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实验编号3 低碳钢和铸铁扭转实验

低碳钢和铸铁扭转破坏试验
一、 概述
工程中有许多承受扭转变形的构件，了解材料在扭转变形时的力学性能，对于构件的合理设计和选材是十分重要的。材料在扭转变形下的力学性能只能通过试验来测定；扭转变形是构件的基本变形之一。因此扭转试验也是材料力学基本实验之一。
二、 实验目的
1、测定低碳钢的剪切屈服极限τs，及低碳钢铸铁的剪切强度极限τb
2、铸铁的抗扭强度极限τb
3、观察、比较分析两种材料在扭转过程中变形和破坏形式。
4、学习自动绘制T－φ曲线及微机控制电子扭转实验机、扭角仪的操作

三、 实验设备和仪器
1、 微机控制电子扭转实验机
2、 游标卡尺
3、 低碳钢和铸铁圆形扭转试件
四、试 件
扭转试验所用试件与拉伸试件的标准相同，一般使用圆形试件，d0=10mm，标距l0=50mm或100mm,平行长度l为70mm或120mm。其它直径的试样，其平行长度为标距长度加上两倍直径。为防止打滑，扭转试样的夹持段宜为类矩形，如图3-1所示。
图3-1

五、 实验原理
扭转试验是材料力学试验最基本、最典型的试验之一。进行扭转试验时，把试件两夹持端分别安装于扭转试验机的固定夹头和活动夹头中，开启试验机，试件便受到了扭转荷载，试件本身也随之产生扭转变形。扭转试验机上可以直接读出扭矩M和扭转角φ，同时试验机也自动绘出了M—φ曲线图，一般φ是试验机两夹头之间的相对扭转角。扭转试验的标准是GB/T10128-1988。
因材料本身的差异，低碳钢扭转曲线有两种类型，如图3-2所示。扭转曲线表现为弹性、屈服和强化三个阶段，与低碳钢的拉伸曲线不尽相同，它的屈服过程是由表面逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区。当横截面的应力全部屈服后，试件才会全面进入塑性。在屈服阶段，扭矩基本不动或呈下降趋势的轻微波动，而扭转变形继续增加。当首次扭转角增加而扭矩不增加（或保持恒定）时的扭矩为屈服扭矩，记为Ms；首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩，记为Msu；屈服阶段中最小的扭矩为下屈服扭矩，记为MsL（不加说明时指下屈服扭矩）。对试件连续施加扭矩直至扭断，从试验机扭矩标识上读得最大值。考虑到整体屈服后塑性变形对应力分布的影响，低碳钢扭转屈服点和抗扭强度理论上应按下式计算。
τs=Ms/Wρ τb=Mb/Wρ
图3-2低碳钢 图3-3铸铁
铸铁试件扭转时，其扭转曲线不同于拉伸曲线，它有比较明显的非线性偏离，见图（3-3）。但由于变形很小就突然断裂，一般仍按弹性公式计算铸铁的抗扭强度，即
τb=Mb/Wρ
圆形试件受扭时，横截面上的应力应变分布如图3-4b、c所示。在试件表面任一点，横截面上有最大切应力τ，在与轴线成±45的截面上存在主应力σ1=τ，σ3=-τ（见图3-4a）。低碳钢的抗剪能力弱于抗拉能力，试件沿横截面被剪断。铸铁的抗拉能力弱于抗剪能力，试件沿与σ1正交的方向被拉断。

图3-4
六、 实验步骤
1． 开机：试验机——>打印机——>计算机
注意：每次开机后，最好要预热10分钟，待系统稳定后，再进行试验工作。若刚刚关机，需要再开机，至少保证1分钟的时间间隔。
2． 双击电脑桌面图标，进入试验软件，选择好联机的用户名和密码 选择对应的传感器及扭角仪后击 。
3． 根据试样情况准备好夹具，若夹具已安装到试验机上，则对夹具进行检查,并根据试样的长度及夹具的间距设置好限位装置。
4． 点击里的新试验，选择相应的试验方案，输入试样的原始用户参数如尺寸等。测量试样的尺寸方法为：用游标卡尺在试样标距两端和中间三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直方向各测量一次，取其平均值。用三个平均值中最小者计算Wρ
5． 划线：在试件的两端和中间用彩色粉笔画三个圆周线，并沿试件表面划一母线，以便观察低碳钢扭转时的变形情况（铸铁变形较小不用画此线）。
6． 装夹试样
7． 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“正传”或“反转”按键进行微调。
8． 将已安装卡盘的试样的一端放入从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试样夹紧。
9． 按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。
10． 推动移动支座移动，使试样的头部进入主动夹头的钳口间。
11． 先按下“试样保护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试样夹紧。
12． 按“扭转角清零”按键，（点击扭角窗口的按钮）使计算机显示屏上的扭转角显示值为零。
13． 将测量辊放在卡盘上。
14． 点击，开始自动试验，软件自动切换到试验界面。
15． 观察试验过程
16． 试验结束，在试验结果栏中，程序将自动计算出结果显示在其
中。如果想清楚的观看结果，可双击试验结果区，试验结果区将放大到半屏，方便观看结果数据，再次双击，试验结果区大小复原。如果想分析曲线，双击曲线区，曲线区将放大到半屏，方便分析曲线，再次双击，曲线区大小复原。
17、 实验完成后，点击,打印试验报告。
18、 关闭试验窗口及软件；
关机：试验软件——>试验机——>打印机——>计算机。

七、结果整理
1、计算低碳钢的剪切屈服极限 τs=
强度极限 τb=
2、铸铁的强度极限 τb=
式中Wρ= d3是试件的抗扭截面模量。
八、预习要求：
1、复习课程中的扭转理论。
2、阅读扭转实验指导书。
九、思考题
1、低碳钢拉伸和扭转的断裂方式是否一样？破坏原因是否一样？
2、铸铁在压缩破坏和扭转破坏试验中，断口外缘与轴线夹角是否相同？破坏原因是否相同？
3、分析低碳钢拉伸曲线与扭转曲线的相似处和异同点？