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1、实验五 圆轴扭转实验一、实验目的 1测定低碳钢的剪切屈服极限及剪切强度极限。 2测定铸铁的剪切强度极限。 3观察并比较低碳钢及铸铁试件扭转破坏的情况。二、实验设备和量具 1扭转试验机游标卡尺 2 游标卡尺 扭转试验机是一种可对试样施加扭矩并能指示出扭矩大小的机器。它的类型有好多种，构造也各有不同。下面介绍目前常用的NN100A型扭转试验机。此机是一种机械传动加载，摆式机构测扭矩的扭转试验机。它有三种量程：200、500、1000；相应的精度分别为0.4、1.0、2.0。它适用于直径为1020mm，长度为100600mm的试件。试验机的外形如图51所示，其测力机构的传动系统如图52所示。其操作步
2、骤如下： （1）检查试验机夹头1、2的形式是否与试件配合，离合器杆4是否放在正确位置上。 （2）根据试件所需的最大扭矩，转动调节轮10至相应位置，以选择适当的测力度盘5。 （3）安装试件先将试件一端装在固定夹头1中，向左移动活动车头12并转动加载夹头2，使试件的另一端插人夹头2中。 （4）旋动调零手轮使测力度盘上的指针对“零”。 （5）加载也有手动和电动之分。手动加载：将离合器杆调到中央位置上（即“空车”位置），用手转动手轮11加载。图5-1 NN100型扭力试验机外形图 电动加载：选用离合器杆可使加载夹头具有四种转速：7度分、21度分、60度分、180度分。电动加载时，先将离合器杆4调到所欲
3、用的转速位置上，按下开关按扭（“正向”、“反向”均可），开动电动机6通过变速箱5、齿轮箱3等传动系统，使加载夹头2顺时针（或逆时针）传动，试件便产生扭转变形，表盘上即显示出试样所受的扭矩。如所加扭矩超过了所用的测力量程，则扬起的摆杆上的一个弹簧片就会使限位开关动作，切断电源，自动停车。（6）注意事项一旦试样承受了扭矩，即测力指针已经走动之后，就不允许再改变量程。在实验时，不得触动活动车头。如发生异常现象，应立即停车。三、实验原理本试验使用圆形截面试件。将试件装在扭力试验机上，开动机器，给试件加扭矩。利用机器上的自动绘图装置，可以得到曲线，曲线也叫扭转图。低碳钢试件的曲线，如图42所示。 图5-
4、2 低碳钢试件扭转图图中起始直线段OA表明试件在这阶段中的与成比例， 截面上的剪应力呈线性分布，如图 53（a）。在 A点处， 与的比例关系开始破坏，此时截面周边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限，相应的扭矩记为。 由于这时截面内部的剪应力尚小于，故试件仍具有承载能力，曲线呈继续上升的趋势。扭矩超过后，截面上的剪应力分布发生变化，如图53（b）。在截面上出现了一个环状塑性区，并随着的增长，塑性区逐步向中心扩展，曲线稍微上升，直到B点趋于平坦，截面上各点材料完全达到屈服，扭矩度盘上的指针几乎不动或摆动，此时测力度盘上指示出的扭矩或指针摆动的最小值即为屈服扭矩。如图53（c），根据静力平衡条件，可
5、以求得与的关系为：将式中dA用环状面积元素表示，则有 故剪切屈服极限为 （51）式中,是试件的抗扭截面系数。 时的剪应力分布 时的剪应力分布 时的剪应力分布图5-3 截面上剪应力分布图 继续给试件加载，试件再继续变形，材料进一步强化。当达到曲线上的C点时，试件被剪断。由测力度盘上的被动计可读出最大扭矩，与公式（51）相似，可得剪切强度极限为 （52） 铸铁的曲线如图5一4所示。从开始受扭直到破坏，近似为一直线，按弹性应力公式，其剪切强度极限： （53） 图54 铸铁的扭转图 四、试验步骤 1用游标卡尺测量试件直径，求出抗扭截面系数。在试件的中央和两端共三处，每处测一对正交方向，取平均值作该处直
6、径，然后取三处直径最小者，作为试件直径d，并据此计算。 2根据求出的、估计试件材料的，求出大致需要的最大载荷，确定所需的机器量程。3将试件两端装入试验机的夹头内，调整好绘图装置，将指针对准零点，并将测角度盘调整到零。4用粉笔在试件表面上画一纵向线，以便观察试件的扭转变形情况。 5对于低碳钢试件，可以先用慢速电动缓慢而均匀地加载，当测力指针前进速度渐渐减慢以至停留不动或摆动，这时，它表明的值就是（注意：指针停止不动时间很短，因此要留心观察）。然后换成快速电动加载,直至试件破坏并立即停车。记下被动指针所指的最大扭矩，注意观察测角度盘的读数。 6铸铁试件的试验步骤与低碳钢相同，可直接用慢速电动加载，记录试件破坏时的最大扭矩值。五、思考题 1低碳钢与铸铁试样破坏等情况有何不同？为什么。2根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果，综合分析低碳钢与铸铁的机械性质。
