弯曲与扭转实验报告

《材料力学实验报告-弯曲扭转》

扭转实验

一、实验目的

1．学习扭转实验机的构造原理，并进行操作练习。

2．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。3．观察低碳钢和铸铁在扭转过程中的变形和破坏情况。

二、实验仪器

扭转实验机，游标卡尺。

三．实验原理

塑性材料和脆性材料在扭转时的力学性能。(参考材料力学课本及其它相关书籍)

四、实验步骤

1．低碳钢实验

（1）量取试件直径。在试件上选取3个位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均直径值中取最小值作为试件的直径。

（2）将扭转实验机刻度盘的从动针调至靠近主动针。主动针的调零方式为自动调整，如果主动针不在零位，应通知老师，由老师进行调整。绝对不能用调从动针的方法，将两针调至零位。

（3）把试件安装在扭转试验机的夹头内，并将螺丝拧紧（勿太用力）。安装时，一定要注意主动夹头的夹块要保持水平（固定夹头的夹块总是水平的），以避免引起初始扭矩。如果已经出现小量的初始扭矩，只要不超过5N*m，可以开始加载。另外，试件在水平面和垂直面上不能歪斜，否则加载后试件将发生扭曲。

（4）打开绘图记录器的开关；将调速旋钮置于低速位置。开始用档慢速加载，每增加 5N*m 的扭矩，记录下相应的扭转角度。实验过程中，注意观察试件的变形情况和图，当材料发生流动时，记录流动时的扭矩值和

相应的扭转角度。另外，注意记录扭矩刚开始下降时的扭矩值和相应的扭转角度。扭矩值估读到0.1N*m。

（5）流动以后，继续加载，试件进入强化阶段，关闭记录器后，将电机速度选择在

档，加快加载速度。这时由于变形速度较快，可每增加180

度取一次扭转角度。直至试件扭断为止，记下断裂时的扭矩值

，注意观察断

口的形状。注意，试件扭断后应立即停止加载，以便记录断裂时的扭转角度。 2．铸铁实验

操作步骤与低碳钢相同。因铸铁在变形很小时就破坏，所以只能用

档慢速加载。每增加5N*m 的扭矩，记录下相应的扭转角度。注意观

察铸铁试件在扭转过程中的变形及破坏情况，并记录试件扭断时的极限扭矩值

和相应的扭转角度。注意，试件扭断后应立即停止加载，以便记录断裂时的扭转角度。 五、实验记录 42.5m N ⋅ 98m N ⋅

67.5m N ⋅

注：低碳钢的剪切流动极限及强度极限的计算公式中应该乘一系数3/4。原因是这样：圆轴扭转在弹性变形范围内剪应力分布如参考图(a)所示，对于塑性材料，当扭矩增大到一定数值后，试件表面应力首先达到流动极限

，并逐渐向内

扩展，形成环形塑性区，如参考图(b)所示。若扭矩逐渐增大，塑性区也不断扩大。当扭矩达到

时，横截面上的剪应力大小近似为

，如参考图(c)所示,在

这种剪应力分布形式下，剪应力公式为。

试件继续变形，材料进一步强化，当试件扭断时，假设整个截面的剪应力都达到

，此时最大扭矩为

，因此剪切强度极限和流动极限一样，近似地写为

。

由于铸铁是脆性材料，应力在截面上从开始受力直至破坏都保持线性分布，当边缘上的剪应力达到时。此时最大扭矩为，故仍用弹性阶段的应力公式

计算强度极限。 六．预习思考题

1)分析试件在扭转状态下各点的主应力大小和方向。

答：扭转状态下，横街面上主应力大小从圆心向外线性增大，在半径处达到最大，方向垂直于半径和扭转力矩方向相同。

2) 低碳钢屈服极限和强度极限的计算公式中为什么会出现3/4？请分析并推导计算公式。

答：圆轴扭转在弹性变形范围内剪应力分布为线性分布，对于塑性材料，当扭矩增大到一定数值后，试件表面应力首先达到流动极限s τ，并逐渐向内扩展，形成环形塑性区，若扭矩逐渐增大，塑性区也不断扩大。当扭矩达到s M 时，横截面

上的剪应力大小近似为s τ，在这种剪应力分布形式下，剪应力公式为s 34s

p

M W =⨯τ 由于铸铁是脆性材料，应力在截面上从开始受力直至破坏都保持线性分布，当边缘的剪应力达到b τ时，最大扭矩为b M ，故仍用弹性阶段的应力公式计算强度极限。

3) 为什么扭转试件两端较粗,中间较细？中间和两端采用光滑曲线过渡，而不是直角连接

答：这样便于试件的安装，中间和两端采用光滑曲线过渡是为了防止应力集中而产生扭断。

4)如果扭转试件是屈服失效，请用最大剪应力理论分析一下试件可能的断口形状。 答：最大剪应力应是与试件端面平行，如果是屈服失效，则断口形状应是平面。

5)如果扭转试件是断裂失效，请用最大拉应力理论分析一下试件可能的断口形状。

答：根据最大拉应力理论，如果试件是断裂失效，则会出现α=45°时，拉应力最大，这时断口形状应是45°的斜面。

6)什么是塑性材料？什么是脆性材料？(如果在你做的其它实验中也有此题，回答一次即可)

答：伸长率δ＞5%的材料称为塑性材料，δ＜5%的材料称为脆性材料。

七．分析思考题

1) 扭转实验中你是怎样测量试件直径的？为什么采用这种方法？你有其它方法测量直径吗？你的依据是什么？

答：取三个不同的位置，每个位置相互垂直测两次，为了减少材料在加工过程中使试件不规则而引起的误差。

2) 扭转实验对试件的放置有什么要求？为什么？

答：主动夹保持平衡，是为了避免引起初始扭矩。

3) 夹紧试件后，如果读数盘的主动针偏离了零位，这是什么原因造成的？对实验结果有什么影响？应该怎样解决？

答：夹块没有保持水平位置，影响实验所测得数据。重新调整试件的位置。

4) 两种扭转试件的断口形状分别是什么样的？怎样解释这种结果？

答：低碳钢为平面，铸铁为螺旋曲面。

5) 通过实验你觉得低碳钢的塑性性能如何？你的依据是什么？铸铁呢？

答：通过实验我们知道低碳钢的可塑性比铸铁好，因为强度极限比较大；铸铁可塑性比较差，易断裂。

6) 在拉伸、压缩、扭转三个试验中，你已经做了那些实验？请通过这些实验，总结一下低碳钢的抗拉、抗压、抗扭强度的大小关系。同样地，请总结一下铸铁的抗拉、抗压、抗扭强度的大小关系。

7) 结合你已经做过的实验(拉伸、压缩、扭转)，请对比低碳钢和铸铁的抗拉、抗压、抗扭强度的大小关系。举例说明其使用范围。

8) 结合你已经做过的实验(拉伸、压缩、扭转)，请分析低碳钢的荷载-位移曲线有什么共同点？