扭转实验
简述扭转试验的实验原理
简述扭转试验的实验原理扭转试验是一种用于材料力学性质和性能评估的实验方法。
它可以用来研究材料的弹性、塑性变形及破坏行为，广泛应用于金属、塑料、橡胶等材料的研究和工程实践中。
扭转试验是通过在材料上施加转矩并测量应变和转角来进行的。
在扭转试验中，材料被固定在扭转试验机上，并施加一个围绕材料轴向旋转的扭矩。
通过测量应变和转角，可以得到材料在扭转载荷下的应力- 应变关系。
在扭转试验中，实验仪器通常包括电机、负荷传感器、转角传感器和数据采集系统等。
电机提供扭矩，负荷传感器用于测量加载到材料上的扭矩，转角传感器用于测量材料的转角，数据采集系统用于记录和存储实验数据。
在进行扭转试验前，需要准备样品。
样品可以是圆杆、圆管、圆环等形状，在试样上标记出标距（即样品的有效长度）和标线（用以测量转角）。
然后，将样品放置在扭转试验机上，并用夹具夹紧以确保样品可以旋转而不发生相对滑动。
在实验中，扭转试验机以一定的速度施加转矩，同时记录加载到样品上的扭矩和转角数据。
通过测量应力和应变，可以得到材料的应力- 应变曲线。
在弹性阶段，应力随着应变线性增加。
在达到材料的屈服强度后，应力和应变之间的关系开始非线性变化，材料经历塑性变形。
在继续加载的过程中，应力逐渐增加，直至材料发生失效或破坏。
通过分析扭转试验数据，可以得到材料的力学性质和性能参数。
其中一些重要的参数包括屈服强度、屈服点后的应力和应变、极限强度、塑性韧性、延性、弹性模量等。
这些参数可以用于评估材料的强度、韧性、可塑性、疲劳寿命等性能，并为材料的设计和使用提供依据。
扭转试验的实验原理基于材料的弹塑性行为。
扭转载荷施加在材料的截面上，导致应力和应变分布的变化。
在材料内部，剪应力沿截面从中心向边缘递增；而剪应变随着距中心的距离而增加。
通过测量这些参数，可以推导出材料的力学行为和力学性能。
总之，扭转试验是一种重要的材料力学实验方法，通过在材料上施加转矩并测量应变和转角来评估材料的力学性质和性能。
扭转实验报告实验目的
一、实验目的1. 理解扭转实验的基本原理和实验方法；2. 掌握扭转实验的操作步骤和数据处理方法；3. 分析不同材料的扭转性能，了解其力学特性；4. 比较不同实验条件下的扭转性能，探讨影响因素；5. 培养学生的实验操作能力和分析问题、解决问题的能力。
二、实验原理扭转实验是力学实验中的一种基本实验，用于研究材料在扭转应力作用下的力学性能。
扭转实验的原理是：当材料受到扭转力矩的作用时，材料内部的应力分布会发生变化，从而产生剪切应力。
通过测量材料的扭转角度、扭矩和扭转刚度等参数，可以分析材料的扭转性能。
扭转实验的基本原理如下：（1）扭转应力分布：在扭转应力作用下，材料内部的应力分布呈环状，即剪切应力τ沿半径r的变化规律为τ=τ0(1-3cosθ/r)，其中τ0为最大剪切应力，θ为扭转角度，r为半径。
（2）扭矩与扭转角度的关系：在扭转实验中，扭矩M与扭转角度θ之间存在如下关系：M=2πTθ，其中T为扭转刚度，表示材料抵抗扭转变形的能力。
（3）扭转刚度：扭转刚度T是衡量材料扭转性能的重要参数，其计算公式为T=GI/P，其中G为剪切模量，I为截面惯性矩，P为扭矩。
三、实验方法1. 实验材料：选择具有代表性的材料，如钢、铝、塑料等。
2. 实验设备：扭转试验机、电子秤、游标卡尺、量角器等。
3. 实验步骤：（1）准备实验材料：根据实验要求，截取一定长度的材料，确保材料尺寸满足实验要求。
（2）安装实验设备：将扭转试验机、电子秤、游标卡尺、量角器等设备安装调试到位。
（3）测量材料尺寸：使用游标卡尺测量材料的直径、长度等尺寸，并记录数据。
