扭转试验

试验（二） 扭转试验及剪切弹性模量G的测定 一、实验前预习及准备要求 认真熟悉教材中关于扭转相关的知识内容，阅读实验指导书中扭转实验的各个环节步骤，对思考题进行初步理解，力求带着问题进入实验。 接通电源；打开试验机开关，正常启动后进入试验机控制界面；打开电脑；运行试验程序，进入试验软件主界面。

二、概述 常温、静载条件下，测试材料受扭转变形的力学指标，是一项重要的力学实验。通过试验，可以测定材料的‘抗扭屈服强度’（屈服极限）、‘抗扭强度’（强度极限）及‘切变模量’等力学性能指标。这些性能指标对承受扭转变形的材料进行力学分析计算、工程设计、选择材料和新材料开发都有重要的作用。

三、 实验目的 通过实验测定‘抗扭屈服强度’（剪切屈服极限）τs 、‘抗扭强度’（剪切强度极限）τb,了解掌握这些指标的测取方法及过程。 通过‘数据分析’窗口提取相关数据计算出切变模量（剪切弹性模量）G 。

四、实验原理 1、低碳钢扭转

【抗扭屈服强度】（剪切屈服极限）： WTss43 （Mpa） [ 式中： T s – 屈服阶段最小扭矩值（N · mm ）； W – 抗扭截面模量（mm3）； 316dW

（mm3）； d -- 试样横截面直径（mm）。]

【抗扭强度】（剪切强度极限）： WTbb43 （Mpa） [ 式中： Tb – 破坏前最大扭矩值（N · mm ）] 在上述两式中都存在 3/4 的系数，来源见图一。

（a）初态 （b）中间态 （c）填满态 图 一 扭转等直圆轴进入屈服状态切应力变化图 当扭转等直圆轴到达初态时，T—φ试验曲线上的扭矩T并没有进入屈服阶段，但此时截面边缘上的切应力已经达到τs ，进入实际屈服阶段，有D·τρ= 2ρ·τs。此时的扭矩：

3320200)2(42DdDddATsDsDA初

中间变化过程是塑性变形环逐渐变大直到填满整个截面的过程。达到填满态时的扭矩：

3220200)2(3DdddATsDsDsAs满

结果：初T=43满T 。 [满T对应T—φ试验曲线上的扭矩sT] 抗扭强度式中系数也可如此推理。

图 二 低碳钢扭转试样

对低碳钢等直圆轴扭转在比例变形范围内符合剪切胡克定律，截面Ⅱ相对截面Ⅰ转角： 180pGITL （ ° ） （见图二）

[ 式中：φ– 截面Ⅱ相对截面Ⅰ的转角（°）； T – 截面扭矩值（N · mm ）； L – 试样试验段长度（mm）； G --切变模量 （Mpa ；即N / mm 2）； Ip – 对截面中心的极惯性矩（mm4）； Ip =Wd2=432d （mm4） ]

【切变模量G】： 180pITLG （Mpa） ； 180)()(1212TTILGp （Mpa）

[（见图三）T 2、T 1 --- 扭转弹性变形阶段选定两点对应的扭矩值（N · mm ）。 φ2、φ1 -- 扭转弹性变形阶段选定两点对应的转角值（°）。]

2、铸铁扭转

【抗扭强度】（剪切强度极限）：WTbb （Mpa） [ 式中：Tb – 破坏前最大扭矩值（N · mm ）； W – 抗扭截面模量（mm3）: 316dW （mm3）； d -- 试样横截面直径（mm）。 ] 铸铁扭转不存在屈服阶段，所以式中系数是1 。

图 三 低碳钢、铸铁扭转（扭矩T—转角φ）试验曲线

五、实验设备 ND-1000微机控制扭转试验机（见图四）。

实验前准备工作：连接电缆线；打开空气开关；打开钥匙开关，试验机正常启动后进入试验机控制界面；打开电脑显示器；打开电脑主机开关；运行试验程序，进入试验软件主界面。

图 四 ND-1000微机控制扭转试验机

六、实验操作过程 （统一说明低碳钢、铸铁扭转试验过程）。 1、测定试样横截面直径d ，对低碳钢还需测定试样试验段长度L ，并记录。

2、 装卡试样：（见图四）在传感器箱卡盘上用卡盘钥匙转动，使卡盘轻微卡住试样的

一头，然后沿导轨推动，将试样的另一头伸进主轴箱卡盘中后转动卡盘钥匙轻微卡紧，再将两端卡盘略微拧松，用手晃动试样并逐渐将两端卡盘拧紧，以保证试样两头都能与卡盘可靠接触。对铸铁可使用加力杆拧紧，低碳钢则不用。 3、 用粉笔在试样上涂色，可直接观察试样的变形过程。铸铁试样约在转动30~50

