金属材料的扭转实验

一、实验目的

（1）观察与分析低碳钢、灰铸铁在扭转过程中的各种力学现象。

（2）测定低碳钢的τs，τb和灰铸铁的τb。

二、实验仪器和设备

（1）电子扭转试验机。

（2）游标卡尺。

三、实验试件

试件的形状如图3．1所示。

图3．1

图3．1中：

L0——试件平行长度部分两条刻线间的距离，称为原始标距。

d0——平行长度部分的原始直径。

四、实验原理

圆轴承受扭转时，材料处于纯剪切应力状态，因此，常用扭转试验来研究不同材料在纯剪切作用下的扭转力学性能。

（一）低碳钢的扭转实验

低碳钢扭转时，其T唱φ曲线如图3．2所示。图3．2中，OA段为一倾斜直线，表示扭矩T与扭转角φ成正比。对应于OA段，试件横截面上的应力也按线性分布，如图3．3（a）所示。

当扭矩超过Tp后，试件外缘材料逐渐进入屈服阶段，而形成一环形塑性区，如图3．3（b）所示。

根据静力平衡条件，可求得τs与Ts的关系为

将式中dA用环状面积元素2πρdρ表示，则

故剪切屈服极限τs为：

式中

图3．2

图3．3

变形过了C点，试件由外向内开始强化，扭矩又开始上升。当外缘切应力达到剪切强度极限τb时（D点），试件由外向内破断，载荷下降。此时，试件横截面上的切应力大致如图3．3 （c）所示，此时可近似地认为整个横截面上的切应力都达到剪切强度极限τb，即

但是，为了试验结果相互之间的可比性，根据国家标准枟金属材料室温扭转试验方法枠（GB／T10128—2007）的规定，低碳钢扭转剪切屈服极限（屈服点）和剪切强度极限（抗扭强度）可计算为

（二）铸铁的扭转实验

铸铁扭转时，其T唱φ曲线近似一直线如图3．4（a）所示。这时，横截面上的切应力也近似按线性分布，如图3．4（b）所示。

图3．4

因此，其剪切强度极限τb可计算为

五、实验步骤

（一）低碳钢的扭转实验

（1）测量试件实验段中部直径。用游标卡尺分别在试件的中央和两端（共3处），测一对正交方向，取平均值作该处直径，然后取3处直径最小者，作为试件直径d。

（2）根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。

（3）将试件装入试验机夹头，用粉笔沿试件表面画一纵向线，以观察试件的变形情况。再按“扭矩清零”键和“扭转角清零”键。

（4）按“运行”键，开始试验。用≤30°／min的主动夹头转速对试件加载，观察计算机上显示的扭转曲线。当首次扭转角增加而扭矩不增加（保持恒定）时，扭矩为屈服扭矩Ts。测出Ts后，将主动夹头调高转速继续对试件加载，直至试件破断为止，即可测出最大扭矩Tb和最大扭转角度数。

（二）铸铁的扭转实验

（1）、（2）、（3）与低碳钢扭转实验相同。

（4）用不大于30°／min的转速对试件加载直至试件破断为止，即可测出最大扭矩Tb和最大扭转角度数。

六、实验结果处理

按前述的有关公式分别计算τs和τb。