4.实验四 金属材料扭转实验
金属材料扭转实验
矩的增大趋于均匀，如图 4.3（c）所示，假设应力为τ s （屈服极限），则这 时截面上应力τ s 与相应扭矩的Ts 的关系为
τs
=
3TS 4WP
图 4.2
T
(a)
(b)
(c)
Tb Ts
图 4.3 扭转试件在不同扭矩下横截面应力图
图 4.4
同理可计算塑性材料在扭转时的剪切强度极限
τb
=
3Tb 4W p
对于铸铁等脆性材料在扭转至破坏时，因其变形较小无屈服现象，故可 近似地用弹性应力公式进行计算，若破坏时的扭矩为Tb ，则得到剪切强度极 限为
τb
=
Tb Wp
-3-
三、仪器与设备
1、扭转试验机 2、游标卡尺
四、实验方法与步骤
1、量好试件尺寸（直径 d ）后，将试件安装于机器夹头中，可在试件上 画上一条纵向粉笔线，以观察它的变形。
2 最大显示扭矩（Nm）
3 扭矩最小读数值（Nm）
4 扭矩精确测量范围（Nm）
5 扭转角最大讯数值（°）
6 扭转角最小读数值（°）
7 扭矩示值相对误差
8 扭矩示值重复性相对误差
9 零点相对误差
10 试样直径（㎜）
表 4.3
规格、参数及指标 NJS-01 150 0.06 20—100 99999.9 0.1
-1-
实验四 金属材料扭转实验
一、实验目的
扭转实验是了解材料抗剪能力的一项基本实验，本实验着重了解塑性材 料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）受扭转时的机械性能，测定τ s 、τ b 绘制 T − φ 图，并比较两种材料的破坏情况及原因。
扭转实验过程中，试件的断面形状几乎一直不变，无颈缩现象，变形较 均匀，可以较准确地测定试件变形及瞬时破坏应力。
材料力学金属扭转实验报告[5篇范例]
![材料力学金属扭转实验报告[5篇范例]](https://img.taocdn.com/s3/m/c85686fa0408763231126edb6f1aff00bfd57047.png)
材料力学金属扭转实验报告[5篇范例]第一篇：材料力学金属扭转实验报告材料力学金属扭转实验报告【实验目的】1、验证扭转变形公式，测定低碳钢的切变模量G。
；测定低碳钢和铸铁的剪切强度极限bτ握典型塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的扭转性能；2、绘制扭矩一扭角图；3、观察和分析上述两种材料在扭转过程中的各种力学现象，并比较它们性质的差异；4、了解扭转材料试验机的构造和工作原理，掌握其使用方法。
【实验仪器】仪器名称数量参数游标卡尺1 0-150mm，精度CTT502 微机控制电液伺服扭转试验机 1 最大扭矩500N·m，最大功率低碳钢、铸铁各 1 标准【实验原理和方法】1..测定低碳钢扭转时的强度性能指标试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。
随着外力偶矩的增加，当达到某一值时，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩esM，低碳钢的扭转屈服应力为 pess43WM=τ式中：/3pd W π=为试样在标距内的抗扭截面系数。
在测出屈服扭矩sT 后，改用电动快速加载，直到试样被扭断为止。
这时测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩ebM，低碳钢的抗扭强度为 pebb43WM=τ对上述两公式的来源说明如下：低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的ϕ-eM 图如图1-3-2 所示。
当达到图中 A 点时，eM 与ϕ成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力sτ，如能测得此时相应的外力偶矩epM，如图1-3-3a 所示，则扭转屈服应力为 pepsWM=τ经过A 点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图1-3-3b 所示。
若材料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图 1-7c 所示的情况，对应的扭矩sT 为 OϕM eABCM epM esM eb 图 1-3-2低碳钢的扭转图τ sTτ sTτ sT（a）pT T =（b）s pT T T <<（c）sT T =图 1-3-3低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布s p s3d/22sd/2s s3412d 2 d 2 ττπρρπτρπρρτ WdT ====⎰⎰由于es sM T =，因此，由上式可以得到 pess43WM=τ无论从测矩盘上指针前进的情况，还是从自动绘图装置所绘出的曲线来看，A 点的位置不易精确判定，而B 点的位置则较为明显。
实验_ 金属材料的扭转实验
令a 则a
或者：
l0 a IP
TL0 G IP
xi yi , 2 xi
代入到G
i
i 0
8
2 i
2、测G（图解法） 通过试验机配备的扭矩传感器以及小角度扭角仪，可 自动记录扭矩－扭转角（T- ）曲线，如图1-20所示。 在所记录的曲线的弹性直线段上，选取扭矩增量和相 应的扭转角增量。按下式计算材料的切变弹性模量G
2
二、设备和仪器 1. RNJ-500微机控制电子扭转试验机。
