实验三 金属扭转试验

在机械传动中的轴类部件，大多数是在纯扭或弯扭联合情况下工作的。设计扭转轴所用的允许剪应力，是根据材料在扭转破坏试验时，所测出的扭转(剪切)流动极限τa ，或扭转(剪切)强度极限τb而求得的。

出于材料不同，杆件在受拉或受压而破坏时，其断口形状不同。扭转破坏时也是这种情况，例如低碳钢(或普通碳素钢)与铸铁的扭转破坏，其断口形状是不同的。 一、实验目的

1、测定低碳锈的τa、τb ，铸铁的τb 。 2、观察断口形状，进行比较分析。

二、设备

扭转材料试验机，游标卡尺。

三、原理和装置

l、低碳钢扭转破坏试验

试验采用标距L=lOOmm，直径d=lO±O．1mm圆截面标准试件，如图1。

低碳钢件装到扭转试验机上（试验机的构造原理见附录二扭转试验机简介)，由电动机构施加扭矩Mn。试验机上的自动绘图装置可记录试件的Mn—Φ关系图，如图2，其中Φ为扭转角。扭矩在Mp以内，材料处于弹性状态，应力应变关系服从虎克定律，因为0A部分呈线性。

低碳钢在纯剪受力时也存在屈服阶段，因此当圆轴试件上的扭矩超过Mp后，在试件横截面上外沿处，材料发生屈服，形成环形塑性区，试件横截面上的剪应力分布如图3(b)此后使试件继续扭转变形，塑性区不断向内扩展，Mn一Φ曲线趋于平坦，图上出现近似于直线的BC水平段，此时测力度盘上的指针几乎不动，扭角Φ却在继续不断增加，塑性区占据了大部分截面。这样就可以近似地假定此时整个圆截面上各点处的剪应力已同时到屈服极限τs值。若令Ms表示整个截面上应力处于屈服极限τs作用的扭矩值，则：

4

MS≈∫τSρdA=τ∫ρdA=τSWp

AA3

式中ρ表示截面上任意一点dA离圆心的距离； WP=量，由此可得τs的近似值为： τs=

πd3

16

是试件的弹性抗扭截面模

3Ms

4Wt

试件连续变形，材料进—步强化，达到Mn—Φ曲线上D点时，试件剪断。由测力度盘上的被动针读出最大扭矩Mb。此时截面上应力到达强度极限τb 。与求相似τs ，τb值可近似的按下式计算： τb=

3Mb

4Wρ 2、铸铁扭转破坏试验

铸铁Mn—Φ曲线图如图4所示，试件由开始受扭至到破坏，近似直线，按弹性公式计算 τs=

3Mb

4Wρ

四、试验步骤：

l、在试件标距内的中问和两端三处测量直径，取最小值为直径尺寸d0 。计算抗扭截面

模量W=

πd3

16

2、根据材料性质估算所需最大扭矩,选好扭矩试验机的测力表盘。测力指针调好零点。调好自动绘图装置。装上试件。

3、经教师检查准备情况，并加步量扭矩试车后，正式试验。测出Ms、Mb，取下试件观察断口。

4、按上述步骤试验铸铁试件。

5、试验完成后，将试验机、工具和现场清理复原。

五、讨论：

总结低碳钢(塑性材料)铸铁(脆性材料)两种材料，在拉伸，压缩和扭转时的强度指标以及破坏断口的情况，进行分析比较，说明原因。

六、思考题：

1，低碳钢与铸铁扭转时的破坏情况有什么不同?根据不同现象分析原因。

2、根据低碳钢和铸铁拉伸、压缩、扭转试验的强度指标和断口形状，分析总结两种材料的抗拉、抗压、抗剪能力。