4.实验四 金属材料扭转实验

金属材料扭转实验
一、 实验目的
1. 测定低碳钢材料的剪切屈服极限s τ及剪切强度极限b τ。

2. 测定铸铁材料的剪切强度极限b τ。

3. 观察低碳钢和铸铁扭转变形过程中各种现象，比较两种材料试样断口破
坏特性。

二、 实验仪器设备
CTT500 微机控制扭转试验机、游标卡尺、低碳钢扭转试样和铸铁扭转试样 三、 实验原理
将材料试样装夹在扭转试验机的夹头上，实验时，扭转试验机的一个夹头固定不转，另一个夹头绕轴转动，从而对材料试样施加扭转载荷，使试样发生扭转变形，同时绘制出试样承受的扭矩T 与发生的变形扭转角φ的关系曲线（T –φ曲线）。

1. 低碳钢扭转实验
图 2-1-2 所示为低碳钢试样在扭转变形过程中的 T –φ关系曲线。

由该曲线可得到低碳钢材料在整个扭转过程中所表现出来的力学性能，其主要特征如下：
在弹性变形的OA直线段。

试样截面上扭矩T与扭转角φ成正比例关系，材料服从切变虎克定律，在该阶段可测定材料的切变模量G，试样横截面上剪应力沿半径线性分布如图 2-1-3（a）所示。

拉伸时有明显屈服现象的金属材料在扭转时同样存在屈服现象，只是由于扭转时试样截面上的应力分布不均匀，当试样表面材料屈服时，内部材料并未出现屈服，因此载荷的下降不是突然发生，故无拉伸时的初始瞬时效应。

当扭矩保持恒定或在小范围内波动，而扭转角仍持续增加（曲线出现平台）时的扭矩称为屈服扭矩。

上屈服扭矩：屈服阶段中扭矩首次下降前的最大扭矩，称为上屈服扭T，如图 2-2-2 中所示。

矩，记为
su
T，如下屈服扭矩：屈服阶段中的最小扭矩称为下屈服扭矩，记为
sL
图 2-2-2中所示。

本次实验中测定下屈服扭矩作为低碳钢扭转时的屈服扭矩 Ts，根据
τ。

实验中测得的屈服扭矩 Ts数值，即可计算出低碳钢的剪切屈服极限
s
低碳钢扭转试样横截面上剪应力线性分布如图 2-1-3 所示，随着 T
τ，而且塑性区逐的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限
s
渐向圆心扩展，形成环形塑性区，如图 2-1-3（b）所示，直到整个截面几乎都是塑性区，如图 2-1-3（c）所示，在 T–φ曲线上出现屈服平台。

对试样继续施加扭转载荷，随着扭矩增加，变形随之增大，直到试样被破坏。

试样 破坏时的扭矩即为最大扭矩b T ，根据实验中测得的最大扭矩
b T 即可计算出低碳钢的剪切强度极限b τ。

2. 铸铁扭转实验
铸铁材料试样扭转变形时，其扭矩T 和扭转角φ的 T –φ关系曲线如图 2-1-4 所示。

铸铁材料试样从扭转开始直到破坏的过程，发生在很小的变形范围内，破坏处在与试样轴线约成 45º角的螺旋面上，T –φ关系曲线近似为一条直线。

试样破坏时的扭矩为最大扭矩 b T ，根据实验中测得的最大扭矩 Tb ，即可计算出铸铁的剪切强度极限b τ。

3. 试样断口破坏分析
试样受扭时，试样任意点均处于纯剪切应力状态，如图 2-1-5 所示。

在与试样轴线成 ±45°角的螺旋面上，分别承受主应力s1 = t ；s3 =－t 的作用，由于低碳钢材料的抗扭强 度小于抗拉强度，所以试样由于扭转切应力作用，沿其横截面被剪断，断口平齐，如图2-1-6（a ）所示。

