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实验三　扭转实验 一、实验目的 1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力和抗扭强度。 2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度。 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。 二、实验设备和仪器 1.扭转试验机 2.游标卡尺 三、实验试样 按冶金部标准采用圆形截面试件，两端成扁圆形。如图1所示。 图1 扭转试件图 圆形截面试样的直径，标距或，平行部分的长度为。若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。 由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB10128—88。 四、实验原理与方法 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，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，低碳钢的扭转屈服应力为 　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　（１） 式中：为试样在标距内的抗扭截面系数。 在测出屈服扭矩后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。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，低碳钢的抗扭强度为 　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　 （２） 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图如图12所示。当达到图中点时，与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，，如图13a所示，则扭转屈服应力为 　　　　　　　 　　　　　 　　　　　　 （３）　 经过点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图2b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2c所示的情况，对应的扭矩为 图1 低碳钢的扭转图 （a） （b） （c） 图2 低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布 （a）；（b）；（c） 由于，因此，由上式可以得到 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４） 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，点的位置不易精确判定，而点的位置则较为明显。因此，一般均根据由点测定的来求扭转切应力。当然这种计算方法也有缺陷，只有当实际的应力分布与图2c完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料差异是比较大的。从图1可以看出，当外力偶矩超过后，扭转角增加很快，而外力偶矩增加很小，近似于一条直线。因此，可认为横截面上的切应力分布如图1-7c所示，只是切应力值比大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩，可求得抗扭强度为 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５） 2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标 对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩（　　　　　　 　 　　　　 （６） 由上述扭转破坏的试样可以看出：低碳钢试样的断口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成角，表明破坏是由拉应力引起的。 铸铁属脆性材料，扭转变形很小时就被扭断，其曲线见图3－22，由于曲线近乎一直线，所以可按线弹性公式计算，即式（3－36）。 　　　　　　　　　　　　　 图3－22　铸铁扭转试验曲线　 　　图3－23　碳钢（左）、铸铁（右）扭转断口 切变模量测定 根据国家标准，的测定可用图解法，即根据记录的曲线，读取直线段上相应的扭矩和扭角增量，然后代入下式计算值。 　　 　　　　 　　　　　（3－29） 式中为安装扭角仪的标距。 除图解法外，还可用逐级加载法测定。试验时，对试样施加预扭矩，预扭矩一般不超过预计的规定非比例扭矩的10%。安装上扭角仪，见图3－21，并调整读数，或记下此时的角初读数，它与预加扭矩相对应。在弹性直线段范围内，取为最大试验扭矩，将欲加之扭矩分为等分，≥5，即每级扭矩增量为： 　　　　 　　　　　　　　（3－30） 记录每级扭矩及对应的扭角，读取每对数据对的时间以不超过为宜。计算出平均每级扭角增量： 　　　 　　　　（3－31） 代入式（3－29），得 　　　　　　 　　　（3－32） 在测出各组、值后，也可用最小二乘法求出，做法与求、的方法相同，不再重复。 以上是用测量扭角的方法来确定，除此之外，也可用电阻应变片测量应变的方法测出值（沿与轴向成方向贴片），有兴趣的同学可自行推导其测试原理。 图3－21　扭角仪的安装 五