实验三_低碳钢、铸铁扭转试验

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1、实验三低碳钢、铸铁扭转试验一、实验目的1．测定铸铁的扭转强度极限τm2．测定低碳钢材料的扭转屈服极限τeL及扭转条件强度极限τm。3．观察比较两种材料的扭转变形过程中的各种现象及其破坏形式，并对试件断口进行分析。二、实验原理扭转破坏试验是材料力学实验最基本最典型的实验之一。将试件两端夹持在扭转试验机夹头中。试验时，一个夹头固定不动，另一夹头绕轴转动，从而使试件产生扭转变形，同时，试件承受了扭矩Mn。从试验机可读得相应的扭矩Mn和扭转角φ，试验机可自动绘出Mn-φ曲线图。对于低碳钢材料Mn-φ曲线有两种类型，如图3-1所示。MeLMnMnMmM

2、mMeL0φ0φ图3-1低碳钢M-φ曲线ττeLτm(a)(b)(c)图3-2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Mn与扭转角φ成正比关系，横截面上剪应力沿半径线性分布如图3-2a所示。随着扭矩Mn的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区见图3-2b。但中心部分仍是弹性的。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3-2C所示。在M-φ曲线上出现屈服平台见图3-1。试验机指针基本不动此时对应的扭矩即为屈服扭矩MeL。随后，材料进入强化阶段，

3、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，扭转曲线一直上升而无下降情况，试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Mm。扭转屈服极限τm按下式计算，即（3-1）32式中为试件抗扭截面模量。铸铁受扭时，在很小的变形下发生破坏。图3-3为铸铁材料的扭转图。从扭转开始直到破坏为止，扭矩Mn与扭转角近似成正比关系，且变形很小。试件破坏时的扭矩即为最大扭矩Mm，可据下式计算出扭转强度极限τm，即（3-2）试件受扭，材料处于纯剪应力状态如图3-4所示。在与杆轴成±45°角的螺旋面上，分别受到主应为σ1=τ，σ3=-τ的作用。MnMm0　φ图3-

4、3铸铁扭转图图3-4纯剪应力状态根据试件扭转破坏断口形式如图3-5所示。低碳钢圆形试件的破坏断面与曲线垂直见图3-5a，显然是沿最大剪应力的作用面发生断裂，为剪应力作用而剪断。故低碳钢材料的抗剪能力低于抗拉（压）能力；铸铁圆形试件破坏断面与轴线成45°螺旋面见图3-5b，破坏断口垂直于最大拉应σ1方向，断面呈晶粒状，这是正应力作用下形成脆性断口，故铸铁材料是当最大拉应力首先达到其抗拉强度极限时，在该截面发生拉断破坏。(a)低碳钢：剪断(b)铸铁：拉断图3-5扭转断口示意图三、实验设备扭转试验机；刻度机；游标卡尺四、试样制备根据国家标准（GB1

5、0128-88《金属室温扭转试验方法》规定，扭转试件可采用圆形截面，也可采用薄壁管，并且推荐，对于圆形截面试件，采用直径d0=10mm，标距L0=50mm或100mm，平行段长度L=L0+2d0。本试验采用圆形截面试件。32五、实验结果整理1．将试验数据以表格形式给出2．低碳钢的屈服极限τeL及扭转条件强度极限τm按下式计算：（3-3）铸铁的强度计算（3-4）绘制低碳钢、铸铁试件的扭转图及断口示意图，并分析破坏原因。四、试验步骤（1）测量试件直径。量取三个截面，每个截面测量两个互相垂直的方向取平均值。用三处截面中平均值最小者计算抗扭截面模量W

6、P。（2）试验机准备。根据试件尺寸，估计所需最大扭矩，选择适当的扭矩量程。（3）安装试件（注意试件的纵轴线与试验机夹头的轴线重合），用粉笔在试件表面上画一条纵直线，以便观察试件的变形。（4）扭矩、扭转角初值调零。（5）开机试验。对于低碳钢试样，首先缓慢均匀加载，直到测出屈服扭矩和屈服扭转角，然后改用快速加载直至破坏。对于铸铁试样，由于其变形较小，必须缓慢均匀加载直至破坏。试样破坏后立即停机，读出最大扭矩及转角（应为破坏瞬时的角度）。（6）取下试件，观察断口形状及塑性变形情况。（7）实验完毕，试验机复原，关闭电源。五、实验结果的处理　　（1）计

7、算低碳钢扭转屈服极限　　　（2）计算低碳钢扭转强度极限　32　　（3）计算铸铁扭转强度极限　　　　式中为抗扭截面模量，单位为mm3；扭矩单位为N·m，应力单位为MPa。　　（4）绘出两种材料扭转破坏的断口形状图。说明其特征并分析破坏原因。1．32