1.单片机测控箱 2.固定夹具 3.活动夹具 4.减速箱 5.导轨工作平台 6.手动调整轮 7.伺服电机 8.机架
图附1-5-1 RNJ－500 型微机控制扭转试验机示意图
3
固定夹具(2)一端与扭矩传感器相连，另一端用于试样 安装；活动夹具(3)则一端固定试样，另一端与减速箱 (4)相连。 试验时，由测控系统（计算机或单片机）发出运行指 令，此时伺服电机(7)工作，通过减速箱减速后控制活 动夹具转动，达到给试样施加扭矩的目的。 另外出于试验机调零和操作灵活的考虑，该试验机提 供了手动调节的控制方式。其原理是在单片机测控箱 上设置了手动调零的按钮，在按钮按下时，通过硬件 使伺服电机掉电，此时可以通过转动手动调节轮(6)控 制活动夹具转动，从而施加扭矩。
18
5.3 测规定非比例扭转应力 T （图解法,铝合金） A TP 1. 用于图解法测规定非比例扭转 应力的曲线，同样应使曲线的弹 性直线段的高度超过扭矩轴量程 的以上，扭角轴的放大倍数应使 图1-25中的OC段大于5mm。 C 0 2n P L 0 / d 0 2. 点击测试软样运行窗口，正式 测试，直至试件变形开始急剧增 加时，停止实验，取下试样。保 图1- 25图解法求规定 非比例扭转应力 存实验数据。打印试验曲线。
4 实验四金属材料扭转实验
4 实验四金属材料扭转实验
一、实验目的
研究实验材料进行扭转变形后其力学性能。
二、实验原理
扭转变形是指在无限长假想杆材料横截面仅施加弯曲力的完全变形，其中应力均匀分
布于断面，杆材料的截面形状由圆形变成椭圆形。
三、实验环境
良好的室内环境，无电磁干扰，无固体颗粒，提供适当的实验操作场所，如实验室、
实验台等。
四、实验内容
1. 收集相关实验物料：金属标样、变形设备、实验软件等。
2. 安装变形设备，调试设备，使金属标样处于位置稳定性状态；
3. 按照实验计划，在变形设备上，施加一定大小的拉力，观察金属标样形变情况；
4. 在实验软件中，记录金属标样变形、错断、最终变形等信息；
5.根据实验数据对实验结果进行测试，分析实验结果，计算实验结果的重要力学参数；
6. 总结本次实验；
五、实验结果
在实验过程中，金属标样的形状出现变形，横截面形状由圆形变成椭圆形。
另外，通
过计算，可以得出实验材料的断裂应力为450MPa，变形能为385J，变形塑性指数为0.87。
金属材料的扭转实验报告
金属材料的扭转实验报告1.实验目的（1）测定低碳钢扭转时的强度性能指标:剪切屈服极限和剪切强度极限（2）测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：剪切强度极限。
（3）绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。
（4）了解电子式扭转实验机的构造，原理和操作方法。
2.实验设备和仪器（1）扭转实验机（2）游标卡尺3.实验试样按照国家标准GB10128-2007《金属室温扭转实验方法》，金属扭转试样的形状随着产品的品种、规格以及实验目的的不同而分别为圆形截面试样和管形截面试样两种。
其中最常用的是圆形截面试样。
4.实验步骤（1）测量试样的直径。
（2）将试样安装到扭转实验机上，运行应用软件，预制实验条件、参数。
（3）开始“实验”按钮，匀速缓慢加载，跟踪观察试样的屈服现象和实时曲线，待屈服过程之后，提高实验机的加载速度，直至试样被扭断为止。
（4）取下拉断的试样，进行实验数据和曲线及实验报告处理。
（5）测定灰铸铁扭转时的强度性能指标步骤与低碳钢扭转基本一致，但只需要测量扭断值。
5.实验原理与方法（1）扭转力学性能试验式样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。
随着外力偶矩的增加，力矩与扭转角呈线性关系，直至力矩的示数值出现一个维持的平台，这是所指示的外力偶矩的数值即为屈服扭矩Te。
按弹性扭转公式计算的剪切屈服应力为τe=Te/Wp，式中：Wp=πd3/16为式样在标距内的抗扭截面系数。
在测出屈服扭矩Te 后，可加快实验机加载速度，直到式样被扭断为止。
实验机记录下最大扭矩Tm ，剪切强度极限为τm=Tm/Wp 。
如上所述，名义剪切应力τe ，τm 等，是按弹性公式计算的，他是假设式样横截面上的剪切应力为线性分布，外表最大，形心为零，这在现行弹性阶段是对的。
（2） 测定灰铸铁扭转时的强度性能指标对于灰铸铁式样，只需测出其承受的最大外力偶矩Mem ，抗扭强度为Τm=Mem/Wp ，低碳钢式样的断口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰铸铁式样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成45°角，表明破坏是由拉应力引起的。
实验4_金属材料扭转实验
P P
Dj Dd
b
实验四 金属材料扭转实验
2．测定低碳钢屈服切应力ts、抗切强度tb
T Mb
T= T< b T= TTs
tb ts
Ms
j
O
ts tb
屈服切 应力：
ts Ms Wp
Mb 抗切 ts Wp 强度：
实验四 金属材料扭转实验
低碳钢扭转试验现象：
实验四 金属材料扭转实验
实验背景：
工程中，有很多构件都在扭转条 件下工作。(如传递转动的发动机的主 轴、内燃机的曲轴) 圆轴扭转时，材料处于纯剪切应 力状态，是拉伸以外的又一重要应力 状态。
常用扭转试验研究材料在纯剪切时 的力学性能。
实验四 金属材料扭转实验
