金属材料扭转实验: 实验二优化方案

扭转问题是工程中经常遇到的一类问题。金属材料的室温扭转试验通过对试样（低碳钢和铸铁）施加扭矩，测量扭矩及其相应的扭角（一般扭至断裂），来测定一些材料的扭转力学性能指标。本实验依据国家标准GB/T10128—2007《金属材料室温扭转试验方法》进行编写，使实验内容与标准一致。

2.1 实验目的

（1）了解GB/T10128—2007《金属材料室温扭转试验方法》所规定的定义和符号、试样、实验要求、性能测定方法。

（2）了解扭转试验机的基本构造和工作原理，掌握其使用方法。

（3）测定低碳钢材料扭转时的上、下屈服强度，抗扭强度和相应的扭角。

（4）测定铸铁材料扭转时的抗扭强度和相应的扭角。

（5）比较低碳钢和铸铁在扭转时的机械性能及其破坏情况。

2.2 实验设备和试样

扭转试验机，游标卡尺。

扭转试样采用圆柱形试样，材料为低碳钢和铸铁。

2.3 实验原理

杆件在一对大小相等、转向相反、作用面垂直于杆轴线的外力偶作用下，将会出现扭转变形。此时杆件表面的纵向线将变成螺旋线。杆件为等截面圆杆时，杆件的物理性能和横截面几何形状具有极对称性，杆件的变形满足平面假设（横截面像刚性平面一样绕轴线转动），这是扭转问题中最简单的情况。

标准GB/T10128—2007中定义了多种可测的扭转性能指标，表2.1列出了扭转破坏实验常用的几种指标的符号、名称和单位。测试应在室温10～35℃下进行。在试样屈服前，扭转试验机的加载速度应控制在6°～30°/min范围内某个尽量恒定的值；在试样屈服后，加载速度应控制在不大于360°/min的范围内。加载速度的改变应对试样无冲击现象。

表2.1 符号、名称及单位

2.3.1 规定非比例扭转强度的测定

图解法：根据试验机自动记录的扭矩-扭角曲线，在曲线上延长弹性直线段交扭角轴于O点，截取OC段（OC＝2Leγp/d， Le为扭转计标距，Pp为非比例切应变），过C点作弹性直线段的平行线CA交曲线于A点，A点对应的扭矩为所求扭矩Tp，见图2.1。

图2.1 规定非比例扭转强度

式中：对于圆柱形试样W

2.3.2 上屈服强度（τeH）和下屈服强度（τeL）的测定

上屈服强度是扭转试验中，试样发生屈服而扭矩首次下降前的最高切应力。下屈服强度是扭转试验中，在屈服期间不计初始瞬时效应时的最低切应力。

图解法：实验时用自动记录方法记录扭转曲线（扭矩-扭角曲线或扭矩-夹头转角曲线）。首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩；屈服阶段中不计初始瞬时效应的最小扭矩为下屈服扭矩，见图2.2。按下式分别计算上屈服强度和下屈服强度：

图2.2 上、下屈服强度

2.3.3 抗扭强度（τm）的测定

抗扭强度是相应最大扭矩的切应力。对试样连续施加扭矩，直至扭断。从记录的扭转曲线（扭矩-扭角曲线或扭矩-夹头转角曲线）上读出试样扭断前所承受的最大扭矩。按下式计算抗扭强度：

式（2.4）是在弹性阶段、试样横截面上切应力与剪应变沿半径方向的分布都是直线关系时的计算公式。

如果考虑塑性变形的影响，切应变虽然保持直线分布，但切应力由于试样表面首先产生塑性变形而有所下降，不再是直线分布，见图2.3。所以用式（2.4）计算得到的抗扭强度τm与真实抗扭强度有一定差距，故GB/T 10128—2007在附录B中规定了真实抗扭强度的测定方法。具体方法如下：用自动记录方法记录扭矩-扭角曲线，直到试样断裂。以曲线上断裂点K为切点，过K点作曲线的切线KTB交扭矩轴于TB，见图2.4。读取扭矩TK和扭矩TB。按公式（2.5）计算真实抗扭强度：

当到最大扭矩时，此时即：

图2.3 切应力与切应变分布

图2.4 真实抗扭强度(www.xing528.com)

2.3.4 实验结果数值修约

实验结果数值应按照表2.2的要求进行修约。

表2.2 扭转性能数值的修约间隔

2.3.5 断口分析

根据材料力学分析，圆截面试样扭转时横截面上任一点处在纯剪切应力状态下，试样表面任一斜截面上的正应力和剪应力分别为和。在α＝0°和α＝90°两个面上的剪应力绝对值最大，均等于。而在α＝﹣45°和α＝45°两个斜截面上的正应力分别为最大、最小值，绝对值均等于，分别为拉应力和压应力。

上述应力分析所得结果可从圆杆在扭转实验中的破坏现象得到验证。对于抗剪强度低于抗拉强度的材料（低碳钢），破坏是首先从杆的最外层沿横截面发生剪断而产生的，因此断口在试样的横截面上。对于抗拉强度低于抗剪强度的材料（铸铁），破坏是首先发生在杆的最外层沿着与杆轴线约成45°倾角的螺旋形曲面上，试样沿与最大主应力正交的方向被拉断，断口为与试样轴线约成45°倾角的螺面，见图2.5。

图2.5 扭转试样断口

2.4 实验步骤

（1）试样的测量

对于圆形试样，在标距两端及中间三个截面，沿两个相互垂直的方向上各测一次直径，并分别计算每个截面平均直径；取三个截面平均直径的最小值，计算极惯性矩和抗扭截面系数。

（2）试验机的准备

打开试验机的启动开关，打开控制软件，设定试验参数。

（3）扭矩、转角调零

（4）安装试样

根据试样长度调整夹头位置，保证试样两端完全夹持。试样夹紧后取下夹头上配备的加力扳手，置于适当位置。在试样上沿轴线画一条直线，能够直观地观察到试样的变形情况。

（5）加载

单击控制软件上的“试验开始”按钮，正式加载。加载过程中注意观察试样的变化和扭转曲线的变化，直至试样破坏，记录实验数据。

（6）保存、记录数据

实验完毕取下试样，注意观察试样破坏断口的形貌。保存好实验得到的相关数据和扭转曲线图，并按照实验报告的要求记录原始数据。

（7）整理实验现场

将断裂试样放到指定的位置，清理试验台，将工具放回原位置。

2.5 思考题

（1）低碳钢和铸铁的扭转破坏有什么不同？根据断口形式分析其破坏的原因。

（2）根据低碳钢圆截面试样断裂前的最大扭矩Tm按公式计算出来的是否是试样材料的剪切强度极限？为什么？

（3）低碳钢的拉伸屈服极限和剪切屈服极限有什么关系？

（4）自行设计一种测量材料剪切弹性模量G的方法。

（5）低碳钢试样扭转试验前在表面沿轴线方向画一条直线，试样断裂后该直线变成曲线，试根据实验的样品分析这条直线变成曲线后，该直线的相对伸长率（直线伸长的长度除以原长）是多少？同低碳钢拉伸实验的断后伸长率相比有何异同之处？

（6）根据低碳钢试样的抗拉强度和真实的抗扭强度的实验结果，试用第四强度理论分析两者之间的关系。