金属材料圆轴扭转实验分析.docx
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金属材料圆轴扭转实验分析
金属材料圆轴扭转实验分析
篇一：
金属材料扭转实验及弹性模量的测量
南昌大学工程力学实验报告
姓名：
钟燕平学号：
5902411050专业班级：
本硕111班班级编号：
S088实验时间14时00分第9星期三座位号：
教师编号：
成绩：
金属扭转破坏实验、剪切弹性模量的测定
中那么明显。
由于强化阶段的过程很长，图中只绘出其开始阶段和最后阶段，破坏时实验段的扭角可达10π以上
图所示的铸铁试样扭转曲线可近似的视为直线（与拉伸曲线相似，没有明显的直线段），试样破环时的扭转形变比拉伸时的形变要明显的多。
从扭转试验机上可读取的试样的屈服扭矩Ts和破环扭矩Tb。
由
计算材料的屈服剪切点和抗剪切强度。
需要指出的是，对于塑形材料，采用实心圆截面试样测量得到的屈服点和抗剪强度，高于薄壁圆环截面试样的测量值，这是因为实心园截面试样扭转时横截面切应力分布不均匀所致。
当园截面试样横截面的最外层切应力达到剪切强度屈服点时，占横截面绝大部分的内层应力仍低于弹性极限，因此此时试样仍表现为弹性行为，没有明显的屈服现象。
当扭矩继续增加使横截面大部分区域的切应力均达到剪切屈服点时，试样会表现出明显的屈服现象，此时的扭矩比真实的屈服扭矩要大一点，对于破环扭矩也会有同样的情况。
低碳钢试样和铸铁试样的扭转破环断口形貌有很大的差别断面是最大切应力作用面，断口较
和
为平齐，可知剪切破坏，图2所示为铸铁试样的断面是与试样轴成45度角的螺旋面断面是最大拉应力作用面，断口较为粗糙，因而是最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。
四、实验步骤
（1）低碳钢的扭转实验步骤
首先测量试样直径d在试样上安装扭角测试样装置，将一个定位环套在试样的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。
再将另一个定位环套在试样的另一端，装上另一个卡盘，根据不同的试样标距要求将试样搁放在相应的V型块上，使卡盘与V型块两端紧贴，保证
卡盘与试样垂直，将卡盘上的螺钉拧紧。
接着将试样机两端夹头对正。
将已装扭角测试实验装置的试样的一端放入从动夹头的夹口间，将试样加紧，进行扭矩清零操作，推动移动支座，使试样的另一端进入主动夹头间，进行试样保护，从而消除夹持扭矩，并清零扭角。
进入电子扭转实验机应用软件，选择低碳钢扭转实验方案，按软件运行键，开始实验，记录多级等增量加载实验数据试样被扭断后停机，去下试样，注意观察试样破坏断口形貌。
（2）铸铁扭转实验步骤
铸铁扭转实验步骤与低碳钢扭转实验步骤相同。
只因铸铁是脆性材料，只需记录破坏荷载数据，无需安装扭角测量装置。
五、实验数据记录及处理
实验记录及数据处理
篇二：
第四章金属扭转试验
第四章金属扭转试验
在机械、石油、冶金等工程中有许多机械零部件承受扭转载荷作用的实例，如各种轴类零件（电机主轴、机床主轴、汽车传动轴）、石油钻杆等。
因此，必须测定其相关材料的扭转性能指标，为设计提供依据。
扭转试验是对圆柱形试样施加扭矩T（使试样两端承受大小相等、方向相反、作用面垂直于试样轴线的力偶），测量扭矩T及相应的扭角φ,绘制T-φ扭转曲线图，一般扭至断裂，以便测定金属材料的各项扭转力学性能指标。
圆柱形试样的扭转试验具有以下的特点：
（1）用圆柱形试样进行扭转时，从试验开始直至破断，在试样的整个工作长度上塑性变形都是均匀的，试样仍保持圆柱形，横截面的大小、形状及试样工作长度几乎保持不变，没有缩颈现象。
因此，可以用扭转试验精确地测定高塑性金属材料的应力-应变关系。
（2）剪切试验只能测定材料的抗剪强度，对于高塑性材料，由于常伴随着弯曲变形而不能得到正确的结果，扭转试验则能较全面地了解材料在切应力作用下的行为。
（3）扭转应力状态较拉伸软（α=0.8），可以使低塑性材料处于韧性状态测定它们的强度和塑性。
（4）由材料力学可知，圆柱形试样在扭转试验时，试样表面的应力状态如图4-1所示，最大切应力和正应力绝对值相等，夹角成45°。
因此，扭转试验可以明显地区别材料的断裂方
式：
正断或切断。
这一点其他试验不能与之相
比。
（5）扭转试验时，试样横截面上沿直径方
向切应力和切应变的分布是不均匀的，试样表
面的切应力和切应变最大。
因此，扭转试验可
以灵敏地反映材料的表面缺陷。
第一节金属材料扭转时的力学性质
一、扭转时切应变
材料力学假设扭转时圆柱体的变形：
（1）所有纵向素线都倾斜了同一角度α
，圆柱体上所有矩形格子扭歪成相似平行四边
形；
（2）所有圆周线都围绕轴线转了一定的角度φ，而圆周线形状、长短及两圆周线间距离都未改变。
由材料力学可知：
半径为r（mm）的圆柱体，在距离圆柱体轴线为ρ的一层薄壁圆筒上任一点处的切应变：
?
