极惯性矩。
由最小二乘原理知系数a 为 ∑∑=2iii xy x a （c ）因实验给出的载荷是0T T i -，测得的变形是0ϕϕ-i ，因此上式中i x 表示0T T i -，i y 表示0ϕϕ-i ，代入上式并与式b 联立得()()()2P00ii i T T L G I T T ϕϕ-=--∑∑ (1-32a )将a 式代入，上式化为()2P0i iTL G I i ϕϕ∆=-∑∑ (1-32b )屈服点s τ、上屈服点su τ和下屈服点sL τ以及抗扭强度b τ测定 （1）屈服点s τ、上屈服点su τ和下屈服点sL τ（低碳钢）测定拉伸时有明显屈服现象的金属材料（如低碳钢）在扭转时同样有屈服现象。
材料力学 第三章 扭转PPT课件
(Torsion)
9
(Torsion)
10
(Torsion) 轴： 工程中以扭转为主要变形的构件。
齿轮轴
11
(Torsion)
二、受力特点(Character of external force)
杆件的两端作用两个大小相等、方
向相反、且作用平面垂直于杆件轴
线的力偶.
me
三、变形特点(Character of deformation)
4
(Torsion)
§3-1 扭转的概念及实例 (Concepts and example problem of torsion)
一、工程实例(Example problems)
1、螺丝刀杆工作时受扭。
5
(Torsion)
6
(Torsion)
2、汽车方向盘的转动轴工作时受扭。
7
(Torsion)
MA ml
2、截面法求扭矩 TMAmx
Tm (lx)
表示扭矩沿杆件轴线变化的图线（T-x曲线）－扭矩图
21
(Torsion)
§3-3 薄壁圆筒的扭转
(Tors
薄壁圆筒：壁厚
1 10
r0（r0—圆筒的平均半径）
一、应力分析 (Analysis of stress)
杆件的任意两个横截面都发生绕轴线的相对转动.
Me
Me
12
(Torsion)
§3-2 扭转的内力的计算 (Calculating internal force of torsion)
一、外力偶矩的计算 (Calculation of external moment)
1秒钟输入（出）的功：P×1000N•m
金属扭转试验
第四章金属扭转试验在机械、石油、冶金等工程中有许多机械零部件承受扭转载荷作用的实例，如各种轴类零件(电机主轴、机床主轴、汽车传动轴)、石油钻杆等。
因此，必须测定其相关材料的扭转性能指标，为设计提供依据。
扭转试验是对圆柱形试样施加扭矩T(使试样两端承受大小相等、方向相反、作用面垂直于试样轴线的力偶)，测量扭矩T及相应的扭角φ,绘制T-φ扭转曲线图，一般扭至断裂，以便测定金属材料的各项扭转力学性能指标。
圆柱形试样的扭转试验具有以下的特点：(1)用圆柱形试样进行扭转时，从试验开始直至破断，在试样的整个工作长度上塑性变形都是均匀的，试样仍保持圆柱形，横截面的大小、形状及试样工作长度几乎保持不变，没有缩颈现象。
因此，可以用扭转试验精确地测定高塑性金属材料的应力-应变关系。
(2)剪切试验只能测定材料的抗剪强度，对于高塑性材料，由于常伴随着弯曲变形而不能得到正确的结果，扭转试验则能较全面地了解材料在切应力作用下的行为。
(3)扭转应力状态较拉伸软(α=0.8)，可以使低塑性材料处于韧性状态测定它们的强度和塑性。
(4)由材料力学可知，圆柱形试样在扭转试验时，试样表面的应力状态如图4-1所示，最大切应力和正应力绝对值相等，夹角成45°。
因此，扭转试验可以明显地区别材料的断裂方式：正断或切断。
这一点其他试验不能与之相比。
(5)扭转试验时，试样横截面上沿直径方向切应力和切应变的分布是不均匀的，试样表面的切应力和切应变最大。
因此，扭转试验可以灵敏地反映材料的表面缺陷。
第一节金属材料扭转时的力学性质一、扭转时切应变材料力学假设扭转时圆柱体的变形：(1)所有纵向素线都倾斜了同一角度α，圆柱体上所有矩形格子扭歪成相似平行四边形；(2)所有圆周线都围绕轴线转了一定的角度φ，而圆周线形状、长短及两圆周线间距离都未改变。
