工程力学实验 低碳钢、铸铁扭转试验一、实验目的1．测定铸铁的扭转强度极限τm2．测定低碳钢材料的扭转屈服极限τeL及扭转条件强度极限τm 3．观察比较两种材料的扭转变形过程中的各种现象及其破坏形式，并对试件断口进行分析二、实验原理 扭转破坏试验是材料力学实验最基本最典型的实验之一将试件两端夹持在扭转试验机夹头中试验时，一个夹头固定不动，另一夹头绕轴转动，从而使试件产生扭转变形，同时，试件承受了扭矩Mn从试验机可读得相应的扭矩Mn和扭转角φ，试验机可自动绘出Mn-φ曲线图 对于低碳钢材料Mn-φ曲线有两种类型，如图3-1所示MeL Mn Mn Mm Mm MeL 0 φ 0 φ 图3-1 低碳钢M-φ曲线ττeLτm (a) (b) (c)图3-2 低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图低碳钢试件在受扭的最初阶段，扭矩Mn与扭转角φ成正比关系，横截面上剪应力沿半径线性分布如图3-2a所示。
随着扭矩Mn的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区见图3-2b 但中心部分仍是弹性的试件继续变形，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3-2C所示在M-φ曲线上出现屈服平台见图3-1试验机指针基本不动此时对应的扭矩即为屈服扭矩MeL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，扭转曲线一直上升而无下降情况，试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Mm扭转屈服极限τm按下式计算，即 （3-1）式中为试件抗扭截面模量铸铁受扭时，在很小的变形下发生破坏图3-3为铸铁材料的扭转图从扭转开始直到破坏为止，扭矩Mn与扭转角近似成正比关系，且变形很小试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Mm，可据下式计算出扭转强度极限τm，即 （3-2） 试件受扭，材料处于纯剪应力状态如图3-4所示在与杆轴成±45°角的螺旋面上，分别受到主应为σ1=τ，σ3=-τ的作用。
Mn Mm 0 φ 图3-3 铸铁扭转图 图3-4 纯剪应力状态 根据试件扭转破坏断口形式如图3-5所示低碳钢圆形试件的破坏断面与曲线垂直 见图3-5a ，显然是沿最大剪应力的作用面发生断裂，为剪应力作用而剪断故低碳钢材料的抗剪能力低于抗拉（压）能力；铸铁圆形试件破坏断面与轴线成45°螺旋面 见图3-5b ，破坏断口垂直于最大拉应σ1方向，断面呈晶粒状，这是正应力作用下形成脆性断口，故铸铁材料是当最大拉应力首先达到其抗拉强度极限时，在该截面发生拉断破坏 a )低碳钢：剪断 ( b )铸铁：拉断图3-5 扭转断口示意图三、实验设备扭转试验机；刻度机；游标卡尺四、试样制备根据国家标准（GB10128-88《金属室温扭转试验方法》规定，扭转试件可采用圆形截面，也可采用薄壁管，并且推荐，对于圆形截面试件，采用直径d0=10mm，标距L0=50mm或100mm，平行段长度L=L0+2d0本试验采用圆形截面试件五、实验结果整理1． 将试验数据以表格形式给出2． 低碳钢的屈服极限τeL及扭转条件强度极限τm按下式计算： （3-3） 铸铁的强度计算 （3-4）3． 绘制低碳钢、铸铁试件的扭转图及断口示意图，并分析破坏原因。