?
?
?
d?
/dx?
0?
?
?
r?
即：
圆柱体横截面上任一点扭转时的切应变?
?
与该点到轴线的距离ρ成正比，圆柱体表面的切应变最大。
当直径为d（mm），长度为Lc（mm）的圆柱体两端的相对扭角为φ时，圆柱体表面的切应变：
?
?
r?
/Lc?
d?
/2Lc（4-1）
二、扭转时切应力
1.在弹性范围内，由剪切虎克定律，切应力和切应变成正比
?
?
G?
（4-2）
式中G一剪切弹性模量，MPa。
在试样表面，ρ＝r，切应力τρ为:
?
?
?
?
max?
Tr/Ip（4-3）
即：
圆柱体横截面上任一点扭转时的切应力τρ与外加扭矩T以及该点到轴线的距离ρ成正比，与极惯性矩Ip成反比，圆柱体表面的切应力最大。
如图4-3所示。
令WP?
IP/r，也是仅与横截面的形状和尺寸有关
的几何量，称为扭转试样截面系数。
则：
?
max?
T/WP（4-4）扭转试样的极惯性矩Ip、截面系数Wp：
实心圆截面:
IP?
?
d4
32（4-6）
WP?
?
d3
16（4-7）
空心圆截面：
IP?
?
（d4?
d14）
32（4-8）
式中d——空心圆试样外径；
d1——空心圆截面内径；
WP?
?
d3（1?
d14/d4）
16（4-9）
ρ2.当切应力使试样表面发生塑性变形时，圆柱体横截面上的切应力τ
的距离ρ失去比例关系，如图4－4所示。
与该点到轴线
3.薄壁管扭转时的切应力当薄壁管的壁厚ao远小于其平均半径rm时（rm?
?
d?
d1?
/2），a0/rm?
10），可以认为试样
横截面上沿壁厚方向切应力近似相等，它们对
试样轴线的力矩与外加扭矩T平衡，因此平衡
方程为:
T?
2?
rma0?
rm?
0
2T?
2?
rma0?
所以薄壁管扭转时的切应力：
2?
?
T/2?
rma0（4-11）
在薄壁管扭转时的切应力公式推导中没有应用虎克定律，此公式可应用于整个扭转试
2验过程，即:
公式?
?
T/2?
