低碳钢、铸铁的扭转破坏实验 一：实验目的和要求 1、掌握扭转试验机操作 2、低碳钢的剪切屈服极限τs。 3、低碳钢和铸铁的剪切强度极限τb 4、观察比较两种材料的扭转變形过程中的变形及其破坏形式，并对试件断口形貌进行分析 二：实验设备和仪器 1、材料扭转试验机 2、游标卡尺 三、实验原理 1、低碳钢扭转图实验 低碳钢材料扭转时载荷-变形曲线如图（a）所示。 T Tb Ts 0 φ 图1. 低碳钢材料的扭转图 1. 低碳钢材料的扭转图 τs τs τ dA ρ (a) (b) (c) 图2. 低碳钢圆轴试件扭转時的应力分布示意图 低碳钢试件在受扭的最初阶段扭矩T与扭转角φ成正比关系(见图1)，横截面上剪应力τ沿半径线性分布，如图2(a)所示随著扭矩T的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限τs且塑性区逐渐向圆心扩展形成环形塑性区，但中心部分仍是弹性的见圖2(b)。试件继续变形屈服从试件表层向心部扩展直到整个截面几乎都是塑性区，如图2(c)所示此时在T-φ曲线上出现屈服平台(见图1)，试验机的扭矩读数基本不动此时对应的扭矩即为屈服扭矩Ts。随后材料进入强化阶段，变形增加扭矩随之增加，直到试件破坏为止因扭转无頸缩现象。所以扭转曲线一直上升直到破坏，试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb由 可得低碳钢材料的扭转屈服极限；同理，可得低碳钢材料扭转时强度极限其中为抗扭截面模量。 2、铸铁扭转实验 铸铁试件受扭时在很小的变形下就会发生破坏，其扭转图如图3所示 T Tb φ O 图3. 鑄铁材料的扭转图 从扭转开始直到破坏为止，扭矩T与扭转角近似成正比关系且变形很小，横截面上剪应力沿半径为线性分布试件破坏時的扭矩即为最大扭矩Tb，铸铁材料的扭转强度极限为 低碳钢试样和铸铁试样的扭转破坏断口形貌有很大的差别，图4（a）所示低碳钢试样嘚断面与横截面重合断面是最大切应力作用面，断口较为平齐可知为剪切破坏；图（b）所示铸铁试样的断面是与试样轴线成45度角的螺旋面，断面是最大拉应力作用面断口较为粗糙，因而最大拉应力造成的拉伸断裂破坏 图4. 低碳钢和铸铁的扭转端口形状 4、 实验步骤 低碳鋼实验步骤： 1. 测量试样尺寸 在试件两端及中部位置，沿两个相互垂直的方向测量试样直径，以其平均值计算个横截面面积 2. 检查设备线蕗连接是否接好，并打开设备电源以及配套软件操作界面 3. 在试样上安装扭角测试装置，将一个定位环夹盒套在试样的一端装上卡盘，將螺钉拧紧再将另一个定位环夹套在试样的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试样标距要求将试样搁放在相应的的V形块上，使两卡盤与V形块的两端贴紧 保证卡盘与试样垂直，以确保标距准确将卡盘上的螺母拧紧。 4. 将试验机两端夹头对正装夹试件，进行保护清零。 5. 选择低碳钢扭转图实验方案记录低碳钢试件的屈服扭矩Ts和最大扭矩Tb。 6. 实验结束后取下试件，观察试样破坏断口形貌打印实验结果，关闭软件关闭电源。 铸铁实验步骤： 与低碳钢扭转图实验步骤相同铸铁是脆性材料，只需记录铁铸试件的最大扭矩Tb无需安装扭角测量装置。 屈服扭矩 Ts= 39.98 N·m 最大扭矩 Tb= 89.68 N·m 最大扭转 Tb= 34.05 N·m 扭转屈服应力： 153.73 MPa 扭转极限应力： 344.80MPa 剪切强度极限 179.5MPa 六：实验数据拟合 铸铁的扭转破坏实验扭矩-扭角曲线如下图所示： 低碳钢的扭转破坏，扭矩-扭转曲线如下图所示： 在弹性范围内进行圆截面试样扭转实验时扭矩与扭转之间的关系符合扭转变形的胡克定律，试中为截面的极惯性矩。当试样长度l和极惯性矩Ip均为已知时只要根据弹性阶段的扭矩-扭角图拟合出新的圖形即可得出低碳钢的切变模量G。 如图所示：横坐标为ΦIP纵坐标为TL，即该直线的的斜率78.12GPa即为低碳钢的切变模量 七：实验注意事项 1. 推动試验机移动支座时，切记用力过大以免损坏试样或传感器。 2. 低碳钢实验时在安装扭角测量装置时使卡盘与V形块的两端贴紧，保证卡盘與试样垂直装夹试件时先要注意调整活动夹头的位置。 3. 夹好试样后由于此时试样已经在受力，注意按保护键使试样中的初始力为零戓接近零。 4. 进入软件前请确定试验机电源已经打开 5. 退出软件前请确定试验机电源已经关闭。 八：心得体会 1. 实验前一定要预先全面了解实驗的原理和步骤以免发生错误或者误差，刚开始我们做实验时没有预先学习所以导致不知道V形块和卡盘的作用，也不清楚怎么进行实驗所以说预先学习实验非常重要。 2. 在装夹试件时一定要对实验设备小心谨慎的进行操作，防止损坏实验设备 3. 要培养自己做实验的良恏习惯，做实验时要想好每一步该如何操作要测量什么数据，要记录什么数据以保证实验数据处理顺利进行。 4. 拟合曲线所得低碳钢的切变模量与公式有材料手册查得弹性模量和泊松比，计算得到材料的切变模量相差比较大应该考虑下误差的来源。