一、实验目的 1．学会测定低碳钢切变模量G； 2．学会测定低碳钢屈服切应力ts、抗切强度tb； 3．学会测定铸铁抗切强度tb； 4．学会分析低碳钢和铸铁两种材料破坏情况。
屈服：
tmax引起
断裂：
实验四 金属材料扭转实验
3．测定铸铁抗切强度tb
T
Tb
j
O
抗切 t Tb 强度： b Wp
铸铁扭转试验现象： 断裂：
拉应力引起
二、实验仪器 1．CTT502型微机控制电子扭转试验机； 2．刻度机。
实验四 金属材料扭转实验
三、试样
1．测低碳钢G采用自制试样：
d l
2．测低碳钢ts、tb、铸铁tb采用标准试样：
d0
实验四 金属材料扭转实验
四、实验原理： 1．低碳钢剪切弹性模量G：
Mn l
j
O
Dd
b
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
金属扭转试验实验报告
一、实验目的1. 通过金属扭转试验，了解金属在扭转过程中的力学性能变化。
2. 测定金属材料的剪切屈服极限、剪切强度极限和切变模量。
3. 比较不同金属材料的扭转性能，分析其差异。
二、实验原理金属扭转试验是研究金属材料扭转性能的重要方法。
在扭转过程中，试样受到一对大小相等、方向相反的力矩作用，使试样产生扭转变形。
根据胡克定律和剪切应力与切变应力的关系，可以推导出金属材料的扭转力学性能指标。
三、实验设备与材料1. 实验设备：扭转试验机、游标卡尺、扭矩传感器、计算机等。
2. 实验材料：低碳钢、灰铸铁、铝等金属材料。
四、实验步骤1. 准备工作：检查实验设备是否完好，准备实验材料。
2. 试样制备：按照国家标准GB10128-2007《金属室温扭转试验方法》，制备圆形截面试样。
3. 试样测量：使用游标卡尺测量试样直径，计算试样抗扭截面系数。
4. 实验操作：a. 将试样安装在扭转试验机上，调整扭矩传感器，连接计算机。
b. 输入实验参数，如试样直径、材料类型等。
c. 启动实验，缓慢加载扭矩，观察试样变形情况。
d. 记录扭矩、扭转角等数据。
5. 实验结束：试样扭断后，取下试样，测量断口尺寸，计算剪切强度极限。
五、实验数据与处理1. 实验数据：记录扭矩、扭转角、试样直径、抗扭截面系数等数据。
2. 数据处理：a. 绘制扭矩-扭转角曲线，分析金属材料的扭转性能。
b. 计算剪切屈服极限、剪切强度极限和切变模量。
c. 比较不同金属材料的扭转性能，分析其差异。
六、实验结果与分析1. 实验结果：a. 低碳钢的剪切屈服极限为XXX MPa，剪切强度极限为XXX MPa，切变模量为XXX GPa。
b. 灰铸铁的剪切屈服极限为XXX MPa，剪切强度极限为XXX MPa，切变模量为XXX GPa。
c. 铝的剪切屈服极限为XXX MPa，剪切强度极限为XXX MPa，切变模量为XXX GPa。
2. 分析：a. 低碳钢的扭转性能较好，剪切屈服极限和剪切强度极限较高，切变模量较大。
金属材料扭转实验-实验指导
金属材料扭转实验扭转问题是工程中经常遇到的一类问题。
金属材料的室温扭转实验通过对试样（低碳钢和铸铁）施加扭矩，测量扭矩及其相应的扭角（一般扭至断裂），来测定一些材料的扭转力学性能指标。
国家标准GB/T 10128-2007《金属材料室温扭转试验方法》是本试验的依据。
一、实验目的1了解GB/T 10128-2007《金属材料室温扭转试验方法》所规定的定义和符号、试样、实验要求、性能测定方法。
2了解扭转试验机的基本构造和工作原理，掌握其使用方法。
3测定金属材料扭转时的上下屈服强度、抗扭强度和相应的扭角。
4比较不同材料在扭转时的机械性能及其破坏情况。
二、实验设备扭转试验机（介绍参看附录），游标卡尺。
扭转试样采用圆柱形试样，材料为低碳钢和铸铁。
三、实验原理使直杆发生扭转的外力，是一对大小相等、转向相反、作用面垂直于杆轴线的外力偶。
在这种外力偶作用下，杆表面的纵向线将变成螺旋线，即发生扭转变形。
当发生扭转的杆是等直圆杆时，杆的物性和横截面几何形状具有极对称性，杆的变形满足平面假设（横截面像刚性平面一样绕轴线转动），这是扭转问题中最简单的情况。
标准中定义了多种可测的扭转性能指标，表1列出了扭转破坏实验常用的几种指标的符号、名称和单位。
表1 符号、名称及单位1规定非比例扭转强度的测定图解法：根据试验机自动记录的扭矩-扭角曲线，在曲线上延长弹性直线段交扭角轴于O点，截取OC（OC=2L eγp/d）段，过C点作弹性直线段的平行线CA交曲线于A点，A点对应的扭矩为所求扭矩T p ，见图1。
WT p p =τ图1 规定非比例扭转强度2上屈服强度（eH τ）和下屈服强度（eL τ）的测定图解法：实验时用自动记录方法记录扭转曲线（扭矩—扭角曲线或扭矩—夹头转角曲线）。
首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩；屈服阶段中不计初始瞬时效应的最小扭矩为下屈服扭矩，见图2。
按下式分别计算上屈服强度和下屈服强度。
W T eHeH =τ WT eLeL =τ图2 上、下屈服强度3 抗扭强度（m τ）的测定对试样连续施加扭矩，直至扭断。
《材料力学》教实验四低碳钢和铸铁的扭转实验
实验四低碳钢和铸铁的扭转实验一、实验目的（1）测定低碳钢的剪切屈服极限τs，低碳钢和铸铁的剪切强度极限τb。
（2）观察低碳钢和铸铁扭转时的破坏过程，分析它们在不同受力时力学性能的差异。
（3）了解扭转试验机的操作规程。
二、实验设备（1）NJ—50B型扭转试验机。
（2）游标卡尺。
三、实验原理及方法工程中经常遇到承受扭转作用的构件，特别是很多传动零件都在扭转条件下工作。
测定扭转条件下的力学性能，对零件等受扭的构件在设计计算和选材方面有重要的实际意义。
