低碳钢、铸铁的扭转破坏实验
一：实验目的和要求 1、掌握扭转试验机操作。 2、低碳钢的剪切屈服极限τs。 3、低碳钢和铸铁的剪切强度极限τb。
4、观察比较两种材料的扭转变形过程中的变形及其破坏形式，并对试件断口形貌进行分析。 二：实验设备和仪器 1、材料扭转试验机 2、游标卡尺 三、实验原理 1、低碳钢扭转实验
低碳钢材料扭转时载荷-变形曲线如图（a）所示。
T
0 φ
图1. 低碳钢材料的扭转图
1. 低碳钢材料的扭转图
(a) (b) (c) 图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T与扭转角φ成正比关系(见图1)，横截面上剪应力τ沿半径线性分布，如图2(a)所示。随着扭矩T的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限τ
s
且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形
塑性区，但中心部分仍是弹性的，见图2(b)。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2(c)所示。此时在T-φ曲线上出现屈服平台(见图1)，试验机的扭矩读数基本不动，此时对应的扭矩即为屈服扭矩Ts。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，扭转曲线一直上升直到破坏，试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb。由TssdAs
A
d/20
（2d）sWt 可得低碳钢材料的
4
3
扭转屈服极限s
Wt
3Ts3T
；同理，可得低碳钢材料扭转时强度极限bb，其中4Wt4Wt
16
d3为抗扭截面模量。
2、铸铁扭转实验
铸铁试件受扭时，在很小的变形下就会发生破坏，其扭转图如图3所示。
O
φ
图3. 铸铁材料的扭转图
从扭转开始直到破坏为止，扭矩T与扭转角近似成正比关系，且变形很小，横截面上剪应力沿半径为线性分布。试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb，铸铁材料的扭转强度极限为b
Tb
。 Wt
低碳钢试样和铸铁试样的扭转破坏断口形貌有很大的差别，图4（a）所示低碳钢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；图（b）所示铸铁试样的断面是与试样轴线成45度角的螺旋面，断
面是最大拉应力作用面，断口较为粗糙，因而最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。
图4. 低碳钢和铸铁的扭转端口形状 四、实验步骤 低碳钢实验步骤：
1. 测量试样尺寸 在试件两端及中部位置，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算个横截面面积。
2. 检查设备线路连接是否接好，并打开设备电源以及配套软件操作界面。 3. 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。 4. 将试验机两端夹头对正，装夹试件，进行保护，清零。
5. 选择低碳钢扭转实验方案，记录低碳钢试件的屈服扭矩Ts和最大扭矩Tb。 6. 实验结束后，取下试件，观察试样破坏断口形貌，打印实验结果，关闭软件，关闭电源。 铸铁实验步骤：
与低碳钢扭转实验步骤相同。铸铁是脆性材料，只需记录铁铸试件的最大扭矩Tb，无需安装扭角测量装置。
五、实验记录及数据处理 表1. 试件尺寸
表2. 实验记录及数据计算
六：实验数据拟合
铸铁的扭转破坏实验，扭矩-扭角曲线如下图所示：
低碳钢的扭转破坏，扭矩-扭转曲线如下图所示：
在弹性范围内进行圆截面试样扭转实验时，扭矩与扭转之间的关系符合扭转
变形的胡克定律TL/GIP，试中，IPd0/32为截面的极惯性矩。当试样长度l和极惯性矩Ip均为已知时，只要根据弹性阶段的扭矩-扭角图拟合出新的图形即可得出低碳钢的切变模量G。
4
如图所示：横坐标为ΦIP，纵坐标为TL，即该直线的的斜率78.12GPa即为低碳钢的切变模量。 七：实验注意事项
1.推动试验机移动支座时，切记用力过大，以免损坏试样或传感器。
2.低碳钢实验时，在安装扭角测量装置时使卡盘与V形块的两端贴紧，保证卡盘与试样垂直。装夹试件时先要注意调整活动夹头的位置。
3.夹好试样后，由于此时试样已经在受力，注意按保护键，使试样中的初始力为零或接近零。
4.进入软件前请确定试验机电源已经打开。 5.退出软件前请确定试验机电源已经关闭。 八：心得体会
1.实验前一定要预先全面了解实验的原理和步骤，以免发生错误或者误差，刚开始我们做实验时没有预先学习，所以导致不知道V形块和卡盘的作用，也不清楚
怎么进行实验，所以说预先学习实验非常重要。
2.在装夹试件时一定要对实验设备小心，谨慎的进行操作，防止损坏实验设备。 3.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。
4.拟合曲线所得低碳钢的切变模量与公式GE/2(1)，有材料手册查得弹性模量和泊松比，计算得到材料的切变模量相差比较大，应该考虑下误差的来源。
