$3扭转试验1、概述工程中有许多承受扭转变形的构件，了解材料在扭转变形时的力学性能，对于构件的合理设计和选材是十分重要的。扭转变形是构件的基本变形之一，因此扭转实验也是材料力学基本实验之一。2、实验目的1、测定低碳钢的扭转服强度t，及抗扭强度t。2、测定铸铁的抗扭强度Ts。3、观察、比较低碳钢和铸铁在扭转时的变形和破坏现象，分析其破坏原因。3、实验原理对一确定形状试件两端施加一对大小为M，的外力偶，试件便处于扭转受力状态，此时试件中的单元体处于如图3.1所示的纯剪应力状态。MeMe图3.1纯剪应力状态对单元体进行平衡分析可知，在与试样轴线成45°角的螺旋面上，分别承受主应力,=T，,=-的作用，这样就出现了在同一个试件的不同截面上拉=-压=T的情形。这样对于判断材料各极限强度的关系提供了一个很好的条件。图3.2为低碳钢Q235扭转实验扭矩T和扭转角Φ的关系曲线，图3.3为铸铁HT200T0Φ图32低碳钢0235扭转T-Φ曲线图33铸铁HT200扭转T-Φ曲线
§3 扭 转 试 验 1、概述 工程中有许多承受扭转变形的构件，了解材料在扭转变形时的力学性能，对于构件的合 理设计和选材是十分重要的。扭转变形是构件的基本变形之一，因此扭转实验也是材料力学 基本实验之一。 2、实验目的 1、测定低碳钢的扭转屈服强度 s 及抗扭强度 b 。 2、测定铸铁的抗扭强度 b 。 3、观察、比较低碳钢和铸铁在扭转时的变形和破坏现象，分析其破坏原因。 3、实验原理 对一确定形状试件两端施加一对大小为 Me 的外力偶，试件便处于扭转受力状态，此时 试件中的单元体处于如图 3.1 所示的纯剪应力状态。 图 3.1 纯剪应力状态 对单元体进行平衡分析可知，在与试样轴线成 0 45 角的螺旋面上，分别承受主应力 = 1 ， = − 3 的作用，这样就出现了在同一个试件的不同截面上 拉 = − 压 = 的情 形。这样对于判断材料各极限强度的关系提供了一个很好的条件。 图 3.2 为低碳钢 Q235 扭转实验扭矩 T 和扭转角 的关系曲线，图 3.3 为铸铁 HT200 图 3.2 低碳钢 Q235 扭转 T − 曲线 图 3. 3 铸铁 HT200 扭转 T − 曲线
试件的扭转实验扭矩T和扭转角的关系曲线。图3.4为低碳钢和铸铁扭转破坏断口形式MeMeMe低碳钢MeOmax铸铁图3.4低碳钢和铸铁扭转破坏断口形式由图3.2低碳钢扭转T-Φ曲线可以看出，低碳钢Q235的扭转T-Φ曲线类似于拉伸的F一△L曲线，有明显的弹性阶段、流动屈服阶段及强化阶段。在弹性阶段，根据扭矩平衡原理，由剪应力产生的合力矩需与外加扭矩相等，可得剪应力沿半径方向的分布t。为：T*pTp=Ip在弹性阶段剪应力的变化如图3.5所示图3.5低碳钢扭转试件弹性阶段应力分布变化在弹性阶段剪应力沿圆半径方向呈线性分布，据此可得T*rTT=WpIp当外缘剪应力增加到一定程度后，试件的边缘产生流动现象，试件承受的扭矩瞬间下降，应力重新分布至整个截面上的应力均匀一致，称之为屈服阶段，在屈服阶段剪应力的变化如
试件的扭转实验扭矩 T 和扭转角 的关系曲线。图 3.4 为低碳钢和铸铁扭转破坏断口形式 由图 3.2 低碳钢扭转 T − 曲线可以看出，低碳钢 Q235 的扭转 T − 曲线类似于拉 伸的 F − L 曲线，有明显的弹性阶段、流动屈服阶段及强化阶段。在弹性阶段，根据扭矩 平衡原理，由剪应力产生的合力矩需与外加扭矩相等，可得剪应力沿半径方向的分布 为： P I T * = 在弹性阶段剪应力的变化如图 3.5 所示 在弹性阶段剪应力沿圆半径方向呈线性分布，据此可得 P WP T I T r = = * max 当外缘剪应力增加到一定程度后，试件的边缘产生流动现象，试件承受的扭矩瞬间下降， 应力重新分布至整个截面上的应力均匀一致，称之为屈服阶段，在屈服阶段剪应力的变化如 图 3.5 低碳钢扭转试件弹性阶段应力分布变化 图 3.4 低碳钢和铸铁扭转破坏断口形式