范围内被扭断，断口呈螺旋面。而低碳钢一般在1000~2000范围内被扭断，并沿横截面扭断。

图 五 扭转软件入主界面

4、在扭转软件入主界面内（见图五），点击‘联机’，联通电脑与扭转试验机。

5、点击‘试样录入’出现对话框（见图六），在带有*的选项内填写相应的参数。然后‘保

存’、‘关闭’。

图 六 录入试样参数对话框 6、在主界面内点击‘参数设置’出现对话框第一页（见图七），开始扭矩值填写1 N·m

（试验机最大扭矩值的千分之四以下即可）。点击‘下一步’，进入第二页（见图八）， 在需要获取的指标前方框内打上‘√’。点击‘下一步’，进入第三页（见图九），填写铸铁断裂百分比只要小于100% 即可，而低碳钢填20~50% 即可。后面若干页的参

图七 参数设置第一页

图 八 参数设置第二页 图 十 低碳钢扭转弹性阶段的曲线

数不需变动，点击‘关闭’，返回主界面。 7、清零，①可在主界面内点击‘清零’键清零。②可在试验机控制面板上按动‘0’、‘1’、

‘2’三个键完成清零。 8、点击‘试验开始’进行试验。在低碳钢试验中的弹性阶段和屈服阶段，可保持60°/min

的转速，进入强化阶段后可在主界面右端‘到达速度’栏内填360°/min ，然后点击‘确定’，则试验机以每秒增加5°速率从60°/min逐渐增加到最大转速360°/min 。这样做可节省时间，对实验结果几乎没有影响。 9、 记录实验结果数据。低碳钢试验结束后，①在主界面内‘结果信息’栏内只能记录到

‘最大扭矩’和‘下屈服扭矩’，不全面。②进入‘数据管理’窗口，点击‘分析’，并在选项‘最大扭矩’及‘下屈服扭矩’前方框中打上‘√ ’，记录Tb 、Ts 。然后将试验曲线上的弹性阶段放大（见图十，通过点击右键，选择‘改编曲线坐标’项，选用适当纵横坐标量程 ），再选择‘跟踪采样点’项，让小黑点在斜线部分选择相应

两点，并记录：φ1（X1）= ？；φ2（X2）= ？；T1（Y1）= ？；T2（Y2）= ？，用于计算G 。

图 九 参数设置第三页 七、思考题 1、低碳钢和铸铁扭转试验在变形方式和破坏特征有何不同？试分析产生破坏的原因。

2、根据拉伸、压缩和扭转试验结果， 分析塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的

力学性能。 3、试对转角φ的公式进行量纲（单位）分析。

4、试说明主界面上显示的转角φ值，就是扭转试样截面Ⅱ相对于截面Ⅰ的转角？

5、对于本次实验，你的体会是什么？你有什么建议吗？

八、书写实验报告要求 6、要求每一位同学独立完成自己的实验报告，禁止抄袭 。

7、叙述清楚实验的目的、原理及做实验使用的设备、工具 。

8、记述清楚试验的具体步骤环节（主要是低碳钢扭转试验）。

9、将实验原始记录认真誊写清楚。

10、 对转角φ公式进行量纲（单位）分析 。

11、 对低碳钢扭转，根据公式计算τs 、τb ，再加上材料本身物理性质决定

的切变模量Ｇ 。 对铸铁，根据公式计算：τb 。要求将具体试验数据代入计算 。

九、实验数据记录 在原始记实验数据录单上需记录的主要数据项目（见图十一） 。 沈 阳 工 程 学 院 原始记实验数据录单 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 扭转试验：

低碳钢： τsWTs43 （Mpa） τbWTb43 （Mpa） d = （mm） ； L = （mm） ； Ts = （N.m）； Tb = （N.m）；

φ1 = （°）； φ2 = （°） ； T1 = （N.m）； T2 = （N.m）

L （T2 – T1） 180 G = ----- -------------- ------- （Mpa） Ip （φ2 –φ1） π

Ip = Wp d/2 T1 和 T2 代入数值计算时，选择（N.mm） 。

铸铁： τb WTb （Mpa） d = （mm）； Tb = （N.m）。

指导教师签名： 图 十一 需记录数据项目

班级姓名学号