實驗四 扭轉(zhuǎn)試驗機測量材料的扭轉(zhuǎn)力學性能實驗 一、實驗目的 1、了解試驗設(shè)備――扭轉(zhuǎn)試驗機的構(gòu)造和工作原理，掌握其操作規(guī)程及使用注意事項。 2、測定低碳鋼的剪切屈服極限 ? s 及低碳鋼和鑄鐵的剪切強度極限 ? b 3、觀察低碳鋼和鑄鐵兩種材料在扭轉(zhuǎn)過程中的變形規(guī)律和破壞特征。 二、實驗設(shè)備 1、扭轉(zhuǎn)試驗機 2、游標卡尺 3、直尺 三、試件 扭轉(zhuǎn)試驗所用試件與拉伸試件的標準相同，一般使用圓形試件， d o ? 10mm ，標距 lo ? 50mm 或 lo ? 100mm ，為了防止打滑，扭轉(zhuǎn)試樣的夾持段宜為類矩形（如圖A） 圖 A 四、實驗原理 扭轉(zhuǎn)試驗是材料力學試驗最基本、較為典型的試驗之一。進行扭轉(zhuǎn)試驗時，把試件兩夾持 端分別安裝于扭轉(zhuǎn)試驗機的固定夾頭和活動夾頭中， 開啟直流電動機， 經(jīng)過齒輪減速器帶動 活動夾頭轉(zhuǎn)動，試件便受到了扭轉(zhuǎn)荷載，試件本身也隨之產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。扭轉(zhuǎn)試驗機配套軟 件上可以直接讀出扭矩 T 和扭轉(zhuǎn)角 ? ，同時試驗機配套軟件也自動記錄并繪出了 T ? ? 曲 線。一般情況下， ? 是試驗機兩夾頭之間的相對扭轉(zhuǎn)角。 因材料本身的差異，低碳鋼扭轉(zhuǎn)曲線有兩種類型（圖B）。扭轉(zhuǎn)曲線表現(xiàn)為彈性、屈服 和強化三個階段，與低碳鋼的拉伸曲線不盡相同，它的屈服過程是由表面逐漸向圓心擴展， 形成環(huán)形塑性區(qū)。當橫截面的應(yīng)力全部屈服后，試件才會全面進入塑性。在屈服階段，扭矩 基本不動或呈下降趨勢的輕微波動， 而扭轉(zhuǎn)變形繼續(xù)增加。 當首次出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角增加而扭矩不 增加（或保持恒定）時的扭矩為屈服扭矩，記為 Ts 。對試件連續(xù)施加扭矩直至扭斷，從試 驗機配套軟件界面上讀得最大值 Tb 。 根據(jù)國標GB/T10128－1988規(guī)定，低碳鋼受扭轉(zhuǎn)時的屈服強度 ? s 和強度極限 ? b 采用式 ?s ? Ts Wp ?b ? Tb Wp 計算。 （式中： W p ? ?d 3 16 是實心試件的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)） 鑄鐵試件扭轉(zhuǎn)時，其扭轉(zhuǎn)曲線（圖C）伸曲線，它有比較明顯的非線性偏離，但由于變 形很小就突然斷裂，一般仍按彈性公式計算鑄鐵的抗扭強度極限，即： ? b ? Tb 。 Wp T Tb T Tb Ts 圖 B 低碳鋼扭轉(zhuǎn) T ? ? 曲線 圖 C 鑄鐵 T ? ? 曲線 圓形試件受扭時，橫截面上的應(yīng)力應(yīng)變分布如下圖D。在試件表面任一點，橫截面上有 最大切應(yīng)力?，在與軸線 的截面上存在拉應(yīng)力 ? 1 ? ? ，以及最大壓應(yīng)力 ? 3 ? ?? 。 低碳鋼的抗剪能力弱于抗拉能力，試件沿橫截面被剪斷。鑄鐵的抗拉能力弱于抗剪能力，試 件沿與 ? 1 正交的方向被拉斷。由此可見，不同材料，其變形曲線、破壞方式、破壞原因都 有很大差異。 a 圖D b 扭轉(zhuǎn)試件的應(yīng)力應(yīng)變分布 c 五、實驗步驟 1、試件準備 在試件的試驗段上，分別選取三個截面測量直徑 d o ，測量每個截面相互垂 直的兩個方向后取平均值。同時在低碳鋼試件表面上畫一條縱向線和兩條 圓周線，以便觀察扭轉(zhuǎn)變形。 2、實驗前準備 3、開始實驗 檢查試驗機各個部件是否連接完好，然后安裝試件。 開啟扭轉(zhuǎn)試驗機，觀察試件在扭轉(zhuǎn)荷載作用下各個階段的變形，并記錄好 實驗所需數(shù)據(jù)。 4、實驗完畢 使儀器設(shè)備恢復原狀，清理現(xiàn)場，檢查實驗記錄是否齊全，并請指導老師 檢查。 六、實驗結(jié)果處理 1 、 計算低碳鋼材料的屈服極限、強度極限和剪切彈性模量（切變模量） ， 2、計算鑄鐵材料的強度極限和剪切彈性模量（切變模量）， 3、畫出兩種材料的扭轉(zhuǎn)曲線及斷口草圖，說明其特征并分析破壞原因。