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材料力学实验指导书机电工程学院二O一四年十二实验三金属材料扭转实验实验项目性质：验证性所涉及课程：材料力学计划学时：2学时【实验目的】1、测定低碳钢的屈服点（剪切屈服极限）τeL、抗扭强度（剪切强度极限）τm。2、测定铸铁的抗扭强度τm。3、观察、比较和分析上述两种典型材料在受到扭转载荷时的变形和破坏形式，并对试件断口进行分析。【实验设备】LCJ材料力学教学实验机，型号WDD-LCJ-150；游标卡尺；记号笔；低碳钢（Q235）、铸铁（HT）试件；【实验原理】低碳钢试件在发生扭转变形时，其T－φ曲线如图3所示，类似低碳钢拉伸实验，可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和断裂阶段，相应地有三个强度特征值：剪切比例极限τe、剪切屈服极限τeL和剪切强度极限τm。对应这三个强度特征值的扭矩依次为Te、TeL、Tm。T　O　　　　　?TmTeL?Te???φ?　图3 低碳钢扭转图在比例极限内，T与φ成线性关系，材料完全处于弹性状态，试件横截面上的剪应力沿半径线性分布。如图4(a)所示，随着T的增大，开始进入屈服阶段，横截面边缘处的剪应力首先到达剪切屈服极限，而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环塑性区，如图4(b)所示，但中心部分仍然是弹性的，所以T仍可增加，T－φ的关系成为曲线。直到整个截面几乎都是塑性区，如图4(c)所示。ττmτeL????? (a) (b) (c)图4低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图在T－φ出现屈服平台，示力度盘的指针基本不动或有轻微回摆，由此可读出屈服扭矩TeL，低碳钢扭转的剪切屈服极限值可由下式求出：式中为试件的抗扭截面系数。　　屈服阶段过后，进入强化阶段，材料的强化使扭矩又有缓慢的上升，但变形非常明显，试件的纵向画线变成螺旋线，直至扭矩到达极限扭矩值Tm进入断裂阶段，试件被剪断，由示力度盘的从动针可读出，则低碳钢扭转的剪切强度极限τm可同下式求出：2．铸铁扭转实验：铸铁在扭转实验时，变形很小就突然断裂，其T－φ曲线如图2－10所示。T　Oφ??Tm????图4 铸铁扭转图从开始受扭，直到破坏，近似为一直线。没有屈服阶段和强化阶段，唯一的强度特征值是剪切强度极限τm可按线弹性公式计算求出，即：　　3．试件的破坏现象分析：试件受扭，材料处于纯剪切应力状态，在试件的横截面上作用有剪应力，同时在与轴线成±45°的斜截面上，会出现与剪应力等值的主拉应力和主压应力，如图2－11(a)所示。?τ45°45°σ2σ1????(a) (b) (c)图5 纯剪应力状态与扭转断口示意图低碳钢的抗剪能力比抗拉和抗压能力差，试件将会从最外层开始，沿横截面发生剪断破坏，如图5(b)所示，而铸铁的抗拉能力比抗剪和抗压能力差，则试件将会在与杆轴成45°的螺旋面上发生拉断破坏，如图5(c)所示。【实验步骤及内容】1、试样准备①量取试件标距：采用标准圆截面拉伸试样（长试件或短试件），试样的形状及尺寸见图（1）。取，=10mm,=100mm。首先用细砂布打磨光亮低碳钢试样表面，然后在试样的等值段内量取100mm，确定原始标距长度的两端点，用划线机（或铁钻子）轻轻打上印记，用粉笔（或金属笔）画一至两条纵向线。②量取试样直径：应用游标卡尺在标距长度的中央和两端的截面处，按两个垂直的方向测量直径，取其算术平均值，选用三处截面中最小值为值，并立即记入实验报告。2、准备数据采集系统①启动微机。②启动“材料力学实验”软件。3．试样安装①安装扭转夹头。②安装扭转试样：将准备好的标准扭转试样，装入两夹头之间。方法是：首先将试样长度与实验机两夹头间距离比较一下，然后，点击程序操作板上的“允许加载”，点击集中力加载下的“上升”或“下降”按钮，使动力加载梁上下移动，直到两夹头距离适合装入试样。点击“扭转夹头复位”按钮，等待扭转上夹头转到零点位置，再将试样装入。图7 扭转试验加载图4．设置扭转实验参数：按程序的实验步骤进行试验（具体操作参见程序中的提示）。5．试件加载①按下软件中操作板上的扭矩力“加载”按钮，加载开始。②低碳钢这类塑性材料试件，调速一般在50~200即可；铸铁类脆性材料的试件调速应慢些，以4-50为宜。6、数据采集过程①一边观察实验机上试样标距范围内沿轴向变形的情况，一边注意显示器显示的实验曲线的变化情况。②低碳钢试样扭断需时较长，铸铁试样扭断需时较短，试件断裂后程序设置有自动停机，如若自动停机没有抓到，只需尽快点击扭矩力下的“停机”按钮即可停机。③停机后，存储XY曲线数据，存储实时数据。④取下断裂试样：a. 观察试样的断口形状；b. 对上茬口后，观察并测量标距及直径的尺寸变化。⑤填写实验