（4）施加扭矩：将材料固定在扭转试验机上，逐步施加扭矩，记录扭矩值。
（5）测量扭转角度：在施加扭矩的过程中，使用量角器测量材料的扭转角度，并记录数据。
（6）数据处理：根据实验数据，计算材料的扭转刚度、最大剪切应力等参数。
四、实验结果与分析1. 实验结果：通过实验，得到了不同材料的扭转刚度、最大剪切应力等参数。
实验2扭转试验
实验二 扭转实验一、实验目的1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力s τ和抗扭强度b τ。
2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度b τ。
3.绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。
二、实验设备和仪器1.扭转试验机。
2.计算机3.游标卡尺。
三、实验试样按照国家标准GB10128—88《金属室温扭转试验方法》，金属扭转试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样和管形截面试样两种。
其中最常用的是圆形截面试样，如图1-1a 所示。
通常，圆形截面试样的直径mm 10=d ，标距d l 5=或d l 10=，平行部分的长度为mm 20+l 。
若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。
试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。
由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。
对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB10128—88。
四、实验原理与方法1. 测定低碳钢扭转时的强度性能指标试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。
随着外力偶矩的增加，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩es M ，低碳钢的扭转屈服应力为式中：16/3p d W π=为试样在标距内的抗扭截面系数。
在测出屈服扭矩s T 后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。
测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩eb M ，低碳钢的抗扭强度为对上述两公式的来源说明如下：低碳钢试样在扭转变形过程中，利用机上的自动绘图装置绘出的ϕ-e M 图如图1-6所示。
当达到图中A 点时，e M 与ϕ成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力s τ，如能测得此时相应的外力偶矩ep M ，如图1-7a 所示，则扭转屈服应力为经过A 点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图1-7b 所示。
扭转试验
试验（二） 扭转试验及剪切弹性模量G 的测定一、实验前预习及准备要求认真熟悉教材中关于扭转相关的知识内容，阅读实验指导书中扭转实验的各个环节步骤，对思考题进行初步理解，力求带着问题进入实验。
接通电源；打开试验机开关，正常启动后进入试验机控制界面；打开电脑；运行试验程序，进入试验软件主界面。
