扭转实验讲义

格式：doc
大小：367.50 KB
文档页数：6

§ 3 金属材料的扭转试验

工程中有很多承受扭转的构件，如各类电动机轴、传动轴、钻杆等。材料在扭转变形下的力学性能，如扭转屈服点、抗扭强度、切变模量等，是进行扭转强度和刚度计算的依据。作为材料力学试验中最基本、最典型的试验之一，本节将介绍切变模量G，扭转屈服点S、抗扭强度b的测定方法以及扭转破坏的规律和特征。

一、实验目的

1. 测定铝合金材料的切变模量G。

2. 测定低碳钢的屈服点s或上屈服点su、下屈服点sL和抗扭强度b。

3. 观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。

二、设备和仪器

1. RNJ-500微机控制电子扭转试验机。

2. 小扭角传感器。

3. 游标卡尺。

三、试样

采用直径10mm、标距50毫米的圆形试样，端部铣成相对两平面以便夹持,如图1-19所示。

四、测试原理和方法

1．切变模量G

材料的切变模量G是在扭转过程中，线弹性范围内切应力和切应变之比。切变模量G是计算构件扭转变形的基本参数，可采用逐级加载法或图解法测定。

（1）逐级加载法测G

先通过试验机采用手动形式施加初始扭矩T0，然后采用等增量加载，加载五次，第i次加载后扭矩为

5,2,1,00iTiTTi （a）

式中：0T为初扭矩，T为每级扭矩增量。

标距间相对扭转角由试验机提供的小角度扭角仪测量获得，记录每级载荷下的扭转角

5,2,1,0ii。各级加载过程中的切变模量为

01PiiiTLGI

取平均值 L0 d0

图1-19 扭转试样

0P0P1iiiTLGITLGnnnI （1-31）

或采用最小二乘法计算切变模量G。由弹性扭转公式0PTLGI，令

0PLaTGI (b)

式中：L0为试样的标距，PI为截面对圆心的极惯性矩。

由最小二乘原理知系数a为

2iiixyxa （c）

因实验给出的载荷是0TTi，测得的变形是0i，因此上式中ix表示0TTi，iy表示0i，代入上式并与式b联立得

200P00iiiTTLGITT (1-32a )

将a式代入，上式化为

20P0iiTLGIi (1-32b )

屈服点s、上屈服点su和下屈服点sL以及抗扭强度b测定

（1）屈服点s、上屈服点su和下屈服点sL（低碳钢）测定

拉伸时有明显屈服现象的金属材料（如低碳钢）在扭转时同样有屈服现象。通常T-曲线有两种类型，见图1-21。

扭矩保持恒定而扭转角仍持续增加（曲线出现平台）时的扭矩称为屈服扭矩，记作sT（图1-21a），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为屈服点，记作s。即 ssPTW （1-34）

在屈服阶段，扭矩首次下降前的最大扭矩称为上屈服扭矩，记作suT（图1-21b），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为上屈服点，记作su。即

susuPTW (1-34)

屈服阶段中的最小扭矩称为下屈服扭矩（不加说明时即指下屈服扭矩），记作sLT（图1-21b），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为下屈服点，记作sL。即

sLsLPTW (1-35)

（2）抗扭强度b（低碳钢）

试样在断裂前所承受的最大扭矩bT按弹性扭转公式计算得抗扭强度b。从自动记录的T曲线上读取试样断裂前的最大扭矩bT，（图1-22），按下式计算抗扭强度：

bbPTW (1-36)

在试验过程中，试样直径不变，由于低碳钢抗剪能力小于其抗拉能力，而横截面上切应力具有最大值，故断口为平断口(图1-22a)。

（3）抗扭强度p (铸铁)

（a）低碳钢试样断口形貌

(b) 铸铁试样断口形貌

图1-22 试样断口 (a)TTSOTbTTSUTSLO(b)Tb

图1-21 有明显屈服现象的T-曲线铸铁的扭转曲线T有明显的非线性偏离，如图1-24所示。变形很小就突然破裂，有爆裂声。由于在与杆轴线成45度角的面上，分别受到主应力1和3的作用，而铸铁的抗拉能力较抗剪能力弱，故沿与轴线成45度方向被拉断，断裂面呈螺旋面（见图1-22b）。