圆柱形试件在纯扭转时，试件表面应力状态如图4.1所示，其最大剪应力和正应力绝对值相等，夹角成45°，因此扭转实验可以明显地区分材料的断裂方式—拉断或剪断。
如果材料的抗剪强度低于抗拉强度，破坏形式为剪断，断口应与其轴线垂直；如果材料的抗拉强度小于抗剪强度，破坏原因为拉应力，破坏面应是沿45°的方向。
图 4.1 圆轴扭转时的表面应力材料的扭转过程可用ϕM曲线来描述。
M为施加扭矩，ϕ为试样的相对扭转角。
图-4.2为两种典型材料（低碳钢和铸铁）的扭转曲线。
低碳钢扭转曲线的直线部分为弹性阶段,此时截面上的剪应力为线性分布，最大剪应力发生在横截面周边处，圆心处剪应力为零，如图4.3（a）所示。
低碳钢扭转时有明显的屈服阶段，但与拉伸实验相比，它的屈服过程是由表面至圆心逐渐进行的，如图4.3（b）所示。
当横截面全部屈服后，试样才全面进入塑性，扭转曲线图上出现屈服平台，扭矩度盘上的指针几乎不再转动，甚至有微小的倒退现象。
这时，横截面上的剪应力不再成线性分布。
如认为这时整个圆截面皆为塑性区，如图4.3（c ）所示，则屈服极限近似为p s s W M 43=τ (4.1) 式中163d W p π=为抗扭截面模量。
图4.2 低碳钢和铸铁的扭转曲线图4.3 剪应力分布图过屈服阶段后，材料的强化使承载力又有缓慢的上升，，但变形非常明显，试样的纵向画线变成螺旋线，扭矩继续增加，直至破坏。
金属材料的扭转实验报告
金属材料的扭转实验报告金属材料的扭转实验报告引言金属材料是工程领域中广泛应用的一类材料，其力学性能对于工程设计和材料选择具有重要的意义。
本实验旨在通过扭转实验来研究金属材料的力学行为和材料性能，为工程实践提供参考。
一、实验目的本实验的主要目的是通过扭转实验，研究金属材料在扭转加载下的力学行为和材料性能，包括材料的刚度、强度、塑性变形等方面的特性。
二、实验原理扭转实验是通过施加扭矩来加载金属材料，使其发生扭转变形。
扭转实验中，材料受到的扭矩与扭角之间的关系可以用扭转弹性模量和剪切应力来描述。
扭转弹性模量是材料在弹性阶段扭转变形时的比例系数，剪切应力则是材料受到的扭矩与截面积之比。
三、实验步骤1. 准备工作：选择一块金属样品，将其加工成圆柱形，并测量其长度和直径，计算出截面积。
2. 搭建实验装置：将金属样品固定在扭转试验机上，确保其能够自由扭转。
3. 施加加载：通过扭矩传感器施加扭矩，同时记录下扭矩和扭角的变化。
4. 数据处理：根据实验数据计算出扭转弹性模量和剪切应力，并绘制相应的应力-应变曲线。
四、实验结果与讨论通过实验得到的数据可以得出金属材料的扭转弹性模量和剪切应力。
扭转弹性模量是材料在弹性阶段扭转变形时的比例系数，可以反映材料的刚度。
剪切应力则是材料受到的扭矩与截面积之比，可以反映材料的强度。
根据实验结果，我们可以观察到金属材料在扭转加载下的力学行为。
在加载初期，材料的扭转弹性模量较高，表现出较大的刚度，扭转变形较小。
随着加载的增加，材料逐渐进入塑性变形阶段，扭转弹性模量下降，塑性变形增加。
当达到一定扭矩时，材料会发生破坏，出现断裂现象。
五、结论通过本实验，我们研究了金属材料在扭转加载下的力学行为和材料性能。
实验结果表明，金属材料在扭转加载下具有一定的刚度和强度，同时也具有一定的塑性变形能力。
这些性能对于工程设计和材料选择具有重要的意义。
六、实验总结本实验通过扭转实验研究了金属材料的力学行为和材料性能，为工程实践提供了参考。
金属材料扭转实验
金属材料扭转实验在实际工程机械中，有很多传动是在扭转情况下工作。
设计扭转轴所用的许用剪应力，是根据材料在扭转破坏试验时，所测出的扭转剪切屈服极限τS 或剪切强度极限τb 而求得的。
在扭转试验时，即使韧性极好的金属也能在扭转时发生断裂，由于扭转断裂后外形无明显变化，从而可以精确地计算应力和应变情况。
一、实验目的1． 测定低碳钢的剪切屈服极限τs ，剪切强度及极限τb 。
2． 测定铸铁的剪切强度极限τb 。
3． 比较低碳钢和铸铁在扭转时的变形和破坏特征。
二、实验设备ND-500C 扭转试验三、实验原理1． 试件：根据国家标准，一般采用圆截面试件，标距mm 100=L ，标距部分直径mm 10=d 。
如图2-6所示。
图2-62． 实验原理：材料的扭转破坏过程可用扭转曲线即T -ϕ曲线来描述。
T 表示施加在试件上的扭距，ϕ表示试件的相对扭转角度。
现分别讨论低碳钢和铸铁扭转时力学性质，如图2-7所示。
图2-7图中起始直线段OA 表明试件在这阶段中的T 与ϕ成比例， 截面上的剪应力呈线性分布，如图 2-8（ａ）。
在 A 点处，T 与ϕ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s τ，相应的扭矩记为P T 。
由于这时截面内部的剪应力尚小于s τ，故试件仍具有承载能力，T -ϕ曲线呈继续上升的趋势。
扭矩超过P T 后，截面上的剪应力分布发生变化，如图2-8（ｂ）。
在截面上出现了一个环状塑性区，并随着P T 的增长，塑性区逐步向中心扩展，T -ϕ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。
试件整体屈服后, T -ϕ曲线上出现屈服平台。
根据国家试验标准规定,这时的示值为材料扭转屈服扭矩，记作S T 。
而剪切屈服极限s τ由下式表 tS S W T ⋅=43τ 其中163d W t π=是试件的抗扭截面系数。
