实验三 圆轴扭转实验
工程中有很多承受扭转的构件，如各类电动机轴、传动轴、钻杆等。材料在扭转变形下的力学性能，如扭转屈服点、抗扭强度、切变模量等，是进行扭转强度和刚度计算的依据。作为材料力学试验中最基本、最典型的试验之一，本章将介绍扭转屈服点?S、抗扭强度?b的测定方法以及扭转破坏的规律和特征。 一、实验目的
1. 测定低碳钢扭转时的剪切屈服极限τ
S和剪切强度极限τb。
2．测定铸铁扭转时的剪切强度极限τb。
3. 观察并分析低碳钢和铸铁在扭转时的变形和破坏现象。 二、实验设备
1. NDW-500微机控制扭转试验机。 2. 扭角仪。 3. 游标卡尺。 三、试样
按照国家标准GB10128—88《金属室温扭转试验方法》，金属扭转试样的形状随着产品的品
种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样和管形截面试样两种。其中最常用的是圆形截面试样。通常，圆形截面试样的直径d=mm10,?标距l=5d，或l=10d?，平行部分的长度为l+20mm。若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。
本实验采用直径10mm、标距100毫米的圆形试样，端部铣成相对两平面以便夹持,如图一所示。 四、实验原理
1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标
将试样装在扭力试验机上，开动机器，给试样施加扭矩。利用机器上的自动绘图装置，可得到Me??曲线，即扭转图，低碳钢的扭转图如图二所示。
d0 L0
图一 扭转试样
1
图中起始直线段OA表明试样在这个阶段中Me与?成正比，截面上的剪应力呈线性分布。在A点，Me与?的正比例关系开始破坏，此时截面周边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限τS，如图三（a）所示，相应的扭矩记为Mep。由于这时截面内部的剪应力上小于τ续上升趋势。
S
，故试样仍具有承载能力，Me??曲线呈继
MeABMesCMebMepO?
图二 低碳钢的扭转Me??曲线图
当扭矩超过Mep后，截面上的剪应力分布发生变化，如图三（b）所示。在截面上出现了一个环状塑性区，并随着Me的增长，塑性区逐步向中心扩展，
Me??曲线稍微上升，直到B点趋于平坦，截面上各材料完全达到屈服，扭矩盘上的指针几乎不动或者摆动，此时测力盘上指示出的扭矩或指针摆动的最小值即为屈服扭矩Mes，如图三（c）所示。
?sTT?sT?s
（a） （b） （c）
图三 低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布
（a）T?Tp；（b）Tp?T?Ts；（c）T根据静力平衡条件，可以求得?s与Mes的关系
?Ts
2
Ts?? d/2 0?s?2??d??2??s? d/2 0?2d???d312?s?Wt?s
43由于Ts?Mes，因此，由上式可以得到 ?s?3Mes （3-1） 4Wt式中：Wt??d/16为试样在标距内的抗扭截面系数。
继续给试样加载，试样再继续变形，材料进一步强化。当达到图二Me??曲线上C点时，试样被剪断。由测力度盘可读出最大扭矩Meb，与公式相似，可得到剪切强度极限?b?33Meb （3-2） 4Wt由于低碳钢的抗拉能力高于抗剪能力，故试样沿横截面剪断。 2.测定铸铁扭转时的强度性能指标
铸铁的Me??曲线如图四所示。从开始受扭直到破坏，近似为直线，按弹性应力公式，其剪切强度极限?b?Meb （3-3） WtMMbOΦ
图四 铸铁扭转Me??曲线图
试样受扭，材料处于纯剪切状态，在垂直于杆轴和平行于杆轴的各平面上作用着剪切应力，而与轴成45角的螺旋面上，作用着最大的正应力。
?
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