材料在扭转时力学性能测定实验
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。
材料力学实验报告扭转实验
材料力学实验报告扭转实验一、实验目的1、测定低碳钢和铸铁在扭转时的力学性能，包括扭转屈服极限、扭转强度极限等。
2、观察低碳钢和铸铁在扭转过程中的变形现象，分析其破坏形式和原因。
3、熟悉扭转试验机的工作原理和操作方法。
二、实验设备1、扭转试验机2、游标卡尺三、实验原理在扭转实验中，材料受到扭矩的作用，产生扭转变形。
扭矩与扭转角之间的关系可以通过试验机测量得到。
对于圆形截面的试件，其扭转时的应力分布为：表面最大切应力：＄＼tau_{max} ＝＼frac{T}｛W_p}＄其中，＄T$为扭矩，＄W_p$为抗扭截面系数，对于实心圆截面，＄W_p ＝＼frac{＼pi d^3}｛16}＄，＄d$为试件的直径。
当材料达到屈服极限时，对应的扭矩为屈服扭矩$T_s$；当材料断裂时，对应的扭矩为极限扭矩$T_b$。
四、实验材料本次实验采用低碳钢和铸铁两种材料的圆柱形试件，其尺寸如下：低碳钢试件：直径$d_1 ＝ 10mm$，标距$L_1 ＝ 100mm$铸铁试件：直径$d_2 ＝ 10mm$，标距$L_2 ＝ 100mm$五、实验步骤1、测量试件的直径，在不同位置测量多次，取平均值。
2、安装试件，确保其中心线与试验机的轴线重合。
3、启动试验机，缓慢加载，观察扭矩和扭转角的变化。
4、当低碳钢试件出现屈服现象时，记录屈服扭矩$T_s$。
5、继续加载，直至试件断裂，记录极限扭矩$T_b$。
6、取下试件，观察其破坏形式。
六、实验结果及分析1、低碳钢试件屈服扭矩$T_s ＝ 45 N·m$极限扭矩$T_b ＝ 68 N·m$计算屈服应力：＄＼tau_s ＝＼frac{T_s}｛W_p} ＝＼frac{45×16}｛＼pi×10^3} ≈ 226 MPa$计算强度极限：＄＼tau_b ＝＼frac{T_b}｛W_p} ＝＼frac{68×16}｛＼pi×10^3} ≈ 358 MPa$低碳钢试件在扭转过程中，首先发生屈服，表现为沿横截面产生明显的塑性变形，形成屈服线。
4 实验四金属材料扭转实验
4 实验四金属材料扭转实验
一、实验目的
研究实验材料进行扭转变形后其力学性能。
二、实验原理
扭转变形是指在无限长假想杆材料横截面仅施加弯曲力的完全变形，其中应力均匀分
布于断面，杆材料的截面形状由圆形变成椭圆形。
三、实验环境
良好的室内环境，无电磁干扰，无固体颗粒，提供适当的实验操作场所，如实验室、
实验台等。
四、实验内容
1. 收集相关实验物料：金属标样、变形设备、实验软件等。
2. 安装变形设备，调试设备，使金属标样处于位置稳定性状态；
3. 按照实验计划，在变形设备上，施加一定大小的拉力，观察金属标样形变情况；
4. 在实验软件中，记录金属标样变形、错断、最终变形等信息；
5.根据实验数据对实验结果进行测试，分析实验结果，计算实验结果的重要力学参数；
6. 总结本次实验；
五、实验结果
在实验过程中，金属标样的形状出现变形，横截面形状由圆形变成椭圆形。
另外，通
过计算，可以得出实验材料的断裂应力为450MPa，变形能为385J，变形塑性指数为0.87。
材料力学扭转实验报告
材料力学扭转实验报告材料力学扭转实验报告引言材料力学是研究材料在外力作用下的变形和破坏规律的学科，扭转实验是其中的重要实验之一。
本报告旨在介绍材料力学扭转实验的原理、方法、实验装置以及实验结果的分析与讨论。
实验原理扭转实验是通过施加一个力矩来引起材料的扭转变形，从而研究材料的力学性能。
在扭转实验中，材料会发生剪切应变，而剪切应力与剪切应变之间的关系可以通过剪切模量来描述。
剪切模量是材料的一项重要力学参数，它反映了材料抵抗剪切变形的能力。
实验方法本次实验采用了经典的圆柱体扭转实验方法。