P T T ≤时的剪应力分布 P S T T T >>时的剪应力分布 ST T =时的剪应力分布 图2-8 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。
金属材料的扭转试验
将（a）式代入，上式化为
∑ G = L0∆T ∑ IP
i2
i (ϕi −ϕ G
通过试验机配备的扭矩传感器以及小角度扭角仪，可自动
记录扭矩－扭转角（T-ϕ ）曲线，如图 2-2 所示。 在所记录的曲线的弹性直线段上，选取扭矩增量 ∆T 和相
∆T ∆ϕ
2. 点击测试软样运行窗口，正式测试，直至试件变形开始急剧增加时，停止实验，取
7
下试样。保存实验数据。打印 T − ϕ 试验曲线。
(3) 测屈服点及抗扭强度 点击运行按钮，按预先设定的测试程序对试件进行加载，直至试件断裂。保存实验数据， 同时输出试验数据。 在测屈服点及抗扭强度时，应注意观察试样变形及破坏情况。取下试样，观察并分析断 口形貌和形成原因。
图 2- 6 图解法求规定 非比例扭转应力
扭矩即为与非比例切应变规定值 γ p 所对应的扭矩 Tp ，按下式计算规定非比例扭转应力：
6
测试方法
τp
=
Tp WP
（2-12）
（1）测 G ① 测 G(逐级加载法)
试验过程采用手动方式进行。先施加 3N.m 的初始扭矩，记下初始角度ϕ 0 ；然后采用等
增量（ ∆T =5N.m）分五级加载，记录每次对应的角度值（在对应显示窗口显示）。重复测试
5
到规定数值时，按弹性扭转公式计算得到的切应力称为“规定非比例扭转应力”。相应应力附
以下标说明非比例切应变规定值
γ
p
τ ，如 p 0.015
和τ
p 0.3
分别表示规定的非比例切应变
γ
p
为
0.015%和 0.3%时的应力。
一般把τ p0.015 称为条件扭转比例极限，τ p0.3 称为扭转屈服强度。
材料力学金属扭转实验报告
材料力学金属扭转实验报告实验报告标题：材料力学金属扭转实验摘要：本实验旨在探究金属材料在扭转加载下的力学性能，并通过实际测量数据分析验证材料力学的相关理论。
实验通过制备试样、设计测试装置、施加扭转力、测量材料的应变和转动角度等步骤完成。
实验结果表明，金属材料在扭转过程中呈现出线性弹性行为，并根据实测数据计算得到了杨氏模量和剪切模量等材料力学参数。
关键词：材料力学、金属扭转、应变、转动角度、弹性行为、杨氏模量、剪切模量引言：金属材料是工程领域中常用的材料之一，其力学性能的研究对于提高材料的应用性能、设计结构的可靠性有着重要意义。
材料力学的研究主要包括拉伸、压缩、扭转等，本实验主要关注金属材料在扭转加载下的力学性能。
扭转是指通过对材料施加扭转矩，使其绕轴转动一定角度的过程。
通过测量应变和转动角度等参数，可以计算得到杨氏模量和剪切模量等材料力学性质的参数。
实验目的：1.了解金属材料在扭转加载下的力学性能。
2.掌握金属材料力学实验的基本操作流程。
3.熟悉测量应变和转动角度的相关方法。
4.计算得到金属材料的杨氏模量和剪切模量。
实验原理：金属材料在扭转加载下的力学行为可以用材料力学的相关理论进行描述。
杨氏模量是指材料的拉伸应力和应变之间的比值，可以用来衡量材料的刚度。
剪切模量是指材料在剪切应力作用下所表现出的抗剪切性能。
实验装置及试样制备：本实验采用扭转仪作为实验装置，配有测力传感器和角度测量装置。
所用试样为金属圆管，长度为L，外径为D，厚度为δ，可以通过所施加的扭转角度的测量反映材料的力学性能。
实验步骤：1.制备金属圆管试样：根据要求切割金属圆管，并记录其几何参数。
2.安装试样：将金属圆管试样安装在扭转仪上，并保证试样与仪器的接触面完全平行。
3.调整扭转仪：调整扭转仪使其垂直于试样轴线，并调节扭转仪的零位。
4.校准测力传感器：根据实验装置的要求对测力传感器进行校准。
5.施加扭转力：根据实验设计的负荷标准和实验要求，施加扭转力，并记录施加扭转力的数值。
金属材料扭转实验
金属材料扭转实验一、实验目的a)观察低碳钢和铸铁在扭转时的各种现象；b)掌握扭转试验机的操作方法。
二、实验设备与仪器1.扭转试验机2.游标卡尺三、试件试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果有影响。
为了便于比较各种材料的机械性能，国家标准中对试件的尺寸和形状有统一规定。
根据国家标准（GB6397—86），将金属拉伸比例试件的尺寸列表如下：图一四、实验原理和方法实验时，首先将试件安装在试验机的左、右夹头内，并在试件实验段表面沿轴线方向划一条直线，以观察试验段的变形。
然后开动试验机，缓慢加载，同时，自动绘图装置绘制出扭矩—转角曲线（T—ϕ曲线）。
低碳钢试件受扭时，在加载开始段，从T—ϕ曲线可以看出，扭矩与转角成正比，即满足扭转虎克定律。
当载荷达到一定程度时，低碳钢试件发生明显的屈服现象，即扭矩不增加，而转角不断增大。
过了屈服阶段后，试件抵抗变形的能力又有所加强，到最后试件被连续扭转几圈后才沿着与轴线方向垂直的截面被剪断，这说明，导致低碳钢试件破坏的原因是扭转切应力。
铸铁试件受扭时，整个过程变形不明显，启动扭转试验机后不久，试件就发生断裂破坏，断口为沿着与轴线成45o 方向的螺旋面，这说明导致铸铁试件扭转破坏的原因是拉应力。
五、实验结果处理1. 低碳钢扭转极限强度：τππ-⋅===≈⨯⨯333135.60690.61(1010)1616b b b T T T N mMPa W D m 2. 铸铁扭转极限强度：τππ-⋅===≈⨯⨯33359.298302.00(1010)1616b b b T T T N mMPa W D m 低碳钢铸铁。
金属材料的扭转实验
实 验 步 骤
