扭转实验完整

11231269土木1109刘凯恒扭转实验一．实验目的：1.学习了解微机控制扭转试验机的构造原理，并进行操作练习。2.确定低碳钢试样的剪切屈服极限τs、剪切强度极限τ3.确定铸铁试样的剪切强度极限τb4.观察不同材料的试样在扭转过程中的变形和破坏现象。二．实验设备及工具：扭转试验机、游标卡尺、扳手。三．试验原理：扭转试验是材料力学试验最基本、最典型的试验之一。进行扭转试验时，把试件两夹持端分别安装于扭转试验机的固定夹头和活动夹头中，开启直流电动机，经过齿轮减速器带动活动夹头转动，试件便受到了扭转荷载，试件本身也随之产生扭转变形。扭转试验机配套软件上可以直接读出扭矩T和扭转角q，同时试验机配套软件也自动绘出了Tq曲线图，一般q是试验机两夹头之间的相对扭转角。因材料本身的差异，低碳钢扭转曲线有两种类型（图B）。扭转曲线表现为弹性、屈服和强化三个阶段，与低碳钢的拉伸曲线不尽相同，它的屈服过程是由表面逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区。当横截面的应力全部屈服后，试件才会全面进入塑性。在屈服阶段，扭矩基本不动或呈下降趋势的轻微波动，而扭转变形继续增加。当首次扭转角增加而扭矩不增加（或保持恒定）时的扭矩为屈服扭矩，记为sT。对试件连续施加扭矩直至扭断，从试验机配套软件界面上读得最大值bT。根据国标GB/T10128－1988规定，低碳钢受扭转时的屈服强度st和强度极限bt采用式τs=TsWp铸铁试件扭转时，其扭转曲线（图C）伸曲线，它有比较明显的非线性偏离，但由于变形很小就突然断裂，一般仍按弹性公式计算铸铁的抗扭强度极限，即：图B低碳钢扭转Tq曲线图C铸铁Tq曲线圆形试件受扭时，横截面上的应力应变分布如下图。在试件表面任一点，横截面上有最大切应力，在与轴线成±45的截面上存在主应力σ1=τσ3=-τ。低碳钢的图D扭转试件的应力应变分布四．实验步骤1.a低碳钢实验（华龙试验机）（1）量直径：用游标卡尺量取试样的直径d0。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3（2）安装试样：启动扭转试验机，手动控制器上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，沿箭头方向旋转手柄，夹紧试样。（3）调整试验机并对试样施加载荷：在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、切应变1、切应变2、夹头间转角、时间的零点；根据你所安装试样的材料，在“实验方案读取”中选择“教学低碳钢试验”，并点击“加载”而确定；用键盘输入实验编号，回车确定（按Enter键）；鼠标点“开始测试”键，给试样施加扭矩；在加载过程中，注意观察屈服扭矩Ms（4）试样断裂后，从峰值中读取最大扭矩Mb。从夹头上（5）观察试样断裂后的形状。1.b低碳钢实验（青山试验机）（1）量直径：用游标卡尺量取试样的直径d0。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3（2）安装试样：启动扭转试验机，手动“试验机测控仪”上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，用扳手顺时针旋转，夹紧试样。（3）调整试验机并对试样施加载荷：在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、夹头间转角、切应变1、切应变2、试验时间的零点；选择“实验方案1”；用鼠标“新建”，在下拉菜单中，依次输入“试验编号”、“实验员”、“钢筋长度”、在“实验材料”中选择“塑性”、“材料形状”中选择“实心”和“钢筋直径”等信息后，点击“确定”；鼠标点“开始”键，就给试样施加扭矩了；在加载过程中，注意观察试样屈服时扭矩Ms（4）试样断裂后，取下试样，从峰值中读取最大扭矩Mb（5）观察试样断裂后的形状。2.a铸铁实验（华龙试验机）（1）量直径：用游标卡尺量取试样的直径d0。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3（2）安装试样：启动扭转试验机，手动控制器上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，沿箭头方向旋转手柄，夹紧试样。（3）调整试验机并对试样施加载荷：在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、切应变1、切应变2、夹头间转角、时间的零点；根据你所安装试样的材料，在“实验方案读取”中选择