据断裂前的最大扭矩bT，按弹性扭转公式计算抗扭强度b

bbPTW （1-39）

五、实验步骤

1．测量试样尺寸

在试样的标距两端及其中间处两个相互垂直的方向上各测一次直径，将试样原始尺寸记入表1-10。

2．试验机准备

打开试验机测控箱电源，启动计算机及测试软件，操作软件使测控箱和计算机作数据通讯，根据试验要求，调节试验设置窗口（包括角度传感器、扭转速度的调节）以及扭矩窗口的零点调节，详细请参见附1-5扭转试验机。

加载速度按试验标准选择（屈服前应在6°～30°/min范围内，屈服后不大于360°），

3．安装试样，注意试样的夹紧和对中。由于试件平面在安装时与夹具平面不完全吻合，可能会使扭矩偏移零点，此时应通过机械调零的方法将扭矩重新归零，同时将角度显示窗口清零。

4. 测定材料的切变模量G，或测定规定非比例扭转应力p，应选择小角度传感器。安装

过程中应将扭角仪的试验标距调整为50mm，同时角度显示窗口清零。

5．测试

（1）测G

试验过程采用手动方式进行。先施加3N.m的初始扭矩，记下初始角度0；然后采用等

增量（如T=5N.m）分五级加载，记录每次对应的角度值（在对应显示窗口显示）。重复测试三次，获取三组测量数据，记录于表1-9中。

表1-9逐级加载法数据处理列表

i 扭矩/N﹒m 扭转角（度）

Ⅰ Ⅱ Ⅲ

0 3.0

1 7.0

2 11.0

3 15.0

4 19.0

5 23.0

(3) 测屈服点及抗扭强度 ToTb

图1-24铸铁扭转曲线点击运行按钮，按预先设定的测试程序对试件进行加载，直至试件断裂。保存实验数据。调出试验数据，输出试验报告。

在测屈服点及抗扭强度时，应注意观察试样变形及破坏情况。取下试样，观察并分析断口形貌和形成原因。

6．试验机回复原状，清理现场。

六、实验结果处理

1. 试样原始尺寸记录及处理参考表1-10进行。计算三处测量直径的平均值，取三处直径平均值中的最小值计算试样的抗扭截面系数PW，以三处直径平均值的均值计算试样的极惯性矩PI。

2. 采用最小二乘法计算切变模量G，试验数据记录与处理参考表1-11进行，按式 1-32计算切变模量G。或根据试验数据记录，按式1-31 计算切变模量G（算术平均值）。

注意：扭角仪测量的是标距间的扭转角，而测试软件是以度为单位在窗口中反应扭转角变化的，因此应将度换算成弧度。

表1-10 试样原始尺寸记录及处理列表

材料直径do/mm 抗扭截面模量Wp/mm3 极惯性矩PI/mm4 I II III

1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均

低碳钢

铸铁

3. 按式1-37和1-38分别计算低碳钢的剪切屈服极限s和剪切强度极限b。

4. 按式1-39计算铸铁的抗扭强度b。

表1-11 测定切变模量G试验数据记录与计算列表

PI= /mm4 0L= /mm T /N·m

i /iTNm i 2i 0i 0ii (度) （弧度）

5  / / / /

七、实验报告

1. 实验目的、实验原理、原始数据（包括原始测量数据和测试曲线）；

2. 在实验曲线中标示出屈服扭矩Ts及最大扭矩Tb （测屈服点及抗扭强度）；

3. 试件断口形貌描述和破坏断口形貌分析（测屈服点及抗扭强度）；

4. 实验数据处理及分析。

八、思考题

1．根据低碳钢和铸铁试样扭转破坏的情况分析破坏原因。

2．铸铁扭转破坏断裂面为何是45度螺旋面而不是45度平面？

扭转实验

试验二扭转实验

一、实验目的

1．观察试样在扭转力偶作用下试样受力和变形的行为。观察材料的破坏方式。

2．测定材料的剪切屈服极限及剪切强度极限。

3．熟悉扭转试验机的工作原理及使用方法。

二、仪器设备

扭转试验机：用以作扭转破坏实验。

游标卡尺：

三、实验原理

1．试件

采用圆形截面试件，如图所示，在试件表面画上一条纵线，以便观察试件的扭转变形。

2．扭转试验机的工作原理

扭转试验机如图。在机体上有一个基本固定的夹头，用两平面和夹紧螺栓固定扭转试样的一端。基座上有一个能水平移动的电动减速装置，其左端是一个可旋转的夹头，以夹持试样的另一端。当电动减速器转动时，带动活动夹头转动，而使试样的一端相对于另一端发生了转动，故试件受扭而产生变形。