图3.6所示称达到均匀一致时的剪应力为剪切屈服强度（T，），其对应的扭矩为屈服扭矩，习惯上将屈服段的最低点定义为屈服扭矩，同样根据扭矩平衡原理可得：3T,*p_3T,T,:41p4Wp图3.6低碳钢扭转试件屈服阶段应力分布变化应力均匀分布后，试件可承受更大的扭矩，试件整个截面上的应力均匀增加，直至试件剪切断裂，如图3.4所示，最大剪应力对应的扭矩为最大扭矩，定义最大剪应力为剪切强度。3T,Tb 4W,通过以上的分析可知：在低碳钢的扭转时，可以得到剪切强度极限，但由于不同材料的破坏形式并不一致，其剪切强度的计算公式并不相同，鉴于此，为方便不同材料力学特性的比较，国标《金属扭转实验方法》（GB/T10128-1988）规定，材料的扭转屈服点和抗扭强度按公式，=T,/Wp，T，=T,/W,计算。需要注意的是，国标定义的强度为抗扭强度而非剪切强度。由图3.2铸铁扭转T－Φ曲线可以看出，铸铁HT200的扭转T－$曲线类似于拉伸的F-△L曲线，没有屈服阶段及强化阶段。从图3.1纯剪应力状态及图3.4铸铁扭转破坏断口形式可以看出，铸铁试件是沿与轴线成45度螺旋面方向被拉伸破坏的，也就是说，在图3.1纯剪应力状态单元体中，拉应力首先达到拉伸强度值。其抗扭强度的计算同低碳钢试件，且此时抗扭强度等于最大扭矩时的最大剪应力（即边缘剪应力）。由以上分析可知：铸铁的扭转破坏是由于拉应力引起的拉伸破坏，通过扭转实验可间接测得铸铁试件的拉伸强度，但无法得到其剪切强度。4、实验方案4.1实验设备、测量工具及试件YDD-1型多功能材料力学试验机（图1.8）、150mm游标卡尺、标准低碳钢、铸铁扭转试件（图3.7)。YDD-1型多功能材料力学试验机由试验机主机和数据采集分析系统两部分组成，主机部分由加载机构及相应的传感器组成，数据采集部分完成数据的采集、分析等
图 3.6 所示 称达到均匀一致时的剪应力为剪切屈服强度（ s ），其对应的扭矩为屈服扭矩，习惯上 将屈服段的最低点定义为屈服扭矩，同样根据扭矩平衡原理可得： P s P s s W T I T 4 3 4 3 * = = 应力均匀分布后，试件可承受更大的扭矩，试件整个截面上的应力均匀增加，直至试件 剪切断裂，如图 3.4 所示，最大剪应力对应的扭矩为最大扭矩，定义最大剪应力为剪切强度。 P b b W T 4 3 = 通过以上的分析可知：在低碳钢的扭转时，可以得到剪切强度极限，但由于不同材料 的破坏形式并不一致，其剪切强度的计算公式并不相同，鉴于此，为方便不同材料力学特性 的比较，国标《金属扭转实验方法》（GB/T10128-1988）规定，材料的扭转屈服点和抗扭强 度按公式 s Ts WP τ = / ， b Tb WP τ = / 计算。需要注意的是，国标定义的强度为抗扭强度而非 剪切强度。 由图 3.2 铸铁扭转 T − 曲线可以看出，铸铁 HT200 的扭转 T − 曲线类似于拉伸的 F − L 曲线，没有屈服阶段及强化阶段。从图 3.1 纯剪应力状态及图 3.4 铸铁扭转破坏断 口形式可以看出，铸铁试件是沿与轴线成 45 度螺旋面方向被拉伸破坏的，也就是说，在图 3.1 纯剪应力状态单元体中，拉应力首先达到拉伸强度值。其抗扭强度的计算同低碳钢试件， 且此时抗扭强度等于最大扭矩时的最大剪应力（即边缘剪应力）。 由以上分析可知：铸铁的扭转破坏是由于拉应力引起的拉伸破坏，通过扭转实验可间接 测得铸铁试件的拉伸强度，但无法得到其剪切强度。 4、实验方案 4.1 实验设备、测量工具及试件 YDD-1 型多功能材料力学试验机（图 1.8）、150mm 游标卡尺、标准低碳钢、铸铁扭转试 件（图 3.7）。 YDD-1 型多功能材料力学试验机由试验机主机和数据采集分析系统两部分组成，主机部 分由加载机构及相应的传感器组成，数据采集部分完成数据的采集、分析等。 图 3.6 低碳钢扭转试件屈服阶段应力分布变化
