内蒙古农业大学职业技术学院——材料力学讲义
第11讲 教学方案
——扭转破坏实验
基
本
内
容
教
学
目
的
重
点
难
点 扭转破坏实验。 1.掌握扭转破坏实验。 2.掌握实验数据方法。 本节重点：掌握扭转破坏实验。 本节难点：
第 十 一 讲
扭转破坏实验（安排）
（全部内容看实验讲义）
一、实验原理
。M 材料的扭转破坏过程可用纯扭转曲线即M—φ曲线（又称扭转图）来描述（见实验讲义）
代表施加在试样上的扭矩，φ代表试样的相对扭转角， 扭转试验须采用标准圆试样（见实验讲义图）。标距部分的直径d 0 = 10mm；标距长度=100mm 或50mm 。试验机的自动绘图装置可把M—φ曲线同步记录下来。有关指标可根据定义在图上测试。
屈服极限τs = M s / Wp
强度极限τb = M b / Wp
M s —试样的屈服扭矩，可取屈服阶段的下限值
M b —试样的最大扭矩
W p —试样的抗扭截面系数；W p = π d 0 /16
纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态（见实验讲义图）。与杆轴成 ±450角的螺旋面上分别作用着两个主应力σ1, σ3并与最大剪应力τmax 绝对值相等，即σ1 = τmax = －σ3。因此试样的断口角度直接显示材料是拉断还是剪断、材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接地比较。
二、试验设备
1. 扭转材料试验机（含自动绘图装置）。
2. 0.02mm 游标卡尺。
三、试验步骤
试样上机前： 测量原始直径d 0：在试样的标距部分测量3个截面，每个截面互垂方向测量两次，用其中最小截面的平均直径计算W p 。
上机试验 2
内蒙古农业大学职业技术学院——材料力学讲义
1. 试样对中、夹紧，力盘及转角计数器调零。
2. 调整曲线自动记录装置，确定曲线的起始点，落笔。
3. 开机加载。试样整体屈服前用慢速，速度应在6o ～30o /min的范围内，强化后可提高加载速度。
4. 观察M—φ曲线的生成过程（见实验讲义图）。及时记录屈服扭矩M s 和断裂时的最大扭矩M b 、及断裂时的相对扭转角φ1 。
试样断裂后：取下试样，观察铸铁的断口形貌和组织状态。
四、实验结果整理
1. 强度指标计算
试样屈服后截面上的应力不再是线形分布。为使不同材料的τs 、τb 便于计算和相互比较，根据国家标准规定，材料的强度指标仍可近似的按弹性计算公式计算。
2. 通过M—φ曲线分析比较两种材料的扭转过程并绘制其断口图。
3. 根据断裂方式分析两种材料的破坏原因。
4. 通过铸铁拉、压、扭三种不同的破坏方式和和破坏原因，分析比较铸铁在抗拉、抗压、和抗剪能力上的差异。
5. 完成实验报告。报告格式参考拉伸破坏实验。
五、低碳钢扭转实验模拟演示
低碳钢的扭转图大致分三个阶段
1. 弹性阶段（OA ）
外加扭矩不超过弹性范围时，变形是弹性的M—φ曲线是一条直线。在这个范围内卸载，试样仍恢复原状，没有残余变形产生。截面上的应力成线形分布，表面的剪应力最大。即τmax = M / W p 。
2. 屈服阶段（AB ）
超过弹性范围后试样开始屈服。屈服过程是由表面至圆心逐渐进行的，这时M—φ曲线开始
第 十 一 讲
变弯，横截面的塑性区逐渐向圆心扩展，截面上的应力不再是线形分布（见实验讲义图）。试样整体屈服后，M—φ曲线上出现屈服平台屈服极限记作τs 。
3. 强化阶段（BC ）
超过屈服阶段后M—φ曲线又开始上升，表明材料又恢复了抵抗变形的能力，即材料要继续变形扭矩就必须不断增长。低碳钢有很长的强化阶段但没有颈缩直至断裂。试验前在试样表面画的一条母线试验后变成了麻花状，形象的说明了低碳钢断裂前有很大的塑性变形。
低碳钢的断口平齐、与轴线垂直，表明断裂是由剪应力引起的。断面上可看出回旋状塑性变形的痕迹，是典型的韧状断口。断裂时的剪应力定义为强度极限记作τb 。
六、铸铁扭转实验模拟演示
铸铁的M—φ曲线加载到一定程度就较明显地偏离了直线直至断裂。说明铸铁扭断前的塑性变形较拉伸时明显。铸铁断裂时的最大剪应力 定义为强度极限记作τb 。
铸铁断口是与轴线成450 的螺旋面，断面呈闪光的颗粒状组织与拉伸断口的组织相同。这充分表明断裂是由最大拉应力引起的。而最大拉应力先于最大剪应力达到强度极限后发生断裂又说明了铸铁的抗拉能力弱于其抗剪能力。
七、思考题
1. 铸铁拉伸和扭转的破坏原因是否相同？为什么铸铁扭转断裂较拉伸断裂时有较明显的塑性变形 ？
2. 铸铁扭转试验时试验机转速不变，为什么开始时力盘指针转动很慢，以后却越来越快，据此能否想象出铸铁扭转曲线的形式。
3. 根据扭转断口说明两种材料的破坏原因，并对它们自身的抗断能力进行比较。