首先，选择一根具有一定长度的圆柱体样品，将其固定在扭转实验机上。
然后，通过扭转实验机施加一个力矩，使样品发生扭转变形。
同时，通过测量扭转角度和施加力矩的大小，可以得到材料的剪切模量。
实验装置本次实验所用的扭转实验装置包括扭转实验机、样品夹具、测量仪器等。
扭转实验机是用来施加力矩的设备，样品夹具用于固定样品，并保证其能够自由扭转。
测量仪器包括扭转角度测量仪和力矩测量仪，用于测量样品的扭转角度和施加的力矩。
实验结果分析与讨论通过实验测量得到的扭转角度和施加的力矩数据可以用来计算材料的剪切模量。
根据材料力学的理论知识，剪切模量可以通过以下公式计算：G = (L * T) / (J * θ)其中，G表示剪切模量，L表示样品的长度，T表示施加的力矩，J表示样品的截面转动惯量，θ表示样品的扭转角度。
通过对实验数据的处理和计算，可以得到材料的剪切模量。
进一步地，可以通过对不同材料进行扭转实验，比较其剪切模量的大小，从而分析不同材料的力学性能。
结论通过本次材料力学扭转实验，我们了解了扭转实验的原理和方法，并通过实验装置和测量仪器进行了实验。
通过对实验数据的分析和计算，我们得到了材料的剪切模量，并通过比较不同材料的剪切模量，进一步了解了材料的力学性能。
这对于我们深入了解材料的性质和应用具有重要意义。
总结材料力学扭转实验是研究材料力学性能的重要实验之一。
材料力学扭转实验报告
材料力学扭转实验报告1. 实验目的。
本实验旨在通过材料力学扭转实验，探究材料在受力情况下的扭转性能，了解材料的力学特性和扭转变形规律，为工程应用提供理论依据。
2. 实验原理。
材料在受到扭转力矩作用下，会产生扭转变形。
根据弹性力学理论，扭转角度与扭转力矩成正比，而与材料长度和材料性质有关。
材料的扭转刚度可用扭转角度与扭转力矩的比值来表示，即扭转角度和扭转力矩的比值为材料的剪切模量G。
3. 实验装置。
本实验采用材料力学扭转实验机进行测试，实验机由电机、扭转传感器、数据采集系统等部分组成。
在实验中，通过控制电机输出的扭转力矩和测量相应的扭转角度，可以得到材料的扭转刚度和剪切模量等参数。
4. 实验步骤。
（1）将待测试的材料样品装入扭转实验机夹具中，保证样品的两端固定。
（2）设置实验机的扭转力矩和扭转角度采集参数。
（3）启动实验机，施加不同的扭转力矩，记录相应的扭转角度。
（4）根据实验数据计算材料的扭转刚度和剪切模量。
5. 实验结果与分析。
通过实验数据处理和分析，得到了材料在不同扭转力矩下的扭转角度数据。
根据实验结果，可以绘制出材料的扭转曲线，进一步分析材料的扭转特性和力学性能。
6. 结论。
通过本次材料力学扭转实验，得到了材料的扭转刚度和剪切模量等重要参数，为了解材料的力学性能提供了重要参考。
同时，实验结果也为工程应用提供了理论基础，具有一定的实用价值。
7. 实验心得。
本次实验通过操作实验装置、处理实验数据等环节，对材料力学扭转实验有了更加深入的认识，增强了对材料力学知识的理解和应用能力。
综上所述，本次材料力学扭转实验取得了一定的成果，为深入研究材料的力学性能和工程应用提供了重要参考，具有一定的理论和实用价值。
实验三 扭转实验指导书
扭转实验指导书（试验三）实验三扭转实验在实际工程机械中，有很多传动是在扭转情况下工作。
设计扭转轴所用的许用剪应力，是根据材料在扭转破坏试验时，所测出的扭转剪切屈服极限τS或剪切强度极限τb 而求得的。
在扭转试验时，即使韧性极好的金属也能在扭转时发生断裂，由于扭转断裂后外形无明显变化，从而可以精确地计算应力和应变情况。
一、试验目的1、测定低碳钢材料的扭转时剪切屈服极限τs，剪切强度极限τb。
2、测定铸铁材料的扭转时剪切强度极限τb。
3、观察两种材料扭转时现象，断后断口情况，进行比较。