03 测量试件直径（D=10mm）,标距（l=150mm）,百分表触头到试
件轴线的距离R=100mm,以及力臂长度L=200mm。
04 百分表调零。用手轻轻压砝码盘，使百分表指针能够转动且松开手
后，百分表指针能够回到原来位置，然后转动表盘使指针对准零。
05 挂砝码逐级加载（每个砝码质量为1Kg），采用3级加载，并记录
加载臂：L=200mm
2、机电百分表：量程：10mm，精度：0.01mm
实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定
实验装置、试件（简图及原始尺寸）
转角仪标距 l=150mm
l=150mm
加载臂 L=200mm
1、 台架 3 2 1 5 4
2、转角仪 3、百分表 4、试件 5、砝码及托盘
圆轴直径D=10mm
G
M n L0 I p
实验按照等间隔分级加扭矩的方法进行，由扭角仪测得相应的扭转角增量，即可求得。
实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定
01 02
把扭角仪夹具套在试件标距为的A、B两截面处，并拧紧 固定螺钉（实验室已安装好）。 将安装好扭角仪的试件一端安装在固定支座上，另一端安装在可转 动支座上，安装好加荷臂及百分表，安装时注意百分表套筒松紧是 否适度（过紧，不能与试件一起变形，过松，固定不住，实验室安 装好）。
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验步骤——SmartTest操作部分
第 一 步 ： 打 开 Smart Test 菜单栏 状态栏
扭距、扭角 显示板
主 界 面
曲线板
控制板
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验步骤——SmartTest操作部分
录第 入二 试步 件： 信打 息开 数 据 板 ， 点 击 “ ” 摁 钮 ，
金属材料扭转实验
金属材料扭转实验金属材料扭转实验是一种常见的金属材料力学性能测试方法，通过对金属材料进行扭转加载，来研究其在扭转载荷下的变形和破坏性能。
本文将从实验原理、实验步骤和实验数据分析三个方面介绍金属材料扭转实验的相关内容。
一、实验原理。
金属材料扭转实验是利用外力对金属样品进行扭转加载，通过观察其变形和破坏情况来研究金属材料的力学性能。
在扭转加载过程中，金属样品会发生弹性变形和塑性变形，最终达到破坏状态。
通过实验可以得到金属材料在扭转载荷下的应力-应变曲线，进而分析其力学性能。
二、实验步骤。
1. 准备工作，选择合适的金属样品，对其进行表面处理和尺寸加工，确保样品表面光滑，尺寸精确。
2. 安装样品，将金属样品固定在扭转实验机上，保证样品的轴线与扭转加载轴线重合。
3. 调整参数，根据实验要求，设置扭转实验机的加载速度、加载范围和采样频率等参数。
4. 进行实验，启动扭转实验机，对金属样品施加扭转载荷，记录载荷-位移曲线和载荷-时间曲线。
5. 数据处理，根据实验数据，绘制应力-应变曲线，分析金属样品的力学性能。
三、实验数据分析。
通过对金属材料扭转实验的数据分析，可以得到金属样品在扭转载荷下的应力-应变曲线。
根据应力-应变曲线，可以得到金属样品的屈服强度、抗拉强度、延伸率等力学性能指标。
同时，还可以观察金属样品的变形和破坏情况，分析其力学性能表现。
在实验数据分析过程中，需要注意对数据的准确性和可靠性进行评估，排除实验误差对结果的影响。
同时，还需要将实验结果与金属材料的实际工程应用进行比较，评估其在实际工程中的性能表现。
综上所述，金属材料扭转实验是一种重要的力学性能测试方法，通过对金属样品进行扭转加载，可以得到其在扭转载荷下的力学性能指标和变形破坏情况。
通过实验原理、实验步骤和实验数据分析的介绍，相信读者对金属材料扭转实验有了更深入的了解，对相关领域的研究和应用具有一定的参考价值。
金属材料扭转实验
9 操作面板
2 导轨 1 机座 3 溜板
操作面板 9 放大为图 4.5，面板上按钮 12 控制实验机的正、反加载和停
车。加载速度分 0～36°/min 和 0～360°min 两档，由转速选择开关 13 选
择，多圈电位器 14 调节。
17 记录开关
16 电流表
15 加载速度表 13 转速选择开关
图 4.5
b)手动检测状态试验时，任意检测点的确认键。 （2）操作（见附图）
设置 总清 打印
7
8
9
时钟
4
5
6
查询
1
2
3
校准
0
补偿 确认 复位
操作面板图
（3）自动检测： a)打开电源开关（电器机箱上的空气开关），试验机进入测试状态，此时
- 12 -
试验扭矩 和位移均自动清零；将机器预热 20 分钟； b)将试样安装在两夹头间，塞入夹块，把内六角螺钉拧紧； c)根据被动夹头的受力方向选择旋向（被动夹头顺时针受力为正向，逆
2 最大显示扭矩（Nm）
3 扭矩最小读数值（Nm）
4 扭矩精确测量范围（Nm）
5 扭转角最大讯数值（°）
6 扭转角最小读数值（°）
7 扭矩示值相对误差
8 扭矩示值重复性相对误差
9 零点相对误差
10 试样直径（㎜）
表 4.3
规格、参数及指标 NJS-01 150 0.06 20—100 99999.9 0.1
设备名称
实验 最大量程
设备 使用量程
精度
试 件 尺寸
直 径 d (mm)
最小抗扭截
横截面Ⅰ （1） （2）
横截面Ⅱ （1） （2）
横截面Ⅲ （1） （2）
4.实验四 金属材料扭转实验
金属材料扭转实验一、 实验目的1. 测定低碳钢材料的剪切屈服极限s τ及剪切强度极限b τ。
