金属材料的扭转实验
金属扭转实验报告
金属扭转实验报告金属扭转实验报告引言：金属材料是工业生产中最常用的材料之一，其力学性能对于产品的质量和可靠性至关重要。
在金属材料力学性能研究中，扭转实验是一种常用的实验方法，通过对金属试样进行扭转加载，可以获取材料的扭转强度、塑性变形能力和疲劳性能等重要参数。
本实验旨在通过对不同金属试样的扭转实验，探究金属材料的力学性能特点。
实验方法：1. 实验材料选择：本次实验选用了三种不同类型的金属材料，分别为铝合金、钢材和铜材。
这三种材料在工业中应用广泛，具有不同的力学性能特点。
每种材料都制备了10个相同尺寸的试样。
2. 实验装置：扭转实验使用扭转试验机进行，试验机具有精确的力和位移测量系统，能够准确记录试样在加载过程中的力学性能变化。
试样通过夹具固定在试验机上，然后扭转加载。
3. 实验步骤：(1) 将试样固定在夹具上，确保试样的中心轴与扭转试验机的转轴一致。
(2) 设置试验机的加载速度和加载范围，确保实验过程的可控性。
(3) 开始加载，记录试样的扭转力和位移数据。
(4) 当试样发生破坏或达到预设的加载条件时，停止加载，并记录试样的破坏形态。
实验结果与分析：1. 铝合金试样的扭转强度较低，破坏形态为断裂。
铝合金具有较好的塑性变形能力，在扭转过程中能够发生较大的变形，但其强度较低，容易发生断裂。
2. 钢材试样的扭转强度较高，破坏形态为塑性变形。
钢材具有较高的强度和较好的塑性变形能力，在扭转过程中能够承受较大的载荷而不发生断裂。
3. 铜材试样的扭转强度介于铝合金和钢材之间，破坏形态为塑性变形。
铜材具有较好的强度和塑性变形能力，但相对于钢材而言，其强度较低。
结论：通过本次实验，我们对铝合金、钢材和铜材的扭转性能进行了研究。
实验结果表明，不同类型的金属材料具有不同的力学性能特点。
铝合金具有较好的塑性变形能力，但强度较低；钢材具有较高的强度和塑性变形能力；铜材介于两者之间。
这些实验结果对于金属材料的选择和应用具有重要的指导意义，有助于提高产品的质量和可靠性。
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。
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。
金属材料的扭转试验
1
取平均值：
Gi
=
(ϕi
∆TL0
) − ϕi−1
IP
G = ∑Gi n
（2-2）
或采用最小二乘法计算切变模量 G。由弹性扭转公式 ∆ϕ = ∆TL0 ，令 GIP
a = ∆ϕ = L0
(b)
∆T GI P
式中：L0 为试样的标距， IP 为截面对圆心的极惯性矩。
五、实验结果处理
1. 试样原始尺寸记录及处理参考表 2-2 进行。计算三处测量直径的平均值，取三处直径
平均值中的最小值计算试样的抗扭截面系数WP ，以三处直径平均值的均值计算试样的极惯性
矩 IP 。
2. 采用最小二乘法计算切变模量 G，试验数据记录与处理参考表 2-1 进行，按公式 (2-2) 计算切变模量 G。或根据试验数据记录，按公式(2-3) 计算切变模量 G（算术平均值）。
试样在断裂前所承受的最大扭矩 Tb 按弹性
扭转公式计算得抗扭强度τb 。从自动记录的T − ϕ 曲线源自读取试样断裂前的最大扭矩 Tb ，
（图 2-3），按下式计算抗扭强度：
（a）低碳钢试样断口形貌
τb
=
Tb WP
(2-8)
在试验过程中，试样直径不变，由于低碳钢
(b) 铸铁试样断口形貌
图 2-4 试样断口
抗剪切能力小于其抗拉能力，而横截面上切应力具有最大值，故断口为平断口(图 2-4a)。
说明：在扭转弹性阶段，试样圆截面上的应力沿半径线性分布。对试样缓慢加载，试样
横截面边缘处材料首先进入屈服，而整个截面的绝大部分区域内仍处于弹性状态(图 2-5a )。
此后，由于材料屈服而形成的塑性区不断向中心扩展，横截面上出现了一个环状的塑性区（图
