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ø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-ø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-ø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-ø曲线图

（a）TnTn>Tp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ø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-ø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， （1-36） τb = Tb/WT。 （1-37） 铸铁切变强度指标：

τb = Tb/WT。 （1-38）

表1-12 试验结果

材料 低碳钢 铸 铁 直径d0/mm 截面I 截面II 截面III 抗扭截面模量WT/mm3 屈服扭矩 Ts/kN·m 屈服点 τs/MPa 最大扭矩 抗扭强度 Tb/kN·m τb/MPa 对测得的性能数值τs或τSL、τb修约到1N/mm2。 七、思考题

1．低碳钢拉伸或扭转的断裂形式是否一样？分析其破坏原因。

2．铸铁在压缩和扭转时，其断口都与试样轴线成45°左右，破坏原因是否相同？ 3．试根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果，综合分析低碳钢与铸铁的力学性能。 4．为什么用扭转试验来测定材料在纯剪应力状态下的力学性质而不用直接剪切试验？