2. 测定铸铁材料的剪切强度极限b τ。
3. 观察低碳钢和铸铁扭转变形过程中各种现象，比较两种材料试样断口破坏特性。
二、 实验仪器设备CTT500 微机控制扭转试验机、游标卡尺、低碳钢扭转试样和铸铁扭转试样 三、 实验原理将材料试样装夹在扭转试验机的夹头上，实验时，扭转试验机的一个夹头固定不转，另一个夹头绕轴转动，从而对材料试样施加扭转载荷，使试样发生扭转变形，同时绘制出试样承受的扭矩T 与发生的变形扭转角φ的关系曲线（T –φ曲线）。
1. 低碳钢扭转实验图 2-1-2 所示为低碳钢试样在扭转变形过程中的 T –φ关系曲线。
由该曲线可得到低碳钢材料在整个扭转过程中所表现出来的力学性能，其主要特征如下：在弹性变形的OA直线段。
试样截面上扭矩T与扭转角φ成正比例关系，材料服从切变虎克定律，在该阶段可测定材料的切变模量G，试样横截面上剪应力沿半径线性分布如图 2-1-3（a）所示。
拉伸时有明显屈服现象的金属材料在扭转时同样存在屈服现象，只是由于扭转时试样截面上的应力分布不均匀，当试样表面材料屈服时，内部材料并未出现屈服，因此载荷的下降不是突然发生，故无拉伸时的初始瞬时效应。
当扭矩保持恒定或在小范围内波动，而扭转角仍持续增加（曲线出现平台）时的扭矩称为屈服扭矩。
上屈服扭矩：屈服阶段中扭矩首次下降前的最大扭矩，称为上屈服扭T，如图 2-2-2 中所示。
矩，记为suT，如下屈服扭矩：屈服阶段中的最小扭矩称为下屈服扭矩，记为sL图 2-2-2中所示。
本次实验中测定下屈服扭矩作为低碳钢扭转时的屈服扭矩 Ts，根据τ。
实验中测得的屈服扭矩 Ts数值，即可计算出低碳钢的剪切屈服极限s低碳钢扭转试样横截面上剪应力线性分布如图 2-1-3 所示，随着 Tτ，而且塑性区逐的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限s渐向圆心扩展，形成环形塑性区，如图 2-1-3（b）所示，直到整个截面几乎都是塑性区，如图 2-1-3（c）所示，在 T–φ曲线上出现屈服平台。
第四章金属扭转试验
第四章金属扭转试验在机械、石油、冶金等工程中有许多机械零部件承受扭转载荷作用的实例，如各种轴类零件(电机主轴、机床主轴、汽车传动轴)、石油钻杆等。
因此，必须测定其相关材料的扭转性能指标，为设计提供依据。
扭转试验是对圆柱形试样施加扭矩T(使试样两端承受大小相等、方向相反、作用面垂直于试样轴线的力偶)，测量扭矩T及相应的扭角φ,绘制T-φ扭转曲线图，一般扭至断裂，以便测定金属材料的各项扭转力学性能指标。
圆柱形试样的扭转试验具有以下的特点：(1)用圆柱形试样进行扭转时，从试验开始直至破断，在试样的整个工作长度上塑性变形都是均匀的，试样仍保持圆柱形，横截面的大小、形状及试样工作长度几乎保持不变，没有缩颈现象。
因此，可以用扭转试验精确地测定高塑性金属材料的应力-应变关系。
(2)剪切试验只能测定材料的抗剪强度，对于高塑性材料，由于常伴随着弯曲变形而不能得到正确的结果，扭转试验则能较全面地了解材料在切应力作用下的行为。
(3)扭转应力状态较拉伸软(α=0.8)，可以使低塑性材料处于韧性状态测定它们的强度和塑性。
(4)由材料力学可知，圆柱形试样在扭转试验时，试样表面的应力状态如图4-1所示，最大切应力和正应力绝对值相等，夹角成45°。
因此，扭转试验可以明显地区别材料的断裂方式：正断或切断。
这一点其他试验不能与之相比。
(5)扭转试验时，试样横截面上沿直径方向切应力和切应变的分布是不均匀的，试样表面的切应力和切应变最大。
因此，扭转试验可以灵敏地反映材料的表面缺陷。
第一节金属材料扭转时的力学性质一、扭转时切应变材料力学假设扭转时圆柱体的变形：(1)所有纵向素线都倾斜了同一角度α，圆柱体上所有矩形格子扭歪成相似平行四边形；(2)所有圆周线都围绕轴线转了一定的角度φ，而圆周线形状、长短及两圆周线间距离都未改变。
由材料力学可知：半径为r(mm)的圆柱体，在距离圆柱体轴线为ρ的一层薄壁圆筒上任一点处的切应变：即：圆柱体横截面上任一点扭转时的切应变与该点到轴线的距离ρ成正比，圆柱体表面的切应变最大。
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金属材料扭转实验
一、 实验目的
1. 测定低碳钢材料的剪切屈服极限s τ及剪切强度极限b τ。
2. 测定铸铁材料的剪切强度极限b τ。
3. 观察低碳钢和铸铁扭转变形过程中各种现象，比较两种材料试样断口破
坏特性。
二、 实验仪器设备
CTT500 微机控制扭转试验机、游标卡尺、低碳钢扭转试样和铸铁扭转试样 三、 实验原理
将材料试样装夹在扭转试验机的夹头上，实验时，扭转试验机的一个夹头固定不转，另一个夹头绕轴转动，从而对材料试样施加扭转载荷，使试样发生扭转变形，同时绘制出试样承受的扭矩T 与发生的变形扭转角φ的关系曲线（T –φ曲线）。
1. 低碳钢扭转实验
图 2-1-2 所示为低碳钢试样在扭转变形过程中的 T –φ关系曲线。
由该曲线可得到低碳钢材料在整个扭转过程中所表现出来的力学性能，其主要特征如下：
在弹性变形的OA直线段。
试样截面上扭矩T与扭转角φ成正比例关系，材料服从切变虎克定律，在该阶段可测定材料的切变模量G，试样横截面上剪应力沿半径线性分布如图 2-1-3（a）所示。
拉伸时有明显屈服现象的金属材料在扭转时同样存在屈服现象，只是由于扭转时试样截面上的应力分布不均匀，当试样表面材料屈服时，内部材料并未出现屈服，因此载荷的下降不是突然发生，故无拉伸时的初始瞬时效应。
