低碳钢、铸铁扭转破坏实验

5.1 实验目的

[1]测定低碳钢材料扭转时的屈服极限τ_S和强度极限τ_b。

[2]测定铸铁材料扭转时的强度极限τ_b。

[3]了解扭转试验机的结构、操作和扭转实验过程。

[4]观察扭转后试样断口的形貌特点。

5.2 实验内容和原理

扭转变形是材料力学和工程力学研究重要基本变形之一。扭转强度的计算时所用到的许

用应力，是通过测出扭转时的剪切屈服极限τ_S和强度极限τ_b之后得到的。在生产实践中，

许多工厂把扭转实验规定为必作项目之一。例如金属线材厂，每盘钢丝都需要抽样做扭转实

验，以鉴别其工艺性能的好坏，并根据钢丝变形的大小按照国家标准规定分成等级，作为使

用的依据。低碳钢和铸铁是两种截然不同的材料，在扭转实验中也充分体现了他们的特点。

因此，通过扭转实验，可使我们对低碳钢和铸铁这两种材料的性质及破坏形式能有**深入

的认识，进一步掌握他们的规律。此外，通过扭转实验得到的感性认识，对加深理解后续内

容（如应力状态理论）也有所帮助。

圆轴扭转过程中，表面一点的应力状态如图5－1所示。实验过程中，试验机的计算机显

示器可以自动描绘出扭矩Mn和扭转角φ的关系曲线。典型低碳钢和铸铁材料的扭转曲线如

图5－2、5－3所示。

低碳钢材料在扭转过程中表现出与拉伸过程相似的弹性、屈服和强化行为(见图5－2)。

而铸铁材料受扭时，其扭转曲线与拉伸曲线有较大的不同，有比较明显的非线性偏离（见图

5-3）。图5－2、5－3中，M_S为材料屈服时的扭矩，M_b为破断时的*大扭矩。由于铸铁材料

在变形很小时便发生突然断裂，因此试验过程中只能测量出M_b。通过M_S和M_b，可以计算出材

料的扭转材料扭转时的屈服极限τ_S和强度极限τ_b分别为

低碳钢和铸铁分属于塑性和脆性两种不同性质的材料。这两种不同材料在扭转过程中，

破坏方式及原因有很大差异。对于塑性材料，在扭转过程中屈服区由表面逐渐向圆心扩展，

形成环形塑性区。断裂后试样断口与试样的轴线垂直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹

（见图5-4），这是由于切应力造成切断的结果。对于脆性材料，断口约与试样轴线呈45^o

螺旋状（见图5-5）。

5.3 试验设备、工具

[1]微机控制扭转试验机。

[2]游标卡尺。

5.4 试样的制备

金属材料扭转试样采用标准圆试样，如图5－6所示。标距部分直径d₀=10mm，标距L₀=

100mm或50mm，平行长度L₁为120mm或70mm。其他直径的试样,其平行长度为标距长度加上

两倍直径。为防止打滑,扭转试样的夹持段宜为矩形。

5.5 实验方法、步骤

[1]测量试样尺寸。

[2]将试样正确的安装在扭转实验机上，在试样上沿其轴线方向画一条直线以观察扭转产生

的螺旋线。

[3]选择试验机加载量程。

[4]选择好Mn－φ坐标的放大倍数。

[5]将试样的尺寸以及相关计算数据输入到计算机当中。

[6]设定试验机加载速度，对试样进行加载试验。

[7]试样扭断后，立即停机，观察计算机记录的相关数据及Mn－φ曲线图注意保存。

[8]取下扭断的试样，观察变形和断口形貌。

5.6 实验数据处理

实验完成后，计算机可根据预先输入的试样数据，自动利用式5－1、5－2计算τ_S和τ_b，

并打印实验结果和Mn－φ曲线图。