内蒙古农业大学职业技术学院——材料力学讲义
第11讲 教学方案
——扭转破坏实验
基
本
内
容
教
学
目
的
重
点
难
点 扭转破坏实验。 1.掌握扭转破坏实验。 2.掌握实验数据方法。 本节重点：掌握扭转破坏实验。 本节难点：
第 十 一 讲
扭转破坏实验（安排）
（全部内容看实验讲义）
一、实验原理
。M 材料的扭转破坏过程可用纯扭转曲线即M—φ曲线（又称扭转图）来描述（见实验讲义）
代表施加在试样上的扭矩，φ代表试样的相对扭转角， 扭转试验须采用标准圆试样（见实验讲义图）。标距部分的直径d 0 = 10mm；标距长度=100mm 或50mm 。试验机的自动绘图装置可把M—φ曲线同步记录下来。有关指标可根据定义在图上测试。
屈服极限τs = M s / Wp
强度极限τb = M b / Wp
M s —试样的屈服扭矩，可取屈服阶段的下限值
M b —试样的最大扭矩
W p —试样的抗扭截面系数；W p = π d 0 /16
纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态（见实验讲义图）。与杆轴成 ±450角的螺旋面上分别作用着两个主应力σ1, σ3并与最大剪应力τmax 绝对值相等，即σ1 = τmax = －σ3。因此试样的断口角度直接显示材料是拉断还是剪断、材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接地比较。
二、试验设备
1. 扭转材料试验机（含自动绘图装置）。
2. 0.02mm 游标卡尺。
三、试验步骤
试样上机前： 测量原始直径d 0：在试样的标距部分测量3个截面，每个截面互垂方向测量两次，用其中最小截面的平均直径计算W p 。
上机试验 2
内蒙古农业大学职业技术学院——材料力学讲义
1. 试样对中、夹紧，力盘及转角计数器调零。
2. 调整曲线自动记录装置，确定曲线的起始点，落笔。
3. 开机加载。试样整体屈服前用慢速，速度应在6o ～30o /min的范围内，强化后可提高加载速度。
4. 观察M—φ曲线的生成过程（见实验讲义图）。及时记录屈服扭矩M s 和断裂时的最大扭矩M b 、及断裂时的相对扭转角φ1 。
试样断裂后：取下试样，观察铸铁的断口形貌和组织状态。
四、实验结果整理
1. 强度指标计算
试样屈服后截面上的应力不再是线形分布。为使不同材料的τs 、τb 便于计算和相互比较，根据国家标准规定，材料的强度指标仍可近似的按弹性计算公式计算。
2. 通过M—φ曲线分析比较两种材料的扭转过程并绘制其断口图。
3. 根据断裂方式分析两种材料的破坏原因。
4. 通过铸铁拉、压、扭三种不同的破坏方式和和破坏原因，分析比较铸铁在抗拉、抗压、和抗剪能力上的差异。
5. 完成实验报告。报告格式参考拉伸破坏实验。
五、低碳钢扭转实验模拟演示
低碳钢的扭转图大致分三个阶段
1. 弹性阶段（OA ）
外加扭矩不超过弹性范围时，变形是弹性的M—φ曲线是一条直线。在这个范围内卸载，试样仍恢复原状，没有残余变形产生。截面上的应力成线形分布，表面的剪应力最大。即τmax = M / W p 。
2. 屈服阶段（AB ）
超过弹性范围后试样开始屈服。屈服过程是由表面至圆心逐渐进行的，这时M—φ曲线开始
第 十 一 讲
变弯，横截面的塑性区逐渐向圆心扩展，截面上的应力不再是线形分布（见实验讲义图）。试样整体屈服后，M—φ曲线上出现屈服平台屈服极限记作τs 。
3. 强化阶段（BC ）
超过屈服阶段后M—φ曲线又开始上升，表明材料又恢复了抵抗变形的能力，即材料要继续变形扭矩就必须不断增长。低碳钢有很长的强化阶段但没有颈缩直至断裂。试验前在试样表面画的一条母线试验后变成了麻花状，形象的说明了低碳钢断裂前有很大的塑性变形。
低碳钢的断口平齐、与轴线垂直，表明断裂是由剪应力引起的。断面上可看出回旋状塑性变形的痕迹，是典型的韧状断口。断裂时的剪应力定义为强度极限记作τb 。
六、铸铁扭转实验模拟演示
铸铁的M—φ曲线加载到一定程度就较明显地偏离了直线直至断裂。说明铸铁扭断前的塑性变形较拉伸时明显。铸铁断裂时的最大剪应力 定义为强度极限记作τb 。
铸铁断口是与轴线成450 的螺旋面，断面呈闪光的颗粒状组织与拉伸断口的组织相同。这充分表明断裂是由最大拉应力引起的。而最大拉应力先于最大剪应力达到强度极限后发生断裂又说明了铸铁的抗拉能力弱于其抗剪能力。
七、思考题
1. 铸铁拉伸和扭转的破坏原因是否相同？为什么铸铁扭转断裂较拉伸断裂时有较明显的塑性变形 ？
2. 铸铁扭转试验时试验机转速不变，为什么开始时力盘指针转动很慢，以后却越来越快，据此能否想象出铸铁扭转曲线的形式。
3. 根据扭转断口说明两种材料的破坏原因，并对它们自身的抗断能力进行比较。