5.2扭转 一.实验目的 1.掌握典型塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的扭转性能： 2.绘制扭矩一扭角图： 3.观察和分析上述两种材料在扭转过程中的各种力学现象，并比较它们性质的差异： 4.了解扭转材料试验机的构造和工作原理，掌握其使用方法。 二.实验仪器、设备及试件 扭转材料试验机，游标卡尺等。 圆截面扭转试件的结构形状如图5.2-1所示。 夹持部分过波段 图5.2-1圆截面扭转试件的结构 试件分为夹持部分、过渡段和待测部分。标距(1。)是待测部分的主体，其截面积为S。按国 家标准GB10128-88的规定，选用合适的尺寸。 三.实验原理 由材料力学可知，圆柱扭转时横截面上任一点的剪应力和单位扭转角分别为： 。s4p (5.2-1a) Jn 0=do=M (5.2-1b) dx GJ 最大剪应力产生在试件的外表面，表达式为： MR M (5.2-2) JW 式中，M一扭矩，Jm一极惯性距，W一抗扭截面摸量。 圆柱扭转时，其表面上任意一点都处于平面应力状态（图52-2）。沿任意斜截面上的正应力和 剪应力为：oa=-2 r sina cosa=-tsin2a,ta=tcos2a-tsin2au=tcos2a。当 a=45时，045=-T=0 max;a=135时，0135=t=0mx。 各种材料抵抗剪切的能力不同，因此不同材料的扭转破坏方式也不相同。低碳钢圆试件扭转到 破坏时，因已超过屈服阶段，如作为理想塑性考虑（图52-3），横截面上的剪应力的分布趋于均匀 如图52-4所示。假设应力均达到了破坏应力（强度极限），则这时截面上应力tx与破坏时扭矩 Mnms的关系为： So
89 5.2 扭转 一．实验目的 1．掌握典型塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的扭转性能； 2．绘制扭矩一扭角图； 3．观察和分析上述两种材料在扭转过程中的各种力学现象，并比较它们性质的差异； 4．了解扭转材料试验机的构造和工作原理，掌握其使用方法。 二．实验仪器、设备及试件 扭转材料试验机，游标卡尺等。 圆截面扭转试件的结构形状如图 5.2-1 所示。 试件分为夹持部分、过渡段和待测部分。标距（ 0 l ）是待测部分的主体，其截面积为 S0。按国 家标准 GB10128-88 的规定，选用合适的尺寸。 三．实验原理 由材料力学可知，圆柱扭转时横截面上任一点的剪应力和单位扭转角分别为： n n J M （5.2-1a） n n d M dx GJ （5.2-1b） 最大剪应力产生在试件的外表面，表达式为： max n n n n M R M J W （5.2-2） 式中，Mn—扭矩，Jn—极惯性距，Wn—抗扭截面摸量。 圆柱扭转时，其表面上任意一点都处于平面应力状态（图 5.2-2）。沿任意斜截面上的正应力和 剪 应 力 为 ： 2 2 2 sin cos sin 2 , cos sin cos 2 。 当 =45 ; =135 45 max 135 max 时， 时， 。 各种材料抵抗剪切的能力不同，因此不同材料的扭转破坏方式也不相同。低碳钢圆试件扭转到 破坏时，因已超过屈服阶段，如作为理想塑性考虑（图 5.2-3），横截面上的剪应力的分布趋于均匀 如图 5.2-4 所示。假设应力均达到了破坏应力（强度极限），则这时截面上应力 max 与破坏时扭矩 M nmax 的关系为： l0 d 过渡段 夹持部分 图 5.2-1 圆截面扭转试件的结构
MpdA=2xpdp 03 Mn (a) 图5.2-2 M Mnmax R 所以 中 图5.2-3 图5.2-4 3 Mnmax tons=4 W (5.2-3) 上式可用于计算塑性材料的剪切强度极限。对于铸铁等脆性材料在扭转至破坏时其变形也较小， 无屈服现象，故仍可用破坏时的扭矩Mnmx代入tx式得剪切强度极限为： tmsWn (5.2-4) 四.实验方法与步骤 1.低碳钢扭转实验 采用SANS CTT系列扭转试验机操作步骤如下： ()打开主机电源：启动计算机：预热： (②)打开实验软件，选取相应程序： (3)按照实验目的，确定实验方案、输入实验各种参数、试件参数等： (4)安装试件： 1)按试验机操作按键板上的“对正”，使两端夹头对正：如发现有明显偏差，按下“正转”或 “反转”进行微调： 2)将试件先安装在从动夹头中，对称夹紧试件：点击“扭矩清零”： 3)推动“移动座”，使试件的另一端进入主动夹头中： 4)按试验机操作按键板上的“试件保护”，对称夹紧试件： (⑤)点击“扭转角清零”，监视器屏幕上扭转角显示值为0： (6)点击“运行”，实验开始： (7)实验结束后，松开夹头，取下试件。对于同批次试件可重复上述过程。 (8)保存实验结果，退出程序： (9)关闭主机电源，关闭计算机，清理工作台。 90