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。
金属材料扭转实验原理
金属材料扭转实验原理
金属材料扭转实验原理是通过施加扭转力来研究金属材料的机械性能。
扭转实验通常利用扭转试验机进行，其基本原理如下：
1. 准备样品：从金属材料中制备出适当的样品，通常是圆柱形状。
样品的尺寸和几何形状需根据实验要求确定。
2. 安装样品：将样品安装在扭转试验机中，确保样品精确地固定在试验夹具上。
3. 施加扭转力：通过扭转机构施加扭转力，使样品发生扭转变形。
扭转力的大小和施加方式需根据实验设计来确定。
4. 测量变形：通过合适的测量装置，记录样品的扭转角度和扭转力的测量值。
通常会使用扭转角度传感器和扭转力传感器来实时监测。
5. 计算弹性模量：根据扭转实验中的测量数据，可以通过适当的公式计算出金属材料的弹性模量。
弹性模量是评估材料刚度和变形能力的重要指标。
通过对金属材料进行扭转实验，可以获得材料在扭转过程中的应力-应变关系，进而研究材料的塑性变形行为、强度和刚度
等机械性能。
同时，还可以分析材料的断裂机制和疲劳寿命等方面的特性。
扭转实验在材料科学和工程领域中具有重要的应用价值。
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。
金属材料扭转实验及弹性模量的测量
中那么明显。由于强化阶段的过程很长，图中只绘出其开始阶段和最后阶段，破坏时实 验段的扭角可达 10π以上
图所示的铸铁试样扭转曲线可近似的视为直线 （与拉伸曲线相似， 没有明显的直线段） ， 试样破环时的扭转形变比拉伸时的形变要明显的多。 从扭转试验机上可读取的试样的屈服扭矩 Ts 和破环扭矩 Tb。由 计算材料的屈服剪切点和抗剪切强度。 需要指出的是，对于塑形材料，采用实心圆截面试样测量得到的屈服点和抗剪强度，高 于薄壁圆环截面试样的测量值， 这是因为实心园截面试样扭转时横截面切应力分布不均 匀所致。 当园截面试样横截面的最外层切应力达到剪切强度屈服点时， 占横截面绝大部分的内层 应力仍低于弹性极限，因此此时试样仍表现为弹性行为，没有明显的屈服现象。当扭矩 继续增加使横截面大部分区域的切应力均达到剪切屈服点时， 试样会表现出明显的屈服 现象，此时的扭矩比真实的屈服扭矩要大一点，对于破环扭矩也会有同样的情况。低碳 钢试样和铸铁试样的扭转破环断口形貌有很大的差别断面是最大切应力作用面， 断口较 为平齐，可知剪切破坏，图 2 所示为铸铁试样的断面是与试样轴成 45 度角的螺旋面断 面是最大拉应力作用面，断口较为粗糙，因而是最大拉应力造成的拉伸断裂破坏 。 和
低碳钢扭转
铸铁扭转
T l =15.4GPa I p
E = 2(1 )
六、思考题 1．为什么低碳钢试样扭转破坏断面与横截面重合，而铸铁试样是与 试样轴线成 450 螺旋断裂面？
答：在圆杆扭转实验中，低碳钢属于剪切强度低于拉伸强度的材料， 破坏是由横截面上的最大切应力引起， 并从杆的最外层沿横截面发生 剪断产生的，而铸铁是属于拉伸强度低于剪切强度的材料， 它的破坏 是由 -45 °斜截面上最大拉应力引起，并从杆的最外层沿着轴线约 45°倾角的螺旋形曲面发生拉断而产生的， 故低碳钢试样扭转破坏断 面与横截面重合，而铸铁试样是与试样轴线成 450 螺旋断裂面。
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。
压缩和扭转实验
3、0.02mm 游标卡尺。
实验试样
1．扭转试样 — 采用标准圆形试样
金属材料压缩和扭转实验
l0
d0
2. 压缩试样 — 采用标准圆柱体试样
h0 =（1-3）d0
d0 h0
金属材料压缩和扭转实验
三、实验原理
1．压缩实验——低碳钢和铸铁（两种典型金属材料）
①低碳钢压缩时的力学性能：
F
F bc 压缩
拉伸
O 铸铁压缩曲线 Dl
压缩实验 ——观察现象
金属材料压缩和扭转实验