二、概述常温、静载条件下，测试材料受扭转变形的力学指标，是一项重要的力学实验。
通过试验，可以测定材料的‘抗扭屈服强度’（屈服极限）、‘抗扭强度’（强度极限）及‘切变模量’等力学性能指标。
这些性能指标对承受扭转变形的材料进行力学分析计算、工程设计、选择材料和新材料开发都有重要的作用。
三、 实验目的通过实验测定‘抗扭屈服强度’（剪切屈服极限）τs 、‘抗扭强度’（剪切强度极限）τb,了解掌握这些指标的测取方法及过程。
通过‘数据分析’窗口提取相关数据计算出切变模量（剪切弹性模量）G 。
四、实验原理1、低碳钢扭转【抗扭屈服强度】（剪切屈服极限）： WTs s 43=τ （Mpa ） [ 式中： T s – 屈服阶段最小扭矩值（N · mm ）； W – 抗扭截面模量（mm 3）；316d W π= （mm 3）； d -- 试样横截面直径（mm ）。
]【抗扭强度】（剪切强度极限）： WT b b 43=τ （Mpa ） [ 式中： T b – 破坏前最大扭矩值（N · mm ）]在上述两式中都存在 3/4 的系数，来源见图一。
（a ）初态 （b ）中间态 （c ）填满态图 一 扭转等直圆轴进入屈服状态切应力变化图当扭转等直圆轴到达初态时，T —φ试验曲线上的扭矩T 并没有进入屈服阶段，但此时截面边缘上的切应力已经达到τs ，进入实际屈服阶段，有D ·τρ= 2ρ·τs 。
此时的扭矩：3320200)2(42D d D d dA T s D s D A πτρρτπρπρρτρτρρ====⎰⎰⎰初 中间变化过程是塑性变形环逐渐变大直到填满整个截面的过程。
6.扭转试验
二、压缩试验的特点
单向压缩时应力状态的柔度系数（ 单向压缩时应力状态的柔度系数（a=2）， ）， 故用于测定脆性材料如铸铁、 故用于测定脆性材料如铸铁、轴承合金等的力学 性能。 性能。 由于压缩时的应力状态较软，故在拉伸、 由于压缩时的应力状态较软，故在拉伸、扭 转和弯曲试验时不能显示的力学行为，在压缩时 转和弯曲试验时不能显示的力学行为， 有可能获得。 有可能获得。 压缩可以看做是反向拉伸。 压缩可以看做是反向拉伸。如：压缩时试件 不是伸长而是缩短，横截面不是缩小而是胀大。 不是伸长而是缩短，横截面不是缩小而是胀大。 此外，塑性材料压缩时只发生压缩变形而不断裂， 此外，塑性材料压缩时只发生压缩变形而不断裂， 压缩曲线一直上升。 压缩曲线一直上升。
脆性材料断口约与试件轴线成45度成螺旋状见图b如果材料的轴向切断抗力比横向的低扭转断裂时可能出现层状或木片状断口见图c可以根据断口特征判断产生断裂的原因以及材料的抗扭强度和抗拉压强度相对大小
金属扭转试验
一、扭转试验的特点； 扭转试验的特点； （1）扭转时应力状态的柔度系数较大，因而可用于测定 ）扭转时应力状态的柔度系数较大， 那些在拉伸时表现为脆性的材料。 那些在拉伸时表现为脆性的材料。 淬火低温回火工具钢的塑性。 如：淬火低温回火工具钢的塑性。 （2）圆柱试件在扭转试验时，整个长度上的塑性变形始 ）圆柱试件在扭转试验时， 终是均匀的。 终是均匀的。 试件截面及标距长度基本保持不变， 试件截面及标距长度基本保持不变，不会出现静拉伸 时试件上发生的颈缩现象。 时试件上发生的颈缩现象。
二、压缩曲线
曲线2 是脆性材料 曲线1是塑性材料
Байду номын сангаас
三、压缩试样 压缩试样
四、试验条件