低碳钢、铸铁的扭转破坏实验
一：实验目的和要求 1、掌握扭转试验机操作。 2、低碳钢的剪切屈服极限τs。 3、低碳钢和铸铁的剪切强度极限τb。
4、观察比较两种材料的扭转变形过程中的变形及其破坏形式，并对试件断口形貌进行分析。 二：实验设备和仪器 1、材料扭转试验机 2、游标卡尺 三、实验原理 1、低碳钢扭转实验
低碳钢材料扭转时载荷-变形曲线如图（a）所示。
T
0 φ
图1. 低碳钢材料的扭转图
1. 低碳钢材料的扭转图
(a) (b) (c) 图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T与扭转角φ成正比关系(见图1)，横截面上剪应力τ沿半径线性分布，如图2(a)所示。随着扭矩T的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限τ
s
且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形
塑性区，但中心部分仍是弹性的，见图2(b)。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2(c)所示。此时在T-φ曲线上出现屈服平台(见图1)，试验机的扭矩读数基本不动，此时对应的扭矩即为屈服扭矩Ts。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，扭转曲线一直上升直到破坏，试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb。由TssdAs
A
d/20
（2d）sWt 可得低碳钢材料的
4
3
扭转屈服极限s
Wt
3Ts3T
；同理，可得低碳钢材料扭转时强度极限bb，其中4Wt4Wt
16
d3为抗扭截面模量。
2、铸铁扭转实验
铸铁试件受扭时，在很小的变形下就会发生破坏，其扭转图如图3所示。
O
φ
图3. 铸铁材料的扭转图
从扭转开始直到破坏为止，扭矩T与扭转角近似成正比关系，且变形很小，横截面上剪应力沿半径为线性分布。试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Tb，铸铁材料的扭转强度极限为b
Tb
。 Wt
低碳钢试样和铸铁试样的扭转破坏断口形貌有很大的差别，图4（a）所示低碳钢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；图（b）所示铸铁试样的断面是与试样轴线成45度角的螺旋面，断
面是最大拉应力作用面，断口较为粗糙，因而最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。
图4. 低碳钢和铸铁的扭转端口形状 四、实验步骤 低碳钢实验步骤：
1. 测量试样尺寸 在试件两端及中部位置，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算个横截面面积。
2. 检查设备线路连接是否接好，并打开设备电源以及配套软件操作界面。 3. 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。 4. 将试验机两端夹头对正，装夹试件，进行保护，清零。
5. 选择低碳钢扭转实验方案，记录低碳钢试件的屈服扭矩Ts和最大扭矩Tb。 6. 实验结束后，取下试件，观察试样破坏断口形貌，打印实验结果，关闭软件，关闭电源。 铸铁实验步骤：
与低碳钢扭转实验步骤相同。铸铁是脆性材料，只需记录铁铸试件的最大扭矩Tb，无需安装扭角测量装置。
五、实验记录及数据处理 表1. 试件尺寸
表2. 实验记录及数据计算
六：实验数据拟合
铸铁的扭转破坏实验，扭矩-扭角曲线如下图所示：
低碳钢的扭转破坏，扭矩-扭转曲线如下图所示：
在弹性范围内进行圆截面试样扭转实验时，扭矩与扭转之间的关系符合扭转
变形的胡克定律TL/GIP，试中，IPd0/32为截面的极惯性矩。当试样长度l和极惯性矩Ip均为已知时，只要根据弹性阶段的扭矩-扭角图拟合出新的图形即可得出低碳钢的切变模量G。
4
如图所示：横坐标为ΦIP，纵坐标为TL，即该直线的的斜率78.12GPa即为低碳钢的切变模量。 七：实验注意事项
1.推动试验机移动支座时，切记用力过大，以免损坏试样或传感器。
2.低碳钢实验时，在安装扭角测量装置时使卡盘与V形块的两端贴紧，保证卡盘与试样垂直。装夹试件时先要注意调整活动夹头的位置。
3.夹好试样后，由于此时试样已经在受力，注意按保护键，使试样中的初始力为零或接近零。
4.进入软件前请确定试验机电源已经打开。 5.退出软件前请确定试验机电源已经关闭。 八：心得体会
1.实验前一定要预先全面了解实验的原理和步骤，以免发生错误或者误差，刚开始我们做实验时没有预先学习，所以导致不知道V形块和卡盘的作用，也不清楚
怎么进行实验，所以说预先学习实验非常重要。
2.在装夹试件时一定要对实验设备小心，谨慎的进行操作，防止损坏实验设备。 3.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。
4.拟合曲线所得低碳钢的切变模量与公式GE/2(1)，有材料手册查得弹性模量和泊松比，计算得到材料的切变模量相差比较大，应该考虑下误差的来源。