低碳钢压缩变形，不会断裂，由于受 到上下两端摩擦力影响，形成“鼓形”。
轴线
法线
45 — 55度
铸铁在较小变形下断裂，略成“鼓形”。 断面的法线与轴线成45—55度。
断面
t max引起
金属材料压缩和扭转实验
2．扭转实验——低碳钢和铸铁（两种典型金属材料）
1．测量试样原始尺寸：直径d0。 2．安装试样，进行加载，测出试样压缩时屈服载荷 Fs、最大载荷Fb；
测出试样扭转时的屈服扭矩Ts和最大扭矩Tb。 3．观察并描述试样压缩和扭转破坏后断口特点。
实验报告要求
1．计算两种材料压缩、扭转强度指标及低碳钢扭转剪切弹性模量 G。 2．描述两种材料压缩、扭转破坏后断口特点,分析断口破坏原因。 3．通过实验，综合比较材料在拉伸、压缩、扭转时的力学性能。 4．强度指标以MPa为单位（ 1MPa ? 1N / mm2 ）,并保留3位有效数字。
试样装在试验机上，受到轴向压力
F 作用，试样产生变形量 D。l 两者之间的
关系如图。
铸铁压缩没有明显直线部分，没有屈 服现象。仍然在较小变形下突然破坏。 铸铁、混凝土、石料等脆性材料，抗压 强度远高于抗拉强度。适合作为抗压零 件的材料。
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。
金属的扭转实验
金属的扭转实验指导书一、实验目的：1、 测定低碳钢扭转流动极限s τ与扭转强度极限b τ2、 测定铸铁的扭转强度极限b τ3、 观察并分析比较低碳钢、铸铁试件的断口形状二、实验设备1、扭转试验机。
2、游标卡尺。
图2－21 圆形扭转试样图图2-22 低碳钢扭转实验T-Ф曲线三、试样的制备根据国家标准GB/T10128-1988《金属室温扭转试验方法》的规定，金属扭转试验所使用的试样截面为圆形，推荐采用直径为10 mm ，标距Ｌ0分别为50mm 和100mm ，平行长度Ｌe 分别为70mm 和120mm 的试样。
试样头部（两端部）的形状和尺寸应根据扭转试验机夹头的具体情况来确定。
如果采用其他直径的试样，其平行长度Ｌc应为标距加上两倍的直径。
圆形扭转试样的形状、尺寸以及加工精度见左图2－21。
四、实验原理扭转实验是材料力学实验中最基本的实验之一。
在进行扭转实验时，试样两端部被装夹在扭转试验机的夹头上。
试验机的一个夹头固定不动，另一个夹头绕轴旋转。
以实现对试样施加扭转载荷。
这时，从试验机上可读出扭矩Ｔ和对应的扭转角Φ。
通过试验机上的自动绘图装置可绘出该试样的扭矩Ｔ与扭转角Φ的关系曲线图。
1、低碳钢扭转破坏实验对低碳钢试样进行扭转实验时，通过试验机上的自动绘图装置，我们可绘出该试样在整个扭转过程中的扭矩T与扭转角Ф的关系曲线。
如图2－22所示。
由图2－22知，低碳钢在整个扭转过程中经历了弹性、屈服、强化三个阶段。
在弹性阶段——OA直线段，材料服从切变虎克定律。
即材料的切应力τ与切应变γ成正比。
在屈服阶段——AB曲线段，分两种情况来读屈服点所对应的扭矩T s。
（1）当屈服阶段图形为水平线时，此时试验机扭矩刻度盘上首次出现扭矩不增加（保持恒定）而扭转角增加时的扭矩为屈服扭矩T s。
如图2－22（a）所示。
（2）当屈服阶段图形为锯齿形状时，扭矩刻度盘上主针首次下降（回转）前的的扭矩为上屈服扭矩T su。
而在屈服阶段中最小扭矩为下屈服扭矩T sl，如图2－22（b）所示。
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。
金属扭转试验总结
金属扭转试验总结引言金属扭转试验是一种常用的力学试验方法，用于评估金属材料的扭转性能。
本文对金属扭转试验进行总结和分析，包括试验原理、设备和仪器以及结果分析等方面。
试验原理金属扭转试验是通过施加一定的扭矩力和扭转角度来评估金属材料的扭转性能。
试验中，将金属试样固定在测试机上，在一定的条件下进行扭转。
通过测量施加扭矩和产生的扭转角度，可以计算出材料的扭转强度和扭转刚度等参数。