90 所以 max max 3 4 n n M W （5.2-3） 上式可用于计算塑性材料的剪切强度极限。对于铸铁等脆性材料在扭转至破坏时其变形也较小， 无屈服现象，故仍可用破坏时的扭矩M nmax 代入 max 式得剪切强度极限为： max max n n M W （5.2-4） 四．实验方法与步骤 1．低碳钢扭转实验 采用 SANS CTT 系列扭转试验机操作步骤如下： ⑴ 打开主机电源；启动计算机；预热； ⑵ 打开实验软件，选取相应程序； ⑶ 按照实验目的，确定实验方案、输入实验各种参数、试件参数等； ⑷ 安装试件； 1）按试验机操作按键板上的“对正”，使两端夹头对正；如发现有明显偏差，按下“正转”或 “反转”进行微调； 2）将试件先安装在从动夹头中，对称夹紧试件；点击“扭矩清零”； 3）推动“移动座”，使试件的另一端进入主动夹头中； 4）按试验机操作按键板上的“试件保护”，对称夹紧试件； ⑸ 点击“扭转角清零”，监视器屏幕上扭转角显示值为 0； ⑹ 点击“运行”，实验开始； ⑺ 实验结束后，松开夹头，取下试件。对于同批次试件可重复上述过程。 ⑻ 保存实验结果，退出程序； ⑼ 关闭主机电源，关闭计算机，清理工作台。 M dA d R A n 2 0 max max max 2 图 5.2-2 σα α τ τ τα t n x (a) (b) 0 φ Mn Mnmax 图 5.2-3 图 5.2-4
2.铸铁扭断实验 步骤与低碳钢扭转实验相同，只是在确定实验方案时要注意需要设定的参数不同。 3.切变模量的测定 (1)安装扭角测量装置 1)先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，拧紧螺钉： 2)再将另一个定位环夹套在试件的另一端，装上另一个卡盘：将装好两个卡盘的试件搁放在V 型块上；根据标距的大小，调节两个卡盘间的距离，同时保证卡盘与试件垂直，拧紧卡盘上的螺钉： 3)将装好卡盘的试件安装在从、主动夹头中： 4)按试验机操作按键板上的“试件保护”，对称夹紧试件： 5)调节两个转动臂的距离，使转动臂辊压在卡盘的外圆柱面上。 (2)打开实验软件，选取相应程序： (3)按照实验目的，确定实验方案、输入实验各种参数、试件参数等： (4)点击“扭转角清零”，监视器屏幕上扭转角显示值为0： (⑤)点击“运行”，实验开始： (6)实验结束后，松开夹头，取下试件。对于同批次试件可重复上述过程。 (⑦)保存实验结果，退出程序： (8)关闭主机电源，关闭计算机，清理工作台。 五.实验报告要求 实验报告应包括：实验名称。实验目的。仪器设备名称、规格、量程。实验记录及相应的计算 结果，如低碳钢及铸铁扭转时的机械性能图（用坐标纸绘制），两种试件破坏时的断口状态图等。分 析讨论低碳钢和铸铁破坏情况及原因，并与拉伸、压缩实验情况进行比较。 9
91 2．铸铁扭断实验 步骤与低碳钢扭转实验相同，只是在确定实验方案时要注意需要设定的参数不同。 3．切变模量的测定 ⑴ 安装扭角测量装置 1）先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，拧紧螺钉； 2）再将另一个定位环夹套在试件的另一端，装上另一个卡盘；将装好两个卡盘的试件搁放在 V 型块上；根据标距的大小，调节两个卡盘间的距离，同时保证卡盘与试件垂直，拧紧卡盘上的螺钉； 3）将装好卡盘的试件安装在从、主动夹头中； 4）按试验机操作按键板上的“试件保护”，对称夹紧试件； 5）调节两个转动臂的距离，使转动臂辊压在卡盘的外圆柱面上。 ⑵ 打开实验软件，选取相应程序； ⑶ 按照实验目的，确定实验方案、输入实验各种参数、试件参数等； ⑷ 点击“扭转角清零”，监视器屏幕上扭转角显示值为 0； ⑸ 点击“运行”，实验开始； ⑹ 实验结束后，松开夹头，取下试件。对于同批次试件可重复上述过程。 ⑺ 保存实验结果，退出程序； ⑻ 关闭主机电源，关闭计算机，清理工作台。 五．实验报告要求 实验报告应包括：实验名称。实验目的。仪器设备名称、规格、量程。实验记录及相应的计算 结果，如低碳钢及铸铁扭转时的机械性能图（用坐标纸绘制），两种试件破坏时的断口状态图等。分 析讨论低碳钢和铸铁破坏情况及原因，并与拉伸、压缩实验情况进行比较