二、试验设备1、NJ—50B型扭转试验机2、游标卡尺三、扭转试样根据国家标准，扭转试样一般采用圆形截面试样，与拉伸试样相似。
不同的是两端加持部分被磨出两平行平面，以便装夹。
本次试验也用低碳钢与铸铁材料两种材料作为塑性材料和脆性材料的代表。
图3—1 扭转试样四、扭转试验机扭转试验机用于实施扭转试验以测定材料的抗扭力学性能。
本次扭转试验采用NJ-50B型扭转试验机。
见图3-2。
图2—3 NJ-50B型扭转试验机1、构造原理由加力装置和测力装置组成。
加力装置由机座及装于其导轨上的溜板和加力机构组成，溜板可沿导轨（即试样轴线方向）自由移动以保证试样只受扭矩而不受轴向力的作用，加力机构由直流电机经两级蜗杆传动减速后，驱动加力夹头转动从而对试样施加扭矩，加力夹头上安装有360°分度环以显示试样产生的扭角。
测力装置为游砣重力平衡式，来自加力夹头的扭矩T通过试样传给测力夹头，加头受力后经过传感器反映到测力表盘的指针上。
当需要变换测力量程时，转动量程选择旋钮。
2、扭转试验机操作规程1）试验前检查设备情况，加油润滑。
2）估算所测材料断裂时的最大扭矩，选择量程。
3）根据试样大小决定夹块的大小。
4）装夹试样：将试样一端夹入被动夹头，另一端夹入主动夹头。
5）主动针定在零点，将被动指针转至与主动指针重合。
6）选定主动夹头的转速，根据需要选好旋转方向。
扭转实验的实验报告
扭转实验的实验报告篇一：低碳钢和铸铁的扭转实验报告一、试验目的扭转试验报告1、测定低碳钢的剪切屈服极限τs。
和剪切强度极限近似值τb。
2、测定铸铁的剪切强度极限τb。
3、观察并分析两种材料在扭转时的变形和破坏现象。
二、设备和仪器1、材料扭转试验机2、游标卡尺三、试验原理1、低碳钢试样对试样缓慢加载，试验机的绘图装置自动绘制出T-φ曲线（见图1）。
最初材料处于图1 低碳钢是扭转试验弹性状态，截面上应力线性分布，T-φ图直线上升。
到A点，试样横截面边缘处剪应力达到剪切屈服极限τs。
以后，由屈服产生的塑性区不断向中心扩展，T-φ图呈曲线上升。
至B点，曲线趋于平坦，这时载荷度盘指针停止不动或摆动。
这不动或摆动的最小值就是屈服扭矩Ts。
再以后材料强化，T-φ图上升，至C点试样断裂。
在试验全过程中，试样直径不变。
断口是横截面（见图2a），这是由于低碳钢抗剪能力小于抗拉能力，而横截面上剪应力最大之故。
图2 低碳钢和铸铁的扭转端口形状据屈服扭矩?s?3Ts （2-1）4Wp按式2-1可计算出剪切屈服极限τs。
据最大扭矩Tb可得：?b?3Tb（2-2）4Wp按式2-2可计算出剪切强度极限近似值τb。
说明：（1）公式（2-1）是假定横截面上剪应力均达到τs后推导出来的。
公式（2-2）形式上与公式（2-1）虽然完全相同，但它是将由塑性理论推导出的Nadai公式略去了一项后得到的，而略去的这一项不一定是高阶小量，所以是近似的。
（2）国标GB10128-88规定τs和τb均按弹性扭转公式计算，这样得到的结果可以用来比较不同材料的扭转性能，但与实际应力不符。
II、铸铁试样铸铁的曲线如图3所示。
呈曲线形状，变形很小就突然破裂，有爆裂声。
断裂面粗糙，是与轴线约成45°角的螺旋面（见图1-3-2b）。
这是由于铸铁抗拉能力小于抗剪能力，而这面上拉应力最大之故。
据断裂前的最大扭矩Tb按弹性扭转公式1-3-3可计算抗扭强度τb。
金属扭转试验实验报告
一、实验目的1. 通过金属扭转试验，了解金属在扭转过程中的力学性能变化。
2. 测定金属材料的剪切屈服极限、剪切强度极限和切变模量。
3. 比较不同金属材料的扭转性能，分析其差异。
二、实验原理金属扭转试验是研究金属材料扭转性能的重要方法。
在扭转过程中，试样受到一对大小相等、方向相反的力矩作用，使试样产生扭转变形。
根据胡克定律和剪切应力与切变应力的关系，可以推导出金属材料的扭转力学性能指标。
三、实验设备与材料1. 实验设备：扭转试验机、游标卡尺、扭矩传感器、计算机等。