设备和仪器进行金属扭转试验需要相应的设备和仪器，主要包括以下几个方面：扭转测试机扭转测试机是进行金属扭转试验的关键设备，它主要由电机、传感器和控制系统组成。
电机负责提供扭矩力，传感器用于测量扭转角度和扭矩力大小，控制系统用于控制扭转过程。
夹具夹具用于固定金属试样，确保试样的稳定性和安全性。
夹具应设计合理，能够适应不同类型和尺寸的试样，以及承受较大的扭转力。
传感器传感器用于测量扭矩力和扭转角度，可选用电阻式力传感器和光电编码器等。
实验步骤进行金属扭转试验，需要按照以下步骤进行：1.准备金属试样，根据实际需求选择合适的试样尺寸和形状。
2.将试样安装到夹具上，并根据试样的特点和夹具的设计要求进行固定。
3.将夹具固定在扭转测试机上，并确保夹具与测试机的连接牢固。
4.设置试验参数，包括扭转速度、加载范围和采样频率等。
5.启动测试机，开始进行扭转试验。
6.实时记录扭矩力和扭转角度的数据，记录时间和采样频率。
7.当达到预设的试验终止条件时，停止测试机，结束扭转试验。
8.分析和处理试验数据，计算出所需的扭转性能参数。
结果分析根据扭转试验的数据，可以得到试样在不同加载条件下的扭转曲线，通过对这些曲线的分析，可以得到以下几个方面的结果：1.扭转强度：通过取扭转曲线的最大值，可以得到试样的扭转强度；扭转强度越大，表明材料的抗扭性能越好。
2.扭转刚度：可以通过计算扭转曲线的斜率来得到试样的扭转刚度；扭转刚度越大，表明材料的刚性越好，抗扭承载能力越高。
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。
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）
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屈服过程, 故可按弹性应力公式计算出材料的剪切强度
极限：即
（3）
Mb b Wp
（ 3）
图4 铸铁试件扭矩图
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验原理 破坏原因
低碳钢的抗拉能力高于抗剪能力， 故试件沿横截面剪断。最大剪应力引起。
实验步骤——SmartTest操作部分
钮摁试 件 装 ， 夹 返 完 回 毕 试 后 验 ， 界 再 面 一 。 次 点 击 “ 左 旋 右 旋 ”
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
开 “ 择第 始 转 “五 试 角 扭步 验 ” 矩： 控 转扭 制 角矩 ， ”、 选 试扭 择 验角 扭 曲清 转 线零 速 ，； 度 在在 ， 控“ 点 制曲 击 板线 选板 择” ， 选
显示试验曲线等。
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验原理
纯扭转时，圆试样表面为纯剪应力
状态（如图 1 ）其最大剪应力和正应力绝 对值相等，夹角成450，因此扭转实验可以
明显区分材料的断裂方式—拉断或剪断。
如果材料的抗剪强度小于抗拉强度，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450方向。
断裂方式
铸铁的抗拉能力低于抗剪能力， 故试件从表面上某一最弱处，沿与 轴线成45º方向拉断成一螺旋面。 最大拉应力引起。
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验步骤
结束试验：
拆除断裂试件，进行下一次或脱 机退出程序，使试验机恢复原样。
开始试验：
1、单击控制板“开始”按钮，选择扭矩-转角曲 线。 2、低碳钢扭转时，进入屈服阶段后可以加快试 验速度。 3、试件断裂后单击“试验结束”，系统会自动 分析试验曲线，并将分析结果发送到数据板。
录入试件信息 选择试验方式：
打开数据板录入试件信息， 在 “SmartTest”软件的曲线显 示板和控制板选择试验方式
