金屬材料扭轉實驗

在實際工程機械中，有很多傳動是在扭轉情況下工作。設計扭轉軸所用的許用剪應力，是根據材料在扭轉破壞試驗時，所測出的扭轉剪下屈服極限τs或剪下強度極限τb而求得的。在扭轉試驗時，即使韌性極好的金屬也能在扭轉時發生斷裂，由於扭轉斷裂後外形無明顯變化，從而可以精確地計算應力和應變情況。

一、實驗目的

1．測定低碳鋼的剪下屈服極限τs，剪下強度及極限τb。

2．測定鑄鐵的剪下強度極限τb。

3．比較低碳鋼和鑄鐵在扭轉時的變形和破壞特徵。

二、實驗裝置

nd-500c扭轉試驗

三、實驗原理

1．試件：根據國家標準，一般採用圓截面試件，標距，標距部分直徑。如圖2-6所示。

圖2-6

2．實驗原理：

材料的扭轉破壞過程可用扭轉曲線即-曲線來描述。 t表示施加在試件上的扭距，表示試件的相對扭轉角度。現分別討論低碳鋼和鑄鐵扭轉時力學性質，如圖2-7所示。

圖2-7

圖中起始直線段oa表明試件在這階段中的與成比例，截面上的剪應力呈線性分布，如圖 2-8（ａ）。在 a點處，與的比例關係開始破壞，此時截面周邊上的剪應力達到了材料的剪下屈服極限，相應的扭矩記為。由於這時截面內部的剪應力尚小於，故試件仍具有承載能力， -曲線呈繼續上公升的趨勢。

扭矩超過後，截面上的剪應力分布發生變化，如圖2-8（ｂ）。在截面上出現了乙個環狀塑性區，並隨著的增長，塑性區逐步向中心擴充套件， -曲線稍微上公升，直到b點趨於平坦，截面上各點材料完全達到屈服。試件整體屈服後, -曲線上出現屈服平台。

根據國家試驗標準規定,這時的示值為材料扭轉屈服扭矩，記作。而剪下屈服極限由下式表

其中是試件的抗扭截面係數。

時的剪應力分布時的剪應力分布時的剪應力分布

圖2-8 截面上剪應力分布圖

繼續給試件載入，試件再繼續變形，材料進一步強化。當達到-曲線上的c點時，試件被剪斷。讀出最大扭矩，可得剪下強度極限為

鑄鐵的-曲線如圖2-9所示。從開始受扭直到破壞，近似為一直線，按彈性應力公式，其剪下強度極限：

圖2-10 鑄鐵的扭轉圖

四、實驗步驟

1．電源接通，啟動計算機並執行試驗軟體。

2．將試件一端裝入前夾頭，移動尾架，將另一端裝入後夾頭將試樣夾緊，即可開始做試驗。

3．按照1.3節有關扭轉試驗機的使用說明操作進行試驗。

4．操作結束，記錄下計算機給出的引數和計算結果及-曲線。

5．觀察比較低碳鋼、鑄鐵破壞後斷口情況。

五、實驗資料記錄及處理

實驗資料及相應結果記入附錄二相應**。