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τm
2．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υ，试验机可自动绘出Mn-υ曲线图。
对于低碳钢材料Mn-υ曲线有两种类型，如图3-1所示。
M
MMm
M
M
图3-1 低碳钢M-υ曲线
(a) (b) (c)
图3-2 低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图 m
低碳钢试件在受扭的最初阶段，扭矩Mn与扭转角υ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s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-υ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，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
eL3MeL3Mm, m （3-1） 4Wp4Wp
式中Wp
16d3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 bWb （3-2） Wp
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。
Mn
M
m
图3-3 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（GB10128-88《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。
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： eLMeLM, mm （3-3） WpWp
铸铁的强度计算 mMm3d （3-4） Wp16Wp
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WP。
（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。 及转角（
五、实验结果的处理
（1）计算低碳钢扭转屈服极限
（2）计算低碳钢扭转强度极限
（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N²m，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。
3．
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τm
2．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υ，试验机可自动绘出Mn-υ曲线图。
对于低碳钢材料Mn-υ曲线有两种类型，如图3-1所示。
M
MMm
M
M
图3-1 低碳钢M-υ曲线
(a) (b) (c)
图3-2 低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图 m
低碳钢试件在受扭的最初阶段，扭矩Mn与扭转角υ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s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-υ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，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
eL3MeL3Mm, m （3-1） 4Wp4Wp
式中Wp
16d3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 bWb （3-2） Wp
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。
Mn
M
m
图3-3 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（GB10128-88《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。
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： eLMeLM, mm （3-3） WpWp
铸铁的强度计算 mMm3d （3-4） Wp16Wp
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WP。
（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。 及转角（
五、实验结果的处理
（1）计算低碳钢扭转屈服极限
（2）计算低碳钢扭转强度极限
（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N²m，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。
3．