“教学铸铁试验”，并点击“加载”而确定；用键盘输入实验编号，回车确定（按Enter键）；鼠标点“开始测试”键，给试样施加扭矩；当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“终止测试”键，使试验机停止转动。（4）试样断裂后，从夹头上取下试样，读取峰值表中最大扭矩Mb（5）观察试样断裂后的形状。2.b低碳钢实验（青山试验机）（1）量直径：用游标卡尺量取试样的直径d0。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3（2）安装试样：启动扭转试验机，手动“试验机测控仪”上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，用扳手顺时针旋转，夹紧试样。（3）调整试验机并对试样施加载荷：在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、夹头间转角、切应变1、切应变2、试验时间的零点；选择“实验方案1”；用鼠标“新建”，在下拉菜单中，依次输入“试验编号”、“实验员”、“钢筋长度”、在“实验材料”中选择“脆性”、“材料形状”中选择“实心”和“钢筋直径”等信息后点击“确定”；鼠标点“开始”键，就给试样施加扭矩了；当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“停止”键，使试验机停止转动。（4）试样断裂后，取下试样，从峰值中读取最大扭矩Mb（5）观察试样断裂后的形状。

五．实验记录试样低碳钢铸铁直径（第1次）dd直径（第2次）dd直径（第3次）dd屈服载荷M极限载荷MM破坏形状平面45°螺旋曲面注：低碳钢的剪切流动极限和强度极限的计算公式中应该乘一系数3/4。原因是这样：圆周扭转在弹性范围内剪应力分布如图a所示，对于塑性材料，当扭矩增大到一定数值后，试样表面应力先达到流动极限τs，并逐渐向内扩展，形成环形塑性区，如图b所示。若扭矩逐渐增大，塑性区也不断扩大。当扭矩达到Ms时，横截面上的剪应力都近似达到τb如图c在扭矩继续增加时，试样继续变形，材料进一步强化，当试样扭断时，整个横截面上的剪应力都达到τb，此时最大扭矩为Mb，因此剪切强度极限和流动极限一样，近似地由于铸铁是脆性材料，应力在横截面上从开始受力直至破坏都保持为线性分布，当试样边缘上的剪应力达到τb时，此时最大扭矩为M六．数据处理七．实验结论

八．预习思考题1.为什么扭转试样两端较粗，中间较细？中间和两端采用光滑曲线过度，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。2.在计算低碳钢屈服强度和极限强度的公式中为什么会出现3/4，而不是其他系数呢？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，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。当扭矩达到时，横截面上的剪应力大小近似为，在这种剪应力分布形式下，剪应力公式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，当边缘的剪应力达到时，最大扭矩为，故仍用弹性阶段的应力公式计算强度极限。3.如果扭转试样是屈服失效，请用最大剪应力理论分析一下，试样可能的断口形状。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。4.如果扭转试样是断裂失效，请用最大正应力理论分析一下，试样可能的断口形状。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。5.安装扭转试样为什么要“把试样水平地放在两夹头之间”？答：使主动夹保持平衡，避免引起初始扭矩。6.低碳钢试样在扭转时的变形要经历哪3个阶段？答：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段九．分析思考题1.扭转实验中你是怎样测量试样直径的？为什么采用这种方法？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。2.两种试样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。3.铸铁试样扭转破坏断口的倾斜方向与施加扭矩的方向有无直接关系？为什么？有直接关系。铸铁试样扭转破坏断口的倾斜方向与施加扭矩的方向相同,将轴向方向及垂直方向应力扭矩分解，其最大分应力方向为断口方向。4.通过你已经做过的拉伸、压缩、扭转实验，请总结一下低碳钢抗拉、抗压、抗剪强度的大小关系。同样地，请总结一下铸铁的抗拉、抗压、抗剪性能。答：由实验数据可以得出，对于低碳钢，其抗扭强度小于抗拉强度小于抗压强度;对于铸铁，其抗扭强度小于抗拉强度小于抗压强度。5.结合你已经做过的拉伸、压缩、扭转实验，请分析低碳钢的载荷-变形曲线有什么共同点。答：低碳钢在拉伸和压缩、扭转过程中都经历屈