1、 压缩速度，在弹性（或接近弹性）范围，采用控 制应力速率的方法，其速率控制在1~10N/m㎡范围 内。 2、板状试样装进约束装置前，两侧面与夹板间应均匀 涂一层润滑剂减少摩擦。 3、 板状试样铺薄膜或涂润滑剂之前，应用无腐蚀的 溶剂清洗。装夹后，应把两端面用细纱布擦干净。 4、 安装试样时，试样纵轴中心线应与压头轴线重合。 5、 试验在室温（10 -35℃）下进行。
扭转实验报告实验内容
扭转实验报告实验内容实验报告：扭转实验实验目的：本次实验旨在研究材料在扭转力下的行为规律，通过比较不同材料的扭转性能，探讨材料的抗扭转能力与材料的结构有关的可能性。
实验器材：1. 扭转试验机2. 计时器3. 扭转试验样品实验步骤：1. 将扭转试验机安装好，并校准。
2. 准备不同种类的材料样品，将其固定在扭转试验机上。
3. 设置实验参数，包括转速、扭力和试验时间等。
4. 启动扭转试验机，开始实验。
5. 在试验过程中记录样品的扭转角度、扭转力和时间等数据。
6. 实验结束后，处理数据，得到相应的扭转性能指标，并进行比较分析。
7. 编写实验报告，总结实验结果并提出可能的结论。
实验结果：通过本次实验，得到了不同材料的扭转性能指标，并进行了比较分析。
以下为实验结果总结：1. 不同材料的扭转角度与扭转力呈现出不同的变化趋势。
部分材料扭转角度随扭转力的增加呈线性增加，而其他材料则呈非线性增加。
这说明材料的结构和性质对于扭转行为有着显著的影响。
2. 不同材料的扭转强度也存在差异。
某些材料在扭转力较小的情况下就会出现断裂现象，而其他材料则能承受较大的扭转力而不发生断裂。
这表明材料的抗扭转能力与其结构和强度有关。
3. 扭转时间对于不同材料的影响也不同。
部分材料在扭转一段时间后，其扭转角度和扭转力呈现出明显的平稳态，而其他材料则在整个扭转过程中都出现了持续变化。
这可能与材料的可塑性和粘弹性有关。
结论：通过本次实验，我们得出了以下结论：1. 材料的结构和性质会影响其扭转行为。
不同材料的扭转角度和扭转力呈现出不同的变化趋势，说明材料的结构和性质对扭转行为有着显著的影响。
2. 不同材料的抗扭转能力存在差异。
部分材料能承受较大的扭转力而不发生断裂，而其他材料则在较小的扭转力下就会出现断裂。
这表明材料的强度和抗扭转能力有关。
3. 材料的可塑性和粘弹性会影响其扭转行为。
部分材料在扭转一段时间后呈现出明显的平稳态，而其他材料则在整个扭转过程中都出现了持续变化。
扭转实验报告
（实验项目：扭转）1. 验证扭转变形公式，测定低碳钢的切变模量G 。
；2. 测定低碳钢和铸铁的剪切强度极限b τ。
3.比较低碳钢和铸铁试样受扭时的变形规律及其破坏特性。
二、设备及试样：1. 扭转试验机,如不进行破坏性试验,验证变形公式合测定G 的实验也可在小型扭转试验机装置上完成； 2. 扭角仪； 3. 游标卡尺；4. 试样，扭装试样一般为圆截面。
三、实验原理和方法：1、测定切变模量G A 、机测法：0p T l G I φ=，其中bδφ=，δ为百分表读数，p I 为圆截面的极惯性矩； 选取初扭矩To 和比例极限内最大试验扭矩Tn,从To 到Tn 分成n 级加载，每级扭矩增量为T ∆，每一个扭矩Ti 都可测出相应的扭角φi ，与扭矩增量T ∆对应的扭角增量是1i i i φφφ-∆=-，则有0i p iT l G I φ∆=∆，i=1,2,3,…n,取Gi 的平均值作为材料的切变模量即：1i G G n=∑，i=1,2,3,…n ； B 、电测法：t r tT TG W W γε==，应变仪读数为r ε，t W 为抗扭截面系数； 选取初扭矩To 和比例极限内最大试验扭矩Tn,从To 到Tn 分成n 级加载，每级扭矩增量为T ∆，每一个扭矩Ti 都可测出相应的读数εi ，与扭矩增量T ∆对应的读数增量是1i i i