2. 实验材料：低碳钢、灰铸铁、铝等金属材料。
四、实验步骤1. 准备工作：检查实验设备是否完好，准备实验材料。
2. 试样制备：按照国家标准GB10128-2007《金属室温扭转试验方法》，制备圆形截面试样。
3. 试样测量：使用游标卡尺测量试样直径，计算试样抗扭截面系数。
4. 实验操作：a. 将试样安装在扭转试验机上，调整扭矩传感器，连接计算机。
b. 输入实验参数，如试样直径、材料类型等。
c. 启动实验，缓慢加载扭矩，观察试样变形情况。
d. 记录扭矩、扭转角等数据。
5. 实验结束：试样扭断后，取下试样，测量断口尺寸，计算剪切强度极限。
五、实验数据与处理1. 实验数据：记录扭矩、扭转角、试样直径、抗扭截面系数等数据。
2. 数据处理：a. 绘制扭矩-扭转角曲线，分析金属材料的扭转性能。
b. 计算剪切屈服极限、剪切强度极限和切变模量。
c. 比较不同金属材料的扭转性能，分析其差异。
六、实验结果与分析1. 实验结果：a. 低碳钢的剪切屈服极限为XXX MPa，剪切强度极限为XXX MPa，切变模量为XXX GPa。
b. 灰铸铁的剪切屈服极限为XXX MPa，剪切强度极限为XXX MPa，切变模量为XXX GPa。
c. 铝的剪切屈服极限为XXX MPa，剪切强度极限为XXX MPa，切变模量为XXX GPa。
2. 分析：a. 低碳钢的扭转性能较好，剪切屈服极限和剪切强度极限较高，切变模量较大。
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材料在扭转时力学性能测定实验
在机械工程中，许多传动零件都是在扭转受力条件下工作的。
测定材料在扭转时的力学性能，对轴类零件的设计计算和选材具有实际意义。
一、预习要求
1、推导测量低碳钢剪切屈服极限计算公式：；
2、简述测量低碳钢剪切弹性模量G的原理和步骤。
二、实验目的
1、测定低碳钢的剪切弹性模量G，验证扭转变形公式。
2、测定低碳钢的剪切屈服极限、低碳钢和铸铁的剪切强度极限。
3、比较低碳钢和铸铁扭转变形和破坏规律。
三、实验设备及试样
1、扭转试验机。
2、扭转测G仪或扭角仪。
3、游标卡尺。
4、试样。
扭转试样一般为圆截面（图1）。
安装扭角仪的A、B两截面的距离l0称为标距。
实验前在低碳钢试样表面画上两条纵向线和两圈圆周线，以便观察扭转变形。
四、实验原理及方法
无论是验证扭转变形公式还是测定剪切弹性模量G，都需要准确测量试样的扭转角。
扭转角的测量通常用扭角仪。
扭角仪的构造原理及安装示意图如图2所示。
扭角仪安装在试样A、B两截面上后，用定位螺钉旋紧，同时通过A处联结的推杆顶住B处联结的百分表顶尖，使百分表有一定的预位移。
当试样扭转变形时，若百分表指示的顶尖处位移为δ，则根据图2b可得，A、B两截面间扭转角为 。
在剪切比例极限范围内，圆轴扭转变形公式为 。
式中T为扭矩，它等于
扭转试验机加于试样上的扭转外力偶矩；IP为圆截面的极惯性矩。
可见扭矩T与扭转角
φ成正比。
实验时，测定不同的扭转角φ和对应的扭矩T，即可验证两者是否存在线性关系。
1、剪切弹性模量G的测定
用低碳钢试样进行试验时，取初扭矩T0，在比例极限内的最大试验扭矩为Tn，从
T0到Tn分成n级加载，每级扭矩增量为ΔT，如图3所示。
与ΔT相对应的扭转角增量为Δφ。
则由上述扭转角计算公式可变为求解G的公式
若取n次加载获得的Δφ的平均值Δφm
取代前式中的Δφ，即可得试验测得的平均剪切弹性模量G。
为了提高测量精度，可以反复测量三遍取平均值。
实验时也可用专用于教学的NY-4扭转测G仪测定材料的剪切弹性模量G，其实验原理和过程与上述方法基本相同，加载方式为砝码加载，操作更简便。
2、低碳钢剪切屈服极限和剪切强度极限的测定
测定G值后，应先取下扭角仪，然后继续加载，以测定剪切屈服极限和剪切强度极限。
