材料力学金属扭转实验报告

材料力学金属扭转实验报告
【实验目的】
1、验证扭转变形公式，测定低碳钢的切变模量G。；测定低碳钢和铸铁的剪
切强度极限b握典型塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的扭转性能；
2、绘制扭矩一扭角图；
3、观察和分析上述两种材料在扭转过程中的各种力学现象，并比较它们性
质的差异；
4、了解扭转材料试验机的构造和工作原理，掌握其使用方法。

【实验仪器】
仪器名称 数量 参数
游标卡尺 1 0-150mm，精度
CTT502微机控制电液伺服扭转试验机 1 最大扭矩500N·m，最大功
率

低碳钢、铸铁 各1 标准

【实验原理和方法】
1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标
试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶
矩的增加，当达到某一值时，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外

力偶矩的数值即为屈服力偶矩esM，低碳钢的扭转屈服应力为

p
es
s
4

3
W
M




式中：16/3pdW为试样在标距内的抗扭截面系数。
在测出屈服扭矩sT后，改用电动快速加载，直到试样被扭断为止。这时测矩
盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩ebM，低碳钢的抗扭强度
为
p
eb
b
43W

M



对上述两公式的来源说明如下：
低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的


eM

图如图1-3-2所示。当达到图中A点时，eM与成正比的关系开始破坏，

这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力s，如能测得此时相应的
外力偶矩epM，如图1-3-3a所示，则扭转屈服应力为

p
ep
s
W

M



经过A点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图1-3-3b所示。若材
料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未
超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图1-7c所示的情况，对应的扭

矩sT为

O

M
e

A
B
C

M
ep

M
es

M

eb

图1-3-2 低碳钢的扭转图
sT sT 
s

T

（a） pTT （b）spTTT （c）sTT
图1-3-3 低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布

sps3d/2 0 2sd/2 0 ss
3412

d2d2WdT


由于essMT，因此，由上式可以得到

p
es
s
43W

M


无论从测矩盘上指针前进的情况，还是从自动绘图装置所绘出的曲线来看，
A点的位置不易精确判定，而B点的位置则较为明显。因此，一般均根据由B
点

测定的esM来求扭转切应力s。当然这种计算方法也有缺陷，只有当实际的应力
分布与图1-7c完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料差异是比较大的。
从图1-6可以看出，当外力偶矩超过esM后，扭转角增加很快，而外力偶矩
e
M

增加很小，BC近似于一条直线。因此，可认为横截面上的切应力分布如图1-7c
所示，只是切应力值比s大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩ebM，可求得
抗扭强度为

p
eb
b
43W

M



2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标
对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩ebM（方法同2），抗扭强
度为

p
eb
b
W

M



由上述扭转破坏的试样可以看出：低碳钢试样的断口与轴线垂直，表明破坏
是由切应力引起的；而灰铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成45角，表
明破坏是由拉应力引起的。

【实验步骤】
一、低碳钢
1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测
量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d。在
低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。
2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十
分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。
3、装夹试件：
（1）先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另
一个定位环夹套在试件的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试件标距
要求，将试件搁放在相应的V形块上，使两卡盘与V形块的两端贴紧，
保证卡盘与试件垂直，以确保标距准确。将卡盘上的螺钉拧紧。
（2）先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显的偏差，请按
下“正转”或“反转”按键进行微调。将已安装卡盘的试件的一端放入
从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试件夹紧。按“扭矩清零”按键
或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。推动移动支座移动，使试件的
头部进入主动夹头的钳口间。先按下“试件保护”按键，然后慢速扳动
夹头的手柄，直至将试件夹紧。
（3）将扭角测量装置的转动臂的距离调好，转动转动臂，使测量辊压在卡
盘上。
4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为
零。按“运行”键，开始试验。
5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，
填写实验数据和计算结果。
6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的碎屑，关断电源。
二、铸铁
1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量
一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d。在低
碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。
2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十分
钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。
3、装夹试件：启动扭转试验机并预热后,将试件一端固定于机器,按"对正"按
钮使两夹头对正后,推动移动支座使试件头部进入钳口间.
4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。
按“运行”键，开始试验。
5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，
填写实验数据和计算结果。
6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的碎屑，关断电源。

【实验数据与数据处理】
一. 低碳钢扭转
1.低碳钢直径D测量
第一次测量 第二次测量 平均值
上部
中部
下部

2.低碳钢定位环间距L测量
第一次测量 第二次测量 平均值
L
注：第二次实验修正标距为100
3.线性阶段相关数据
当处于线性阶时,有
扭矩M(N·m) 扭角ψ(°) 相对扭角ψ0(°)

二. 铸铁扭转
1.铸铁直径d测量
第一次测量 第二次测量 平均值
上部
中部
下部
【实验结果分析】
一、低碳钢数据处理
1、验证线性阶段的数据是否为一条直线，以验证比例极限内的扭转角公式
根据Original Data,运用matlab拟合实验数据
则选取数据如下表
数据
LoadV
PosV
LoadV
PosV
用matlab绘制的图如下

满足线性关系
二、计算低碳钢模量G
所以，
三、计算低碳钢和铸铁的剪切强度极限b
1、低碳钢：
屈服极限：
强度极限：
2、铸铁
强度极限：
端口形状：

低碳钢 铸铁
【实验思考】

1、试件的尺寸和形状对测定弹性模量有无影响?为什么?
答：弹性模量是材料的固有性质，与试件的尺寸和形状无关。

2、逐级加载方法所求出的弹性模量与一次加载到最终值所求出的弹性模量是否
相同?为什么必须用逐级加载的方法测弹性模量?
答: 逐级加载方法所求出的弹性模量与一次加载到最终值所求出的弹性模量
不相同，采用逐级加载方法所求出的弹性模量可降低误差，同时可以验证材料此
时是否处于弹性状态，以保证实验结果的可靠性。

3、碳钢与铸铁试件扭转破坏情况有什么不同?分析其原因.
答：碳钢扭转形变大，有屈服阶段，断口为横断面，为剪切破坏。
铸铁扭转形变小，没有屈服阶段，断口为和轴线成约45°的螺旋形曲面，
为拉应力破坏。

4、铸铁扭转破坏断口的倾斜方向与外加扭转的方向有无直接关系?为什么?
答：有关系。扭转方向改变后，最大拉应力方向随之改变，而铸铁破坏是拉应
力破坏，所以铸铁断口和扭转方向有关。