06
05
04
03 02 01
装夹试件：
试验机准备：
1、将试件一端装入试验机从动夹头的方孔内， 并推动从动头向主动头靠拢，同时单击“左旋” 或“右旋”按钮转动主动夹头的方孔，使试件的 另一端装入主动夹头的方孔内，固定好试件。也 可手动正转和反转使试件的轴端对准方孔。 2、扭矩、扭角清零。
3、
观察并比较低碳钢及铸铁试件扭转变 形时的破坏特征。
实验项目名称一：金属材料的扭转实验 实验设备：
名称和型号 量程 试验速度 扭矩示值相对误差
NDW500型微机控制扭转试验机 500N∙m,
1 ~ 720 min
±1%
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验装置、试件（简图及原始尺寸）
l0=100mm d0=10mm
指针的读数值即可。
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
SmartTest软件界面操作
1、主窗口：
状态栏
1、菜单
1.1 设置： l 选择扭矩传感器：选择当前正在使用的扭矩传感器； l 选择扭转计：选择当前正在使用的扭转计； l 系统参数：返回和设置系统相关参数； l 分析参数：返回和设置分析参数； 1.2 调整： l 扭矩传感器校准：校准和修正扭矩传感器； l 扭矩传感器检定：检定扭矩传感器； l 扭转计校准：校准和修正扭转计； l 扭转计检定：检定扭转计； l 横梁转角校准：校准横梁转角； l 横梁转速校准： 校准横梁转速； l 控制参数调整：调整与控制相关的一些参数； 1.3 工具： l 压缩数据库：对存储数据的数据库进行压缩以减少冗余； l 数据库导入导出：把数据库中的数据进行导入导出； l 控制观察：直接观察控制调节过程的工具；
的关系为
M s s dA
A
将式中dA用环状面积元素2d来表示，则有
M s 2 s
故剪ห้องสมุดไป่ตู้屈服极限：
d /2
o
4 d sW p 3
2
试件的抗扭截面模量：
3M s s 4Wp d 3
Wp 16
（ 1）
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验原理
实测原始数据（单位）
试件 低碳钢 铸铁 下屈服扭矩 （N∙m） 破坏扭矩 （N∙m） 扭转角（ₒ）
实验项目名称一：金属材料的扭转实验 GB10128-2007 金属材料室温扭转试验方法
试验机由机械、电气和
计算机三大部分组成。
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
主机结构示意图 工作原理：
机械部分：被动夹头装在扭 矩传感器上，可随直线导轨 移动。扭转试样装在两夹头 间，伺服电机带动减速机转 动使主动夹头旋转。有手动、 自动两种加载试验方式。 电气部分：由拖动系统和测 量控制部分组成。 计算机：实现各种控制、显 示、数据采集处理、曲线的 绘制、试验结果储存、实时
-
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
打第 开六 “步 分： 析试 板验 ”完 ，毕 查后 看， 计点 算击 结状 果态 。栏 的
，
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
钮第 ，七 进步 行： 数如 据需 板打 报印 表结 打果 印， 。点 击 “ 打 印 机 ” 摁
转角仪半径： R=100mm
实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定
实测原始数据（单位）
P(Kg)
(mm) ×10-2 (mm )×10-2 (mm) ×10-2 (mm )×10-2 (mm) ×10-2 (mm )×10-2
P(Kg)
0 1 2 3