由材料力学可知：半径为r(mm)的圆柱体，在距离圆柱体轴线为ρ的一层薄壁圆筒上任一点处的切应变：dx d /ϕργρ= ()r ≤≤ρ0即：圆柱体横截面上任一点扭转时的切应变ργ与该点到轴线的距离ρ成正比，圆柱体表面的切应变最大。
金属材料的扭转实验-庞玉
金属材料的扭转实验一、实验目的1．测定低碳钢扭转时的的剪切屈服极限s τ及剪切强度极限b τ。
2．测定铸铁扭转时的剪切强度极限b τ。
3．观察并比较低碳钢及铸铁试件扭转破坏的特征。
二、试验设备和仪器 1．游标卡尺2．NDW31000微机控制扭转试验机微控电子式扭转试验机，型号为NDW31000，最大扭矩为1000N.m ，试验力精度为1%；扭角测量范围为1-1000rad ；试验速度为0.036-360°/min。
该机采用松下交流电机伺服系统，液晶显示及计算机自动控制系统。
可以正反两方向施加扭矩进行扭转试验，用来测量各种金属和非金属材料受转矩时的机械性能。
试验机由加载机构、测力单元、液晶显示屏和计算机软件系统等组成。
加载机构：安装在导轨上的加载系统由主动夹头、从动夹头、底座、移动导轨，交流伺服电机、减速器和计算机软件系统组成。
试件装在主、从动夹头之间，由计算机控制软件（或液晶显示器）发出指令，驱动松下伺服电机开始转动，通过减速器减速使夹头旋转，对试样施加扭矩。
试验机的正反加载和停车，可由计算机软件控制（或按显示屏的标志按钮）。
测力单元：通过夹头传来的力矩经传感器的处理输出，在液晶显示器和计算机上同步显示出来，根据满意度选择保存或打印。
计算机软件部分：加载过程由计算机软件控制，并进行实验方案的选择，数据处理和数据分析，实验过程的监测和实验结果的输出。
液晶显示屏：手动操作控制。
三、试样NDW31000扭转试验机的试样夹持直径在8～40mm 。
本试验使用标距L=100mm，标距部分直径d=10mm 的圆形截面标准试件。
四、实验原理很多传动零件都在扭转条件下工作。
测定扭转条件下的机械性能，对零件的设计计算和选材有实际意义。
纯扭转时，圆试样表面为纯剪应力状态（如图1）其最大剪应力和正应力绝对值相等，夹角成450，因此扭转实验可以明显区分材料的断裂方式—拉断或剪断。
如果材料的抗剪强度小于抗拉强度，破坏形式为剪断，断口应与其轴线垂直；如果材料的抗拉强度小于抗剪强度，破坏原因为拉应力。
第四章 金属扭转试验
第四章金属扭转试验在机械、石油、冶金等工程中有许多机械零部件承受扭转载荷作用的实例，如各种轴类零件(电机主轴、机床主轴、汽车传动轴)、石油钻杆等。
因此，必须测定其相关材料的扭转性能指标，为设计提供依据。
扭转试验是对圆柱形试样施加扭矩T(使试样两端承受大小相等、方向相反、作用面垂直于试样轴线的力偶)，测量扭矩T及相应的扭角φ,绘制T-φ扭转曲线图，一般扭至断裂，以便测定金属材料的各项扭转力学性能指标。
圆柱形试样的扭转试验具有以下的特点：(1)用圆柱形试样进行扭转时，从试验开始直至破断，在试样的整个工作长度上塑性变形都是均匀的，试样仍保持圆柱形，横截面的大小、形状及试样工作长度几乎保持不变，没有缩颈现象。
因此，可以用扭转试验精确地测定高塑性金属材料的应力-应变关系。
(2)剪切试验只能测定材料的抗剪强度，对于高塑性材料，由于常伴随着弯曲变形而不能得到正确的结果，扭转试验则能较全面地了解材料在切应力作用下的行为。
(3)扭转应力状态较拉伸软(α=0.8)，可以使低塑性材料处于韧性状态测定它们的强度和塑性。
(4)由材料力学可知，圆柱形试样在扭转试验时，试样表面的应力状态如图4-1所示，最大切应力和正应力绝对值相等，夹角成45°。
因此，扭转试验可以明显地区别材料的断裂方式：正断或切断。
这一点其他试验不能与之相比。
(5)扭转试验时，试样横截面上沿直径方向切应力和切应变的分布是不均匀的，试样表面的切应力和切应变最大。
因此，扭转试验可以灵敏地反映材料的表面缺陷。