rma0不仅可用于薄壁管扭转弹性变形阶段，也可用于薄壁管扭
转塑性变形阶段。
第二节扭转试样及试验设备
一、扭转试样
圆柱形扭转试样的形状和尺寸如图4-5所示。
试样的头部形状和尺寸应适合试验机夹头夹持。
推荐采用直径为lOmm，标距分别为5Omm和lOOmm，平行长度分别为7Omm和12Omm的试样。
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。
由于扭转试验时试样外表面切应力最大，对于试样表面的细微缺陷此较敏感，因此，对试样表面的粗糙度要求较拉伸试样高。
管形试样的平行长度应为标距加上两倍直径。
其直径和壁厚的尺寸公差及内外表面粗糙度应符合有关标准或协议要求。
试样应
平直。
试样两端应间隙配合塞头，塞头不
应伸进其平行长度内。
塞头的形状可参照
GB/T228-XX的附录D。
二、试验设备
（一）扭转试验机
（1）允许使用不同类型的机械式或电
子式扭转试验机。
试验机扭矩示值相对误差应不大于士1%，应由计量部门定期进行检定。
（2）试验时，试验机两夹头中之一应能沿轴向自由移动，对试样无附加轴向力，两夹头保持同轴。
（3）试验机应能在规定的速度范围内控制试验速度，对试样连续施加扭矩，加卸力应平稳、无振动、无冲击。
（4）应具有良好的读数稳定性，在30s内保持扭矩恒定。
（二）扭转计
（1）允许使用不同类型的扭转计测量扭角，如镜式扭转计、表式扭转计、电子型扭转计等，推荐使用电子型扭转计。
（2）扭转计标距偏差应不大于±0.5%，并能牢固地装卡在试样上，试验过程中不发生滑移；扭转计示值线性误差应不大于士1%。
（3）扭转计应定期进行标定。
第三节金属扭转力学性能指标的测定
一、试验条件
试验应在室温10～35℃下进行。
扭转试验速度:
屈服前控制应在6°～30°/min范围内某个尽量恒定的值，屈服后不大于360°/min。
速度的改变应无冲击。
二、规定非比例扭转应力币的测定
由塑性理论可知，在扭转试验的塑性变形阶段，对大部分材料来说，试样表面的最大切应变为最大正应变的1.5倍，所以为了能与拉伸试验时的规定非比例延伸强度相互比较，扭转试验的非比例切应变通常取与拉伸试验的非比例正应变ε
γp0.015p0.01、εp0.2、相对应的、γp0.3。
（一）图解法
试验时，安装试样并装卡扭转计，按规定的试验速度对
试样连续施加扭矩，同时记录扭矩-扭角曲线，见图4-6。
应
选择适当的扭转轴比例，便所要测定的应力对应的扭矩处于
扭转轴量程的1/2以上。
选择扭角轴的放大倍数n应使图4-7
中的OC段长度太于5mm。
在记录的扭矩-扭角曲线图上，自弹
性直线段与扭角轴的交点0起，截取OC段（OC段长度为
2nLc?
p/d0）。
过C点作弹性直线段的平行线CA交曲线于A
点，A点所对应的扭矩即为规定非比例扭矩Tp。
按公式（4-12）计算规定非比例扭转应力?
p
?
p?
TP/W（4-12）
注:
可以使用计算机等装置自动测定扭转力学性能而无需给出扭矩-扭角的曲线。
（二）逐级加载法
试验时，首先对试样施加预扭矩，预扭矩一般不超过预期规定非比例扭转应力τ的10%。
装上扭转计并调整零点。
在相当于规定非比例扭转应力τp0.015p0.015的70%～80%以前，
施加大等级扭矩，以后施加小等级扭矩，小等级扭矩应相当于不大于lOMPa的切应力增量。
读取各级扭矩和相应的扭角。
读取每对数据对的时间以不超过10s为宜。
从各级扭矩下的扭角读数中减去计算得到的弹性部分扭角，即得非比例部分扭角。
施加扭矩直至得到非比例扭角等于或稍大于（转载自：
www.xiaocaOfaNW小草范文网:
金属材料圆轴扭转实验分析）所规定的数值为止。
用内插法求出精确的扭矩，按公式（4-12）计算规定非比例扭转应力τp。
三、屈服点τs、上屈服点τsu、下屈服点τsl的测定
采用图解法或指针法进行测定（仲裁试验采用图解法）。
试验时，对试样连续施加扭矩，同时记录扭矩-扭角曲线或直接观测试验机扭矩度盘指针的指示或数显器读数。
当首次扭角增加而扭矩不增加（保持恒定）时的扭矩为屈服扭矩人;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。
屈服点τs、上屈服点τsu和下屈服点τsl的计算公式如下:
?
S?
TS/W（4-13）
?
SU?
TSU/W（4-14）
?
sl?
Tsl/W（4-15）
篇三：
金属材料扭转实验报告
金属材料扭转实验报告
实验日期姓名班级成绩
一、实验目的
二、实验设备
扭转试验机名称及
升级会员 