在加载的全过程中，可用机器的记录装置绘制T-φ曲线。
在剪切比例极限范
围内，T与φ成线性关系，横截面上剪应力沿半径线性分布（图4a）。
随着T的增大，横截面边缘上的切应力首先达到剪切屈服极限，进入屈服阶段，而且塑性区逐渐向圆
心扩展，形成环形塑性区（图4b），但中心部分仍然是弹性的，所以T仍可增大，T与φ的关系变为曲线，直到整个截面几乎都是塑性区（图4c），在T-φ曲线上出现屈服平台（图3），示力度盘的指针基本不动或轻微摆动，相应的扭矩为Ts。
此时整个截面为塑性区。
理论上Ts与关系为
或
由于在测量时，只有横截面上全部点进入塑性区时，我们才能观察到屈服现象（在T-φ曲线上出现屈服平台，示力度盘的指针基本不动或轻微摆动），因此测量时以此刻作为采集数据的依据，读出Ts。
过了屈服阶段后，材料的强化使扭矩又有缓慢的上升，但变形非常明显，试样上实验前画的纵向线变为螺旋线。
直到扭矩达到极限值Tb，试样被扭断，断口沿横截面方向。
与Tb对应的剪切强度极限由下式计算
但是，为了使测定的指标具有可比性，根据国标GB10128-88规定，扭转时仍采用下面两式来计算屈服极限和强度极限。
这样计算出的结果比实际值要大一些。
和
3、铸铁剪切强度极限的测定
铸铁试样受扭时，变形很小即被扭断。
断口沿与横截面成450的受拉螺旋面方向。
其T-φ曲线图接近直线，剪切强度极限可按如下公式计算
表1 测量剪切弹性模量G数据记录表
第一级第二级第三级第四级第五级第六级载荷（Nm）扭角仪读数读数增量
材料名称直径d0（mm）抗扭截面模量Wt（mm3）屈服载荷PsL (Nm)破坏载荷Pb (Nm)位置一位置二位置三1 2均12均12均低碳钢铸铁-
五、实验报告
1、按表1和表2形式记录、处理实验数据。
2、实验结果计算应列出公式，写出步骤。
3、回答问题：试比较低碳钢和铸铁试样受扭时破坏现象并分析原因。
六、相关问题的分析讨论
1、破坏现象及断口截面位置
低碳钢和铸铁试样在断裂时的断口形式完全不同。
低碳钢试样的断口为横截面方向的平面断口（图5a），而铸铁试样的断口为约450方向的螺旋面（图5b）。
为什么会出现这样的现象呢？两种材料的性质有什么不同呢？
根据材料力学理论,扭转时圆试样上各点处于纯剪切应力状态,如图6所示。
若从试样表面任一点取单元体，其横截面方向具有最大切应力，而在±450方向存在最大正应力，其中最大拉应力恰好作用在铸铁扭转断裂破坏的斜截面上（图6b）。
可见，低碳钢试样的断口为横截面方向，可推断破坏是最大切应力引起，这也说明低碳钢（塑性材料）的抗剪能力低于抗拉能力；铸铁试样的断口为450方向的螺旋面方向，可推断破坏是最大拉应力引起的，说明铸铁（脆性材料）的抗拉能力低于抗压和抗剪能力。
由此我们也得出结论，材料在受力时，破坏现象与破坏原因密切相关，通过实验观察破坏现象可以为我们分析破坏原因，进而提出解释破坏原因的强度理论提供依据。
2、塑性变形对扭转应力及分布的影响
当低碳钢在弹性范围内发生扭转变形时，切应力和切应变的关系服从剪切虎克定律，保持线性关系。
此时扭矩T与扭转角有如下关系
若圆轴的标距长（或扭角仪A、B两截面距离）为l0，半径为R，则表面上任一点的切应变为
可见，变形在弹性范围内时，表面上的切应变与扭矩成线性关系。
横截面上各点切应变和切应力一样，也保持线性分布特点（图7a）。
当低碳钢表层进入塑性区后，假设材料是理想弹塑性的（即应力应变关系如图8），进入塑性区的部分切应力均等于τs，且设塑性区与弹性区交界面半径为r（参见图4b），根据内力T与应力τ的关系，有
其中，，。
此时，横截面上的切应变分布仍然是线性的，但切应力分布不再是线性的。
真实的分布情况如图7b所示。
当扭矩逐渐增大到截面几乎全部变为塑性区时，上式中r=0，即
可见，上式就是我们前面提到的剪切屈服极限的计算公式。