扭转实验报告

一、实验目的和要求

1、测定低碳钢的剪切屈服点s τ、剪切强度b τ，观察扭矩-转角曲线（φ-T 曲线）。

2、观察低碳钢试样扭转破坏断口形貌。

3、测定低碳钢的剪切弹性模量G 。

4、验证圆截面杆扭转变形的胡克定律（p GI Tl /=φ）。

5、依据低碳钢的弹性模量,大概计算出低碳钢材料的泊松比。

二、试验设备和仪器

1、微机控制扭转试验机。

2、游标卡尺。

3、装夹工具。

三、实验原理和方法

遵照国家标准（GB/T10128-1998）采用圆截面试样的扭转试验，可以测定各种工程材料在纯剪切情况下的力学性能。如材料的剪切屈服强度点s τ和抗剪强度b τ等。圆截面试样必须按上述国家标准制成（如图1-1所示）。 试验两端的夹持段铣削为平面，这样可以有效地防止试验时试样在试验机卡头中打滑。

图 1-1

试验机软件的绘图系统可绘制扭矩-扭转角曲线，简称扭转曲线（图1-2中的曲线）。

图3-2

从图1-2可以看到，低碳钢试样的扭转试验曲线由弹性阶段（oa 段）、屈服阶段（ab 段）和强化阶段（cd 段）构成，但屈服阶段和强化阶段均不像拉伸试验曲线中那么明显。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，破坏时试验段的扭转角可达π10以上。

从扭转试验机上可以读取试样的屈服扭矩s T 和破坏扭矩b T 。由和

T s s W T 4/3=τ计算材料的剪切屈服强度s τ和抗剪强度b τ，式中：16

/30d W T π=为试样截面的抗扭截面系数。

当圆截面试样横截面的最外层切应力达到剪切屈服点s τ时，占横截面绝大部分的内层切应力仍低于弹性极限，因而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s τ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s T 要大一些，对于破坏扭矩也会有同样的情况。

图1-3所示为低碳钢试样的扭转破坏断口，破坏断面与横截面重合，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 1-3

材料的剪切弹性模量G 遵照国家标准（GB/T10128-1988）可由圆截面试样的扭转试验测定。在弹性范围内进行圆截面试样扭转试验时，扭矩和扭转角之间的关系符合扭转变形的胡克定律p GI Tl =Φ，式中：

3240d I P π=为截面的极惯性矩。当试样长度l 和极惯性矩P I 均为已知时，只要测取扭矩增量T ∆和相应的扭转角增量∆Φ，可由式

P I l

T G ⋅∆Φ⋅∆=

计算得到材料的剪切弹性模量。实验通常采用多级等增量加载法，这样不仅可以避免人为读取数据产生的误差，而且可以通过每次载荷增量和扭转角增量验证扭转变形的胡克定律。

四、实验步骤

1、测量低碳钢试样直径d 1，长度L ；

2、装夹试样；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。

3、将试验机两端夹头对正，清零、装夹紧试件，进行保护。

4、运行POWERTEST软件，选择剪切弹性模量测定试验方案；

表1-1 实验程序

4、按软件“运行”键，开始试验；

5、记录多级等增量加载实验数据；

6、试样被扭断后停机，取下试样，注意观察试样断口形貌；

7、结束实验，将试验机复位并整理现场。

五、实验数据及处理结果

1、低碳钢扭转试验数据

表1-1 直径测量表

则依据试验可知低碳钢的相关参数: 44036.968mm d I P ==π

30

31.1942mm d I W P t ==

表1-2 低碳钢剪切屈服强度、抗剪强度计算表

由上表可得低碳钢的剪切屈服强度，抗剪强度。

010

20

30

40

50

60

70

80

90

图1-4 低碳钢扭角（度）—扭矩（N*m ）破坏曲线图

_

图1-5 低碳钢扭转破坏弹性阶段拟合曲线 最佳线性拟合曲线函数为32934.0305.25+=x y ，故可以得出低碳钢的剪切弹性模量。

p I TL G φ∆∆=0 度度/m N 25305/305.25m m N T ⋅=⋅=∆∆φ

GPa I TL G o

p 9.7414

.336.96818050253050=⨯⨯⨯=∆∆=φ

低碳钢扭转破坏后的形式：

试件表面出现45度螺旋线，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。

六、实验注意事项

1、推动试验机移动支座时，切忌用力过大，以免损坏试样或传感器。

2、进入软件前请确认试验机电源已打开。

3、退出软件前请确定试验机电源已关闭。

七、试验总结与思考

1、弹性阶段的拟合曲线未经过原点，原因是装试样时并未完全夹紧，机器运转时产生松动。

2、试验操作时，对试验步骤不熟悉，不知道标距是怎样定义的，不知道V形块和卡盘的作用，导致无法正确的安装试件，以后要做好预习工作。

3、整理试验报告最大的问题在于怎么处理数据，对于利用Matlab、Excel软件不够熟悉，课后要加强这方面的学习。

4、试验时忘记了记录保载时的数据，导致斜率只能通过软件进行拟合，所以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。