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1、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 s。3、低碳钢和铸铁的剪切强度极限b。4、观察比较两种材料的扭转变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 图 1. 低碳钢材料的扭转图1. 低碳钢材料的扭转图(a) (b) (c) 图 2. 低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图ssdA 低碳钢试件在受扭的最初阶段，扭矩T与扭转角 成正比关系 ( 见图 1)，横截面上剪应力 沿半径线性分布，如
2、图2(a) 所示。随着扭矩 T的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限s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，见图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-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。因扭转无颈缩现象。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tsdsAssWddAT3422/0）（可得低碳钢材料的扭转屈服极限ts sWT43；同理，可
3、得低碳钢材料扭转时强度极限tb bWT43，其中316dWt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图 3. 铸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。试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb，铸铁材料的扭转强度极限为tb bWT。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）所示低碳钢试样的断面与横截面重合，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
4、，断口较为粗糙，因而最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。O图 4. 低碳钢和铸铁的扭转端口形状四、实验步骤低碳钢实验步骤：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.检查设备线路连接是否接好，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，将螺钉拧紧。 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，使两卡盘与 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
5、夹试件，进行保护，清零。5. 选择低碳钢扭转实验方案，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。五、实验记录及数据处理表 1. 试件尺寸试件直径 d（mm ）平均直径d0 (mm)最小横截面面积420 0dA（mm2）抗扭截面系数163 0dWt (mm3) 截面 1 截面 2 截面 3 低碳钢9.96 9.98 10.00 9.9878.19195.07 铸铁9.90 9.88 9.88
6、 9.89 76.73 189.65 表 2. 实验记录及数据计算试件低碳钢铸铁实验数据屈服扭矩Ts= 39.98 N m 最大扭矩Tb= 89.68 N m 最大扭转Tb= 34.05 Nm 扭转屈服应力：ts sWT43153.73 MPa 扭转极限应力：tb bWT43344.80MPa 剪切强度极限tb bWT179.5MPa 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PGITL/，试中，32/40dIP为截面的极惯性矩。当试样长度 l 和极
7、惯性矩 Ip 均为已知时，只要根据弹性阶段的扭矩 - 扭角图拟合出新的图形即可得出低碳钢的切变模量G 。如图所示：横坐标为 IP，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. 推动试验机移动支座时，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， 保证卡盘与试样垂直。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或接近零。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验的原理和步骤，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验，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好习惯， 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)1(2/EG，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。
