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圆轴扭转实验 一、实验目的 1．测定碳钢的切变屈服点（剪切屈服极限）τs或下屈服点τST、抗扭强度（剪切强度极限）τb。 2．测定铸铁的抗扭强度τb。 3．观察、比较和分析上述两种典型材料受扭转时的变形和破坏等现象。 二、实验设备 1．扭转试验机； 2．游标卡尺。 三、试样制备 根据GB10128-88《金属室温扭转试验方法》中的规定，金属扭转试验所用试样为圆形截面，推荐采用直径为10mm，标距L0分别为50mm和100mm，平行长度Lc分别为70mm和120mm的试样。其头部形状和尺寸应按试验机夹头要求制备。如采用其他直径的试样，其平行长度应为标距加上两倍直径。扭转试样的形状和尺寸以及加工精度见图1-19。 图1-19 圆形截面扭转试样 四、实验原理 圆轴承受扭转时，材料处于纯剪应力状态。因此常用扭转试验来研究不同材料在纯剪作用下的力学性质，这对于工程中的构件的合理设计和选材是十分重要的。 1．低碳钢试样的扭转试验全过程，由试验机自动绘图器绘出其扭矩T和扭转角?的关系曲线，如图1-20所示。 由该图知，在弹性变形OA直线段，试样横截面上的扭矩与扭转角成正比关系，其上的剪应力亦呈线性分布，即截面最外缘的剪应力最大，中心的剪应力几乎为零，如图1-21（a）所示，在这个阶段材料服从切变虎克定律，并可测定切变模量G。AB段为曲线部分。它表明这阶段扭矩和扭转角不再成正比关系，横截面上剪应力的分布也不再是线性的，最外缘的剪应力首先达到剪切屈服极限，塑性区由外向里扩展，而形成环状塑性区和截面中部未屈服的弹性区，如图1-21（b）所示。随着试样继续扭转变形，塑性区不断向圆心扩展，T-?曲线稍微上升，直至B点趋于平坦，这时塑性区几乎占据了全部截面，剪应力趋于均匀分布如图1-21（c）所示。扭矩度盘上的指针几乎不动，此时与之对应的扭矩为屈服扭矩Ts如图1-20（a）；另一种情况，屈服阶段为锯齿状曲线。度盘指针首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩Tsu，屈服阶段中最小扭矩为下屈服扭矩TSL，如图1-20（b）本次试验测定屈服扭矩或下屈服扭矩。根据测定的屈服扭矩或下屈服扭矩按弹性扭转公式计算剪应力，即屈服点或下屈服点为：τs = Ts/WT或τSL = TSL/WT，其中WT为抗扭截面模量。 试样再继续变形，材料进一步强化，到达T-?曲线上的C点，试件发生断裂。由扭矩度盘上的随动指针读出试样扭断前所承受的最大扭矩Tb，按弹性扭转公式计算抗扭强度τb = Tb/WT。 若要测定真实规定非比例扭转应力τtp与真实抗扭强度τtb按刘德维克-卡曼公式计算。具体方法见GB10128-88标准中的规定。 图1-20 低碳钢的T-?曲线图 （a）TnTp的剪应力分布（b）TsTnTp时的剪应力分布（c）Tn=Ts时的剪应力分布 图1-21 低碳钢圆轴在不同扭矩下剪应力分布图 2．铸铁试样扭转试验时，其扭矩T和扭转角?关系如图1-22所示。从该图可以看出，试样从开始受扭直至破坏，近似为一斜直线，即无屈服现象，扭转角很小，破坏是突然发生的，破坏处在与试样轴线约成45°角的螺旋面上。其最大扭矩为Tb，按弹性扭转公式计算抗扭强度τb = Tb/WT。 上述扭转试验要求在室温10－35℃条件下进行。 3．试样受扭时，材料处于纯剪应力状态如图1-23所示。在与试样轴线成45°角的螺旋面上分别有主应力σ1=τ和σ2=－τ的作用，由于低碳钢的抗扭强度小于抗拉强度，所以沿其横截面被剪断，断口平齐。而铸铁的抗拉强度小于抗扭强度，故沿其45°方向被拉断，断口成一螺旋面。如图1-24所示。 图1-22 铸铁的T-?图 图1-23 纯剪应力状态 图1-24 受扭试样断口 五、试验步骤 1．测量试样直径。在标距两端及其中间处两个相互垂直方向上各测一次直径，并取其算术平均值，取三处测得直径的算术平均值中的最小值计算试样截面模量WT。 2．估计试样的最终扭矩Tp，选择合适的扭矩度盘，调整扭矩度盘指针对零点，装好绘图纸并选择扭转速度：屈服前应在（6°－30°）/min范围内，屈服后不大于360°/min，速度的改变应无冲击。 3．安装试样，用粉笔在试样表面划一条平行于试样轴线的直线，以便观察受扭时的变形。 4．进行试验，观察试样在扭转过程中的各种现象。并记下试样扭转屈服时的扭矩Ts和破坏时的最大扭矩Tb，直至试样断裂。 5．取下试样。观察比较断口，分析破坏原因。 6．将试验机复原，结束试验。 六、试验结果整理 1．根据测定碳钢和铸铁的扭矩，按弹性扭转公式计算切应力，并将试验结果填入表。 碳钢切变强度指标： τs = Ts/W或τSL = TSL/WT，