第一节金属材料扭转时的力学性质一、扭转时切应变材料力学假设扭转时圆柱体的变形：(1)所有纵向素线都倾斜了同一角度α，圆柱体上所有矩形格子扭歪成相似平行四边形；(2)所有圆周线都围绕轴线转了一定的角度φ，而圆周线形状、长短及两圆周线间距离都未改变。
由材料力学可知：半径为r(mm)的圆柱体，在距离圆柱体轴线为ρ的一层薄壁圆筒上任一点处的切应变：dx d /ϕργρ= ()r ≤≤ρ0即：圆柱体横截面上任一点扭转时的切应变ργ与该点到轴线的距离ρ成正比，圆柱体表面的切应变最大。
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横截面剪断
二、实验原理——低碳钢的扭转断口分析
2
=450
1
1 2
对于低碳钢 ：
圆形截面纯剪应力状态
b b b
沿横截面剪断的
二、实验原理——铸铁扭转
Mb b＝ 根据弹性应力计算公式： Wn
横截面应力分布 铸铁扭转的扭矩—扭转角曲线
四、实验步骤
夹持段
4.1 试样原始尺寸测量并记录
上
在试样工作段的上中下三个截 面量取直径，每个截面垂直方向各 量一次，计算时取最小截面计算最 小抗扭截面模量。
Wn
3 d0
四、实验步骤
4.2 打开试验机和电脑电源
4.3 打开测试程序 4.4 安装待测试件 4.5 选择相应的测试方法 4.6 实验开始，并观察实验现象，直至试件破坏
二、实验原理——低碳钢的扭转
低碳钢扭转的扭矩—扭转角曲线
二、实验原理——低碳钢的扭转
G
Mn r I
max
Mn<Mp时的剪应力分布
Mn Wn
低碳钢扭转的扭矩—扭转角曲线
二、实验原理——低碳钢的扭转
根据塑性理 论τS可按下列近 似公式计算：
3 MS S＝ 4 Wn
实验3.2 金属材料的扭转实验
上海理工大学 机械工程学院 136室 主讲教师：
一、实验目的
– – – – – 观察并比较低碳钢（Q235）与铸铁（HT150）扭转实验现象 测定低碳钢的剪切屈服极限s和剪切强度极限b 测定铸铁的剪切强度极限 b 掌握CTT1103型扭转试验机的工作原理和操作规程 熟悉《GB/T 10128-2007 金属材料 室温扭转试验方法》
表1 性能结果数值修约间隔
扭转性能 G
结果
————
修约到
100MPa 1MPa 5MPa 10MPa 0.5%
≤200MPa
τS
、
τb
200~1000MPa >1000MPa ————
γmax
六、思考题 （P4 第1、2题）
第1题， 比较低碳钢和铸铁破坏后的断口形式， 并解释其破坏原因。 第2题， 根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果， 综合分析低碳钢和铸铁的机械性能。 （从强度和刚度两方面综合分析）
七、下次实验预习重点
实验3.4 桥路变换实验
（机械工程学院324室）
1.附录3D
电阻应变仪的电测原理
2. 什么是等强度梁 ？
3. 应变片形式和种类及其工作原理
4.7 实验结束后取下破坏后的被测试件
（请参考过塑文件《实验3.2操作步骤》）
五、实验数据处理分析（见实验报告P3~4）
从强度、刚度、断口形状三方面来分析：
材料 低碳钢 铸铁
Ms (N· m)
Mb (N· m)
Φ ( °)
τS (MPa)
τb (MPa)
绿色部分的数据直接从测试软件上读取
五、实验数据处理分析（见实验报告P3~4）
二、实验原理——铸铁扭转断口形成
45°螺旋面断裂
二、实验原理——铸铁扭转断口分析
1 2
对于铸铁 ：
b b b
圆形截面纯剪应力状态 沿45°螺旋面拉断 （沿着与σ1呈正交的方向 拉断）
三、实验仪器和试件——仪器
– CTT1103型电子扭转试验机 – 游标卡尺
Mp<Mn<Ms时的剪应力分布
低碳钢扭转的扭矩—扭转角曲线
二、实验原理——低碳钢的扭转
低碳钢扭转的扭矩—扭转角曲线
二、实验原理——低碳钢的扭转
Mn=Mb时的剪应力分布 低碳钢扭转的扭矩—扭转角曲线
3 Mb 根据塑性理论τ 可按近似公式计算： b＝ 4 Wn
b
二、实验原理——低碳钢的扭转断口形成