铸铁材料的抗拉强度小于抗扭强度，故沿其 45°方向被拉断，断口成一螺旋面，如图 2-1-6（b ）所示。

四、实验步骤
本实验通过 CTT500 微机控制扭转试验机完成低碳钢、铸铁扭转试样的加载过程，实验操作前，必须详细了解实验机的使用操作方法，并仔细阅读实验中所用仪器设备的注意事项。

1.测定低碳钢和铸铁扭转试样的直径d0
2.装夹试样
将扭转试样装夹在实验机夹具上，并调整预载荷，详细操作方法及步骤参照附录 A 中“微机控制扭转实验机”相关部分的介绍
3.控制软件参数设置
启动实验机控制软件，联机后选择实验方案，并输入实验参数，详细操作方法及步骤参照附录 A 中“微机控制扭转实验机”相关部分的介绍。

4.加载实验
启动实验机，完成实验加载测试过程，详细操作方法及步骤参照附录 A
中“微机控 制扭转实验机”相关部分的介绍。

5. 取下扭断的试样，观察断口破坏特征并分析 T –φ曲线。

6. 记录实验数据，分析实验结果。

7. 实验结束后，关闭试验机电源，清理实验现场。

五、 实验数据
通过本次实验应测定下述材料的力学性能指标：
低碳钢的剪切屈服极限s τ、剪切强度极限b τ、铸铁的剪切强度极限b τ，根据实验测定数据，可按下述方法计算以上各力学性能指标。

（1） 材料抗扭截面模量T ω
3
16
t d W π⋅=
d0：材料扭转试样直径
（2） 低碳钢剪切屈服极限 s τ 34s
s t T W τ=
（3） 低碳钢剪切强度极限 b τ
34b
b t T W τ= （4） 铸铁剪切强度极限 b τ
b
b b
T W τ=
低碳钢屈服扭矩：40.10s T N m =⋅
低碳钢最大扭矩：90.96b T N m =⋅
铸铁最大扭矩：29.38b T N m =⋅
1.实验数据
低碳钢：
3
33
730
(9.9510) 1.9341016
16
T d W m ππ--⋅⋅⨯=
=
=⨯
73
3345174.50944 1.93410s s t T N m
MPa W m τ-⨯⋅=
==⨯⨯
73
3390.96352.740MPa 44 1.93410b b t T N m
W m
τ-⨯⋅=
==⨯⨯ 铸铁：
3
33
730
(10.0210) 1.9751016
16
T d W m ππ--⋅⋅⨯=
=
=⨯
73
3329.38111.570MPa 44 1.97510b b t T N m
W m
τ-⨯⋅=
==⨯⨯
扭转试样简图
实验前实验后
六、讨论题
1.铸铁在压缩和扭转时，其断口都与试样轴线成45°左右，破坏原因是否
相同？
答：不一样，压缩时铸铁发生45度剪切破坏，由最大源切应力引起。

扭转时铸铁发生45度拉伸破坏，由最大拉应力引起。

2.根据拉伸、压缩、扭转三个实验测量结果，综合分析低碳钢与铸铁的力学
性能。

答：低碳钢为塑性材料开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段。

相反地，图形逐渐向上弯曲。

这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，因而承受的载荷也随之增大。

铸铁为脆性材料，其压缩图在开始时接近于直线，与纵轴之夹角很小，以后曲率逐渐增大，最后至破坏，因此只确定其强度极限。

二者主要体现在差异上：
塑性材料在断裂前变形较大，塑性指标较高，抵抗拉断的能力较好，其常用的强度指标是屈服极限，而且，一般来说，在拉伸和压缩时的屈服极限值相同，脆性材料在锻炼前的变形较小，塑性指标较低，其强度指标是强度极限，而且其拉伸强度远低于压缩强度。

但是材料是塑性的还是脆性的，将随材料所处的温度，应变率和应力状态等条件的变化而不同。