εεε-∆=-，则有i t iTG W ε∆=∆，i=1,2,3,…n,取Gi 的平均值作为材料的切变模量即：1i G G n=∑，i=1,2,3,…n 2、测定低碳钢和铸铁的剪切强度极限b τ 对于低碳钢：34bb tT W τ=， 而对于铸铁，变形很小即突然断裂，b τ可按线弹性公式计算，即 bb tT W τ=四，实验数据记录计计算结果1、切变模量G 试验试样尺寸及有关参数316t d W π==1.96×10-7 m 3 432p d I π==9.81×10-10 m 4五、实验总结报告： 通过实验得到以下体会：1. 圆轴扭转的平面假设不但使理论推导变得简单，而且也符合试验结果，以低碳钢扭转试验为例，在低碳钢扭转变形而又不断裂的情况下，横向划线基本没有什么变化，而纵向划线成为螺旋线，且螺旋线逐渐接近，直至断裂，从实验的角度证明了平面假设；2.铸铁与低碳钢在断裂时的断裂面不同，低碳钢沿横截面断裂，而铸铁沿45o螺旋面断裂；3.对物理现象过程的分析具有重要意义，过程不同得出的结果甚至计算公式都不同，例如低碳钢和铸铁的断裂过程不相同，剪切强度极限τb的计算公式不尽相同。
工程力学教学实验圆轴扭转实验
圆轴扭转实验一、试验目的⒈观察低碳钢和铸铁的扭转破坏现象, 比较其试件断口形状并分析破坏原因。
⒉测定低碳钢的剪切屈服极限, 剪切强度极限和铸铁的剪切强度极限。
⒊分析比较塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）受扭转时的破坏特征。
二、实验设备和仪器⒈扭转实验机⒉游标卡尺三、实验原理圆轴扭转时, 横截面上各点均处于纯剪切状态, 因此常用扭转实验来测定不同材料在纯剪切作用下的机械性能。
利用实验机的自动绘图装置, 可记录T—曲线, 低碳钢的T—曲线如图3－9所示。
图 3-9扭矩在以内, 与T呈线形关系, 材料处于弹性状态, 直到试件横截面边缘处的剪应力达到剪切屈服极限, 这时对应的扭矩用表示横截面上的剪应力分布如图3-10（a）所示。
图3-10 低碳钢圆轴在不同扭矩下剪应力分布图在扭矩超过以后, 材料发生屈服形成环形塑性区, 横截面上的剪应力分布如图3-10（b）所示。
此后, 塑性区不断向圆心扩展, T—曲线稍微上升, 然后趋于平坦, 扭矩度盘上指针几乎不动或摆动所示的最小值即是扭矩, 这时塑性区占据了几乎全部截面, 横截面上剪应力分布如图3-10（c）所示。
剪切屈服极限近似等于（a）式中, , 是试件的抗扭截面系数试件继续变形, 进入强化阶段, 到达T- 趋线上的C点, 试件发生断裂。
扭矩度盘上的从动指针指出最大扭矩, 扭转剪切强度极限的计算式为(b)试件扭转时横截面上各点处于纯剪切状态如图3-11所示, 在于杆轴成±45°角的螺旋面上, 分别受到主应力为和的作用, 低碳钢的抗拉能力大于抗剪能力, 故以横截面剪断。
铸铁扭转时, 其T—曲线如图3-12所示。
从扭转开始到断裂, 近似为一直线, 故其剪切强度极限可近似地按弹性应力公式计算(c)图3-11 纯剪应力状态图3-12 铸铁T—曲线试件的断口面为与试件轴线成45°角的螺旋面。
这说明脆性材料的抗拉能力低于抗剪能力, 它的断裂是由于最大拉应力过大引起的。
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实验六
扭转实验
实验目的
1、测定低碳钢的剪切屈服极限τs、强度极限τb 2、测定铸铁的剪切强度极限τb。 3、观察低碳钢和铸铁在受扭过程中的变形现
象和破坏特征，比较它们的差异。
实验设备