试件采用两端为扁形标准扭转试件，按国标《金属扭转实验方法》（GB/T10128-1988）的规定制作，试件的两端与试验机的上、下扭转夹头相联接。为方便观测试件的变形，试验前需用游标卡尺测量出试件的最小直径（d。）。为方便观测试件的变形、观察实验现象实验前在试件上作一组如图3.7所示的矩形框标记。烟台新地图3.7常用扭转试件4.2装夹、加载方案安装好的试件如图3.8所示。试件两端为扁形，扭转试验时，试件的两端与试验机的上、下扭转夹头相联接，夹头中间有矩形加载槽。上夹头通过花键轴与扭矩传感器联接，花键轴在扭矩传感器中可上下滑动，以适合安装试件。下夹头通过双键与试验机的扭转轴相联接。扭转时，扭矩传感器固定不动，扭转电机带动下夹头转动，试件受到扭转。4.3数据测试方案扭矩通过上夹头-花键轴传至扭矩传感器，试件的转角通过安装在扭转轴上的光电编码器转化为电压方波信号，转轴每转过一个确定的角度，光电编码器就输出一个方波信号，这样，通过记录方波的数量就可以知道试件的转角，扭转时，数据采集系统每检测到一个方波就记录一次数据，并将方波数量代表1、3-扭转上下夹头，2-扭转试件，的转角作为X轴，扭矩作为Y轴显示数据，这样就4-左立柱，5-扭矩传感器得到了扭转试验的扭矩-转角曲线。图3.8扭转实验试件的装夹4.4数据的分析处理
试件采用两端为扁形标准扭转试件，按国标《金属扭转实验方法》（GB/T10128-1988） 的规定制作，试件的两端与试验机的上、下扭转夹头相联接。为方便观测试件的变形，试验 前需用游标卡尺测量出试件的最小直径（ 0 d ）。为方便观测试件的变形、观察实验现象实验 前在试件上作一组如图 3.7 所示的矩形框标记。 4.2 装夹、加载方案 安装好的试件如图 3.8 所示。试件两端为扁形， 扭转试验时，试件的两端与试验机的上、下扭转夹头 相联接，夹头中间有矩形加载槽。上夹头通过花键轴 与扭矩传感器联接，花键轴在扭矩传感器中可上下 滑动，以适合安装试件。下夹头通过双键与试验机的 扭转轴相联接。扭转时，扭矩传感器固定不动，扭转 电机带动下夹头转动，试件受到扭转。 4.3 数据测试方案 扭矩通过上夹头-花键轴传至扭矩传感器，试件 的转角通过安装在扭转轴上的光电编码器转化为电 压方波信号，转轴每转过一个确定的角度，光电编码 器就输出一个方波信号，这样，通过记录方波的数量 就可以知道试件的转角，扭转时，数据采集系统每检 测到一个方波就记录一次数据，并将方波数量代表 的转角作为 X 轴，扭矩作为 Y 轴显示数据，这样就 得到了扭转试验的扭矩-转角曲线。 4.4 数据的分析处理 图 3.7 常用扭转试件 1、3-扭转上下夹头， 2-扭转试件 ， 4-左立柱，5-扭矩传感器 图 3.8 扭转实验试件的装夹 图 2 扭转试件装夹 3-扭转上下夹头 2-扭转试件 4-左立柱 5-扭矩传感器
数据采集分析系统，实时记录试件所受的扭矩及转角，并生成扭矩、转角实时曲线。图3.9为实测低碳钢Q235扭转实测曲线，图3.10为实测铸铁HT200的扭转实测曲线。净大：13.9实测低碳钢扭转T-Φ曲线在图3.9低碳钢Q235扭转实验曲线中，横坐标-试件的转角，纵坐标-试件所受的扭矩，从扭矩-转角曲线可以清晰地区别低碳钢扭转实验的弹性阶段、屈服阶段，并可方便地读取屈服扭矩、极限扭矩。100.00U温度值图3.10实测铸铁扭转T-Φ曲线得到相关数据后，依据实验原理，就可以得到我们所需要的力学指标。5、完成实验预习报告在了解实验原理、实验方案及实验设备操作后，就应该完成实验预习报告。实验预习报告包括：明确相关概念、预估试件的最大载荷、明确操作步骤等，在完成预习报告时，有些条件实验指导书已给出（包括后续的实验操作步骤简介）、有些条件为已知条件、有些
数据采集分析系统，实时记录试件所受的扭矩及转角，并生成扭矩、转角实时曲线。图 3.9 为实测低碳钢 Q235 扭转实测曲线，图 3.10 为实测铸铁 HT200 的扭转实测曲线。 在图 3.9 低碳钢 Q235 扭转实验曲线中，横坐标-试件的转角，纵坐标-试件所受的扭矩， 从扭矩-转角曲线可以清晰地区别低碳钢扭转实验的弹性阶段、屈服阶段，并可方便地读取 屈服扭矩、极限扭矩。 得到相关数据后，依据实验原理，就可以得到我们所需要的力学指标。 5、完成实验预习报告 在了解实验原理、实验方案及实验设备操作后，就应该完成实验预习报告。实验预习 报告包括：明确相关概念、预估试件的最大载荷、明确操作步骤等，在完成预习报告时， 有些条件实验指导书已给出（包括后续的实验操作步骤简介）、有些条件为已知条件、有些 3.9 实测低碳钢扭转 T −φ 曲线 图 3.10 实测铸铁扭转 T −φ 曲线