实验四 低碳钢和铸铁的扭转实验
一、实验目的
（1）测定低碳钢的剪切屈服极限τs，低碳钢和铸铁的剪切强度极限τb。
（2）观察低碳钢和铸铁扭转时的破坏过程，分析它们在不同受力时力学性能的差异。 （3）了解扭转试验机的操作规程。
二、实验设备
（1）NJ—50B型扭转试验机。 （2）游标卡尺。
三、实验原理及方法
工程中经常遇到承受扭转作用的构件，特别是很多传动零件都在扭转条件下工作。测定
扭转条件下的力学性能，对零件等受扭的构件在设计计算和选材方面有重要的实际意义。
圆柱形试件在纯扭转时，试件表面应力状态如图4.1所示，其最大剪应力和正应力绝对
值相等，夹角成45°，因此扭转实验可以明显地区分材料的断裂方式—拉断或剪断。如果材料的抗剪强度低于抗拉强度，破坏形式为剪断，断口应与其轴线垂直；如果材料的抗拉强度小于抗剪强度，破坏原因为拉应力，破坏面应是沿45°的方向。
MM 图 4.1 圆轴扭转时的表面应力
材料的扭转过程可用 M??曲线来描述。M为施加扭矩，?为试样的相对扭转角。图
4.2为两种典型材料（低碳钢和铸铁）的扭转曲线。低碳钢扭转曲线的直线部分为弹性阶段,此时截面上的剪应力为线性分布，最大剪应力发生在横截面周边处，圆心处剪应力为零，如图4.3（a）所示。低碳钢扭转时有明显的屈服阶段，但与拉伸实验相比，它的屈服过程是由表面至圆心逐渐进行的，如图4.3（b）所示。当横截面全部屈服后，试样才全面进入塑性，
扭转曲线图上出现屈服平台，扭矩度盘上的指针几乎不再转动，甚至有微小的倒退现象。这时，横截面上的剪应力不再成线性分布。如认为这时整个圆截面皆为塑性区，如图4.3（c）所示，则屈服极限近似为
?s??d3式中Wp?为抗扭截面模量。
163Ms 4Wp(4.1)
图4.2 低碳钢和铸铁的扭转曲线
图4.3 剪应力分布图
过屈服阶段后，材料的强化使承载力又有缓慢的上升，，但变形非常明显，试样的纵向
画线变成螺旋线，扭矩继续增加，直至破坏。破坏时的扭矩，即为最大扭矩Mb，剪切强度极限近似为：
?b?3Mb 4Wp(4.2)
铸铁的扭转曲线虽然较明显地偏离直线，但仍可近似地视为一条直线，没有屈服过程，故可按弹性应力公式计算出材料的抗扭强度极限，即
?b?Mb Wp(4.3)
四、试验步骤
（1）测量试件直径。量取三个截面，每个截面测量两个互相垂直的方向取平均值。用三处截面中平均值最小者计算抗扭截面模量WP。
（2）试验机准备。根据试件尺寸，估计所需最大扭矩，选择适当的扭矩量程。
（3）安装试件（注意试件的纵轴线与试验机夹头的轴线重合），用粉笔在试件表面上画一条纵直线，以便观察试件的变形。 （4）扭矩、扭转角初值调零。
（5）开机试验。对于低碳钢试样，首先缓慢均匀加载，直到测出屈服扭矩Ms和屈服扭转角?s，然后改用快速加载直至破坏。对于铸铁试样，由于其变形较小，必须缓慢均匀加载直至破坏。试样破坏后立即停机，读出最大扭矩Mb及转角?b（?b应为破坏瞬时的角度）。 （6）取下试件，观察断口形状及塑性变形情况。 （7）实验完毕，试验机复原，关闭电源。
五、实验结果的处理
（1）计算低碳钢扭转屈服极限 ?s?（2）计算低碳钢扭转强度极限 ?b?3Ms 4Wp3Mb 4WpMb Wp（3）计算铸铁扭转强度极限 ?b?3式中 Wp??d为抗扭截面模量，单位为mm3；扭矩单位为N·m，应力单位为MPa。
16（4）绘出两种材料扭转破坏的断口形状图。说明其特征并分析破坏原因。