试件 扭转试验的试件与拉伸试验的试件基本相同，圆形， 中间部分直径小、两端大，如下 图所示。根据国标GB10128—88的规定，其标距部分直 径d0=10mm±0.05，标距分别为50mm或100mm，平 行长度L0分别为70mm或120mm。为了观察试件在加载 过程的变形情况，在试件表面划有纵向直线。
实验原理
实验原理
圆轴扭转时，横截面上的剪应力沿半径成线性分布，故 剪切屈服首先从表面开始扩展到中心，如下图所示。从 图中可以看出，材料扭转时呈现三个阶段：弹性阶段、 屈服阶段和强化阶段。初始的直线段OA内，试件的扭转 角与扭矩成正比，试件横截面上剪应力和剪应变沿半径 方向的分布都是线形关系，轴心处的剪应力为零，边缘 处的剪应力最大。当扭矩达到一定数值时（A点），扭 转曲线便不在成直线。当试件横截面边缘处的剪应力达 到屈服应力时，其余部分仍然是弹性的。这时截面上的 应力不在是线形分布。当扭矩再增加，最外部的应力不 再增大，保持τs的数值，塑性区逐渐向圆心扩展，形成 环状塑性区，直至最终沿着半径，所有点的应力全部达 到τs值。此时扭矩保持恒定或来回摆动。
实验原理
根据国标 GB10128—88 规定，试件的屈服强度和断裂强度极限按下式计算：
s
Ms Wp Mb Wp
b
其中，W p
d 3
16
为抗扭截面模量。Ms 是屈服扭矩，Mb 是断裂扭矩。铸铁试件由于没有屈
服过程，可以认为是完全弹性体，因而可按下式计算铸铁的剪切强度极限：
实验原理
试验设备和仪表 扭转试验机 游标卡尺
实验原理
低碳钢试件在扭转过程中也会产生剪切屈服现象。 圆柱形试件在扭转时，试件表面为纯剪应力状态， 横截面上有最大剪应力τ，而±45°斜截面上有最 大拉、压应力（δ1= -δ3=τ），材料达到剪切屈服时， 力度 值几乎不动，此时的扭矩称屈服扭矩，用Ms 表示。继续加载，材料进入强化阶段，经过相当长 的过程后，才达到试件最大的承载能力，即Mb。 随后，试件发出剪断破坏。铸铁的扭转曲线不同与 低碳钢的扭转曲线，没有明显的直线阶段。下图是 两种典型材料扭转曲线。
由于各种材料有不同的抗拉或抗剪的性能，因而破坏情况亦将不同，试件受扭时，低碳 钢的抗拉能力大于抗剪能力， 故试件断口平直且垂直于试件的轴线， 它是由剪应力作用沿横 截面被剪断，而铸铁的抗拉能力较抗剪能力弱，扭转变形较小时即断裂，它的断面与试件轴 线成 45°角，呈螺旋状，这是拉应力作用下的破坏，脆性材料常见这种断口。以上所述如 下图所示。
实验原理
显然这两种典型材料在纯扭转时，由于材料的
韧脆程度不同，其扭转曲线、破坏方式和破坏 原因以及强度指标都有很大的差异。而同种材 料在不同受力形式下实验，由于应力状态不同， 其变形过程，断裂方式及破坏原因也会不同。 如铸铁扭转时，虽然也表现为脆性，而塑性变 形较拉伸时稍大，但远远不如压缩时明显。
实验数据
1、计算低碳钢材料的扭转屈服极限 s
Ms Wp Mb Wp Mb Wp
强度极限 b
计算铸铁材料的强度极限
b
实验表格
扭转实验原始数据记录表
材料 名称
1 低碳钢 铸 铁
试件直径（mm） 位置Ⅰ
2 平均 1
位置Ⅱ
2 平均 1
位置Ⅲ
2 平均
平均直径 （mm）
屈服扭矩
（Nm）
Байду номын сангаас
最大扭矩
实验步骤
1．试件准备 测量试件直径d。取三个截面（上、 中、下），每个截面相互垂直的方向上测两次，取 平均值。同时在低碳钢试件表面画上一条纵向线和 两条圆周线，以便观察扭转变形。 2、试验机准备 根据剪切强度τ估计最大扭矩 M。，选择合适的测力度盘。 3．加载实验。 4．实验完毕，仪器设备恢复原状，清理现场， 检查实验记录是否齐全，并请指导教师签字。