实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定
通过齿轮传动系统带动大指针5转一圈 ，同时小指针7转一格。大指针每转动 一格读数值为0.01mm,小指针每转动一 格读数为1mm。小指针处的刻度范围为 百分表的测量范围。测量时大小指针读 数之和即为测量尺寸的变动量。刻度盘 可以转动，以便测量时大指针对准零刻 度线。
图2 百分表及其传动原理
此实验所用的百分表的量程为05mm,精度为0.01mm，此次实验只读大
变化，如图
3（b）。在截面上出现了一个环状
塑性区，并随着 Mn 的增长，塑性区逐步向中心 扩展，Mn—Φ曲线稍微上升，直到B点趋于平坦， 截面上各材料完全达到屈服，扭矩数值几乎不再
变化，甚至出现微小的减小现象，此时的扭矩的
最小值即为屈服扭矩Ms。
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验原理
如图3（C），根据静力平衡条件，可以求得s与Ms
百分表的读数。重复做3次，实验完后砝码放回原处。
检查实验数据，整理好实验仪器。
06
实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定
实验数据处理
每一次加载读出百分表下降的位移，共加3级。卸载后再重复前面的操作，共做3次， 按下式算出平均值，即
R n 再算出各级载荷下的平均值，即为试件材料的剪切弹性模量，式中的 P 为砝码重量的
实验原理
圆轴受扭时，材料处于纯剪切应力状态。在比例极限以内，材料的剪应力与剪应变成正比，即 满足剪切虎克定律
G
M n L0 GI p
由此可得出圆轴受扭时的虎克定律表达式：
式中Mn为扭矩L0是试件的标距长度Ip为圆截面的极惯性矩，G为低碳钢剪切弹性模量 通过扭角仪，对试件逐级增加同样大小的扭矩Mn,相应地由百分表测出相距为L0的两个截面 之间的相对扭转角增量i,如果每一级扭矩增量所引起的扭转角增量i基本相同，这就验证了 剪切虎克定律。根据测得的各级扭转角增量的平均值可用下式算出剪切弹性模量
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验原理
低碳钢试件的扭矩图 Mn—曲线，如图2所示。 1、直线段OA：线弹性阶段
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验原理
2 、 AB 阶段：在 A点处， Mn 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 , 相应的扭矩记为 Mp , 由于 这时截面内部的剪应力尚小于 s，故试件仍具有 承载能力，Mn—Φ曲线呈继续上升的趋势。 扭矩超过 MP后，截面上的剪应力分布发生
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
金属材料的扭转实验/低碳钢
材料G值的测定
工程力学实验中心 2017年10月
目录
CONTENTS
实验目的 实验设备 实验装置和试件 实验原理 实验步骤 实验设备介绍
01
金属材料的 扭转实验
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
实验目的：
测定低碳钢扭转时的的剪切屈服极 限及剪切强度极限。
1、
2、
测定铸铁扭转时的剪切强度极限。
实验步骤——SmartTest操作部分
数 据 板 显 示 已 录 入 的 试 件 信 息
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
与第 主四 动步 夹： 头点 的击 方控 孔制 ，板 装的 夹 试 件调 。整 试 件 轴 端
实验项目名称一：金属材料的扭转实验
02
低碳钢材料 G值的测定
实验项目名称二：低碳钢材料G值的测定
实验目的：
测定低碳钢材料的切变模量 G，并验证剪切胡克定律