材料力学金属扭转实验报告
【实验目的】
1、验证扭转变形公式，测定低碳钢的切变模量 G。；测定低碳钢和铸铁的剪切强度极限b 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。
【实验仪器】
仪器名称
数量
参数
游标卡尺 1 0-150mm，精度 CTT502 微机控制电液伺服扭转试验机 1 最大扭矩 500N·m，最大功率 低碳钢、铸铁 各 1 标准
【实验原理和方法】
1 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，当达到某一值时，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esM ，低碳钢的扭转屈服应力为 pess43WM
式中：
16 /3pd W 为试样在标距内的抗扭截面系数。
在测出屈服扭矩sT 后，改用电动快速加载，直到试样被扭断为止。这时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ebM ，低碳钢的抗扭强度为 pebb43WM
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 eM 图如图1-3-2 所示。当达到图中 A 点时，eM 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s ，如能测得此时相应的外力偶矩epM ，如图 1-3-3a 所示，则扭转屈服应力为 pepsWM
经过 A 点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图 1-3-3b 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 1-7c 所示的情况，对应的扭矩sT 为 OM eABCM epM esM eb 图 1-3-2
低碳钢的扭转图 sT
sT
sT （a）
pT T
（b）s pT T T
（c）sT T
图 1-3-3
低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布
s p s3d/2
0
2sd/2
0
s s3412d 2 d 2 WdT 由于es sM T ，因此，由上式可以得到 pess43WM 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， A 点的位置不易精确判定，而 B 点的位置则较为明显。因此，一般均根据由 B 点测定的esM 来求扭转
切应力s 。当然这种计算方法也有缺陷，只有当实际的应力分布与图 1-7c 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 1-6 可以看出，当外力偶矩超过esM 后，扭转角 增加很快，而外力偶矩eM 增加很小， BC 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s 大。根据测定的试样在断裂时的外力偶矩ebM ，可求得抗扭强度为 pebb43WM
2 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ebM （方法同 2），抗扭强度为 pebbWM
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45 角，表明破坏是由拉应力引起的。
【 实验步骤 】
一、低碳钢
1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径 d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。
2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。
3、装夹试件：
（1）先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另一个定位环夹套在试件的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试件标距要求，将试件搁放在相应的 V 形块上，使两卡盘与 V 形块的两端贴紧，保证卡盘与试件垂直，以确保标距准确。将卡盘上的螺钉拧紧。
（2）先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显的偏差，请按下“正转”或“反转”按键进行微调。将已安装卡盘的试件的一端放入从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试件夹紧。按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。推动移动支座移动，使试件的头部进入主动夹头的钳口间。先按下“试件保护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试件夹紧。
（3）将扭角测量装置的转动臂的距离调好，转动转动臂，使测量辊压在卡盘上。
4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运行”键，开始试验。
5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。
6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的碎屑，关断电源。
二、铸铁
1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径 d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线，以便观察扭转变形。
2、试验机准备：按试验机→计算机→打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。
3、装夹试件：启动扭转试验机并预热后,将试件一端固定于机器,按"对正"按钮使两夹头对正后,推动移动支座使试件头部进入钳口间. 4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运行”键，开始试验。
5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。
6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的碎屑，关断电源。
【实验数据与数据处理】
一.低碳钢扭转
1.低碳钢直径 D 测量
第一次测量
第二次测量
平均值
上部
中部
下部
2.低碳钢定位环间距 L 测量
第一次测量
第二次测量
平均值
L
注：第二次实验修正标距为 100
3.线性阶段相关数据
当处于线性阶时,有
扭矩 M(N·m) 扭角ψ(°) 相对扭角ψ 0 (°)
二.铸铁扭转
1.铸铁直径 d 测量
第一次测量
第二次测量
平均值
上部
中部
下部
【实验结果分析】
一、低碳钢数据处理
1 1 、验证线性阶段的数据是否为一条直线，以验证比例极限内的扭转角公式
根据 Original Data, 运用 b matlab 拟合实验数据
则 选取数据如下表
数据
LoadV
PosV
LoadV
PosV
用 用 b matlab 绘制的图如下
满足线性关系
二、计算 低碳钢 模量 G G