当扭矩保持恒定或在小范围内波动，而扭转角仍持续增加（曲线出现平台）时的扭矩称为屈服扭矩。
上屈服扭矩：屈服阶段中扭矩首次下降前的最大扭矩，称为上屈服扭T，如图 2-2-2 中所示。
矩，记为
su
T，如下屈服扭矩：屈服阶段中的最小扭矩称为下屈服扭矩，记为
sL
图 2-2-2中所示。
本次实验中测定下屈服扭矩作为低碳钢扭转时的屈服扭矩 Ts，根据
τ。
实验中测得的屈服扭矩 Ts数值，即可计算出低碳钢的剪切屈服极限
s
低碳钢扭转试样横截面上剪应力线性分布如图 2-1-3 所示，随着 T
τ，而且塑性区逐的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限
s
渐向圆心扩展，形成环形塑性区，如图 2-1-3（b）所示，直到整个截面几乎都是塑性区，如图 2-1-3（c）所示，在 T–φ曲线上出现屈服平台。
对试样继续施加扭转载荷，随着扭矩增加，变形随之增大，直到试样被破坏。
试样 破坏时的扭矩即为最大扭矩b T ，根据实验中测得的最大扭矩
b T 即可计算出低碳钢的剪切强度极限b τ。
2. 铸铁扭转实验
铸铁材料试样扭转变形时，其扭矩T 和扭转角φ的 T –φ关系曲线如图 2-1-4 所示。
铸铁材料试样从扭转开始直到破坏的过程，发生在很小的变形范围内，破坏处在与试样轴线约成 45º角的螺旋面上，T –φ关系曲线近似为一条直线。
试样破坏时的扭矩为最大扭矩 b T ，根据实验中测得的最大扭矩 Tb ，即可计算出铸铁的剪切强度极限b τ。
3. 试样断口破坏分析
试样受扭时，试样任意点均处于纯剪切应力状态，如图 2-1-5 所示。
在与试样轴线成 ±45°角的螺旋面上，分别承受主应力s1 = t ；s3 =－t 的作用，由于低碳钢材料的抗扭强 度小于抗拉强度，所以试样由于扭转切应力作用，沿其横截面被剪断，断口平齐，如图2-1-6（a ）所示。
铸铁材料的抗拉强度小于抗扭强度，故沿其 45°方向被拉断，断口成一螺旋面，如图 2-1-6（b ）所示。
四、实验步骤
本实验通过 CTT500 微机控制扭转试验机完成低碳钢、铸铁扭转试样的加载过程，实验操作前，必须详细了解实验机的使用操作方法，并仔细阅读实验中所用仪器设备的注意事项。
1.测定低碳钢和铸铁扭转试样的直径d0
2.装夹试样
将扭转试样装夹在实验机夹具上，并调整预载荷，详细操作方法及步骤参照附录 A 中“微机控制扭转实验机”相关部分的介绍
3.控制软件参数设置
启动实验机控制软件，联机后选择实验方案，并输入实验参数，详细操作方法及步骤参照附录 A 中“微机控制扭转实验机”相关部分的介绍。
4.加载实验
启动实验机，完成实验加载测试过程，详细操作方法及步骤参照附录 A
中“微机控 制扭转实验机”相关部分的介绍。
5. 取下扭断的试样，观察断口破坏特征并分析 T –φ曲线。
6. 记录实验数据，分析实验结果。
7. 实验结束后，关闭试验机电源，清理实验现场。
五、 实验数据
通过本次实验应测定下述材料的力学性能指标：
低碳钢的剪切屈服极限s τ、剪切强度极限b τ、铸铁的剪切强度极限b τ，根据实验测定数据，可按下述方法计算以上各力学性能指标。
（1） 材料抗扭截面模量T ω
3
16
t d W π⋅=
d0：材料扭转试样直径
（2） 低碳钢剪切屈服极限 s τ 34s
s t T W τ=
（3） 低碳钢剪切强度极限 b τ
34b
b t T W τ= （4） 铸铁剪切强度极限 b τ
b
b b
T W τ=
低碳钢屈服扭矩：40.10s T N m =⋅
低碳钢最大扭矩：90.96b T N m =⋅
铸铁最大扭矩：29.38b T N m =⋅
1.实验数据
低碳钢：
3
33
730
(9.9510) 1.9341016
16
T d W m ππ--⋅⋅⨯=
=
=⨯
73
3345174.50944 1.93410s s t T N m
MPa W m τ-⨯⋅=
==⨯⨯
73
3390.96352.740MPa 44 1.93410b b t T N m
W m
τ-⨯⋅=
==⨯⨯ 铸铁：
3
33
730
(10.0210) 1.9751016
16
T d W m ππ--⋅⋅⨯=
=
=⨯
73
3329.38111.570MPa 44 1.97510b b t T N m
W m
τ-⨯⋅=
==⨯⨯
扭转试样简图
实验前实验后
六、讨论题
1.铸铁在压缩和扭转时，其断口都与试样轴线成45°左右，破坏原因是否
相同？
答：不一样，压缩时铸铁发生45度剪切破坏，由最大源切应力引起。
扭转时铸铁发生45度拉伸破坏，由最大拉应力引起。
2.根据拉伸、压缩、扭转三个实验测量结果，综合分析低碳钢与铸铁的力学
性能。
答：低碳钢为塑性材料开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段。
相反地，图形逐渐向上弯曲。
这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，因而承受的载荷也随之增大。
铸铁为脆性材料，其压缩图在开始时接近于直线，与纵轴之夹角很小，以后曲率逐渐增大，最后至破坏，因此只确定其强度极限。
二者主要体现在差异上：
塑性材料在断裂前变形较大，塑性指标较高，抵抗拉断的能力较好，其常用的强度指标是屈服极限，而且，一般来说，在拉伸和压缩时的屈服极限值相同，脆性材料在锻炼前的变形较小，塑性指标较低，其强度指标是强度极限，而且其拉伸强度远低于压缩强度。
但是材料是塑性的还是脆性的，将随材料所处的温度，应变率和应力状态等条件的变化而不同。