扭转试验机

作用于试样的扭转力矩，通过与固定夹头相连的称重机构而平衡，同时又带动荷载指针转动而指示出所受扭转力矩的大小。它还带动绘图仪的画笔左右移动，这个移动的扭转力矩坐标在记录纸上与纸的长度方向相垂直。

活动夹头的转动量代表了试样一端相对于另一端的转动，即扭转角。扭转角的大小由活动夹头上的刻度线来指示。同时还通过转动传感器将转角信号输入到绘图仪中，带动绘图仪纸筒转动送出记录纸，在记录纸的长度方向构成转角坐标。

在实验过程中，随着试件扭转变形的增加，试样所受的扭转力矩也随之变化，绘图仪就画出扭转力矩—扭转角的实验曲线。纵线在扭转力矩示荷盘的右下方，有一个量程旋钮用以改变扭转力矩的测量量程。其测量范围有100N·m、200 N·m、500 N·m、1 000 N·m。当把旋钮转动到指定的量程时，示荷盘上的刻度标示值随之变化。以利于直接读取。在示荷盘左边的侧面上有一个转动轮，往上或往下转动可调整示荷盘指针的零点（一般情况下不要去转动它）。

扭转实验时的变形速度，可由改变电动机的转速来决定。由于本机采用可控硅直流电机，调速可在一个很大的范围内无级调整。调速由机器操纵面板的开关和旋钮来控制。控制面板如图，面板各开关，旋钮的功能如下所述。电源开关：按下“开”，接通整机电源；按“关”，断开整机电源：

低碳钢的扭转实验

实验三扭转实验

实验项目性质：验证性

所涉及课程：材料力学

计划学时：2学时

【实验目的】

1、测定低碳钢的屈服点（剪切屈服极限）τeL、抗扭强度（剪切强度极限）τm。

2、测定铸铁的抗扭强度τm。

3、观察、比较和分析上述两种典型材料在受到扭转载荷时的变形和破坏形式，并对试件断口进行分析。

【实验设备】

1. 微机控制电子万能试验机一台，型号WDD-LCJ-150；

2. 游标卡尺；

3. 记号笔；

4. 低碳钢（Q235）、铸铁（HT）试件；

【实验原理】

低碳钢试件在发生扭转变形时，其T－φ曲线如图3所示，类似低碳钢拉伸实验，可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和断裂阶段，相应地有三个强度特征值：剪切比例极限τe 、剪切屈服极限τeL和剪切强度极限τm 。对应这三个强度特征值的扭矩依次为Te、TeL、Tm。

图3 低碳钢扭转图

在比例极限内，T与φ成线性关系，材料完全处于弹性状态，试件横截面上的剪应力沿半径线性分布。如图4(a)所示，随着T的增大，开始进入屈服阶段，T

φ O Te TeL Tm 横截面边缘处的剪应力首先到达剪切屈服极限，而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环塑性区，如图4(b)所示，但中心部分仍然是弹性的，所以T仍可增加，T－φ的关系成为曲线。直到整个截面几乎都是塑性区，如图4(c)所示。

(a) (b) (c)

图4低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图

在T－φ出现屈服平台，示力度盘的指针基本不动或有轻微回摆，由此可读出屈服扭矩TeL，低碳钢扭转的剪切屈服极限值可由下式求出：

tsWT43eL

式中为试件的抗扭截面系数。

屈服阶段过后，进入强化阶段，材料的强化使扭矩又有缓慢的上升，但变形非常明显，试件的纵向画线变成螺旋线，直至扭矩到达极限扭矩值Tm进入断裂阶段，试件被剪断，由示力度盘的从动针可读出，则低碳钢扭转的剪切强度极限τm 可同下式求出：