金属材料扭转实验-实验指导

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实验通过对试样（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。国家标准GB/T 10128-2007《金属材料 室温扭转试验方法》是本试验的依据。

一、实验目的

1 了解GB/T 10128-2007《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 测定金属材料扭转时的上下屈服强度、抗扭强度和相应的扭角。 4 比较不同材料在扭转时的机械性能及其破坏情况。

二、实验设备

扭转试验机（介绍参看附录），游标卡尺。扭转试样采用圆柱形试样，材料为低碳钢和铸铁。

三、实验原理

使直杆发生扭转的外力，是一对大小相等、转向相反、作用面垂直于杆轴线的外力偶。在这种外力偶作用下，杆表面的纵向线将变成螺旋线，即发生扭转变形。当发生扭转的杆是等直圆杆时，杆的物性和横截面几何形状具有极对称性，杆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。

标准中定义了多种可测的扭转性能指标，表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。

表1 符号、名称及单位

符号 名称 扭转计标距 扭矩 最大非比例扭角 极惯性矩 截面系数 单位 mm N·mm （º） mm4 mm3 符号 名称 规定非比例扭转强度 上屈服强度 下屈服强度 抗扭强度 最大非比例切应变 单位 Le p MPa T eH MPa MPa MPa max Ip eL m W max % 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（OC=2Leγp/d）段，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1。

pTpW

图1 规定非比例扭转强度

2

上屈服强度（

eH）和下屈服强度（eL）的测定

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。按下式分别计算上屈服强度和下屈服强度。

eHeLTeH WTeL W

图2 上、下屈服强度

3 抗扭强度（

m）的测定

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，见图3。按下式计算抗扭强度。

mTm W

图3 抗扭强度

4

最大非比例切应变（max）的测定

试验时对试样连续施加扭矩，记录扭矩—扭角曲线，直至扭断。过断裂点K作曲线的弹性直线段的平行线KJ交扭角轴于J点，OJ即为最大非比例扭角，见图3。按下式计算最大非比例切应变。

max(%)maxd100% 2Le5 测得性能数值的修约

实验结果数值应按照表2的要求进行修约。

表2 性能结果数值的修约间隔

扭转性能 范围 ≤200MPa 修约间隔 1 MPa 5 MPa 10 MPa 0.5%   >200 MPa～1000 MPa >1000 MPa — 6 断口分析

在线弹性范围内，等直圆杆扭转时横截面上任一点处的剪应力为

T Ip可见，当等于横截面的半径r时，即在横截面周边上的各点处，剪应力将达到其最大值

max，

maxTr Ip而在纯剪切应力状态下，杆件表面任一斜截面上的正应力和剪应力分别为

maxsin2

和

maxcos2

从以上两式可知，在0和90两个面上的剪应力绝对值最大，均等于max。而在

45和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max，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放生剪断而产生的。对于抗拉强度低于抗剪强度的材料（铸铁），破坏是首先在杆的最外层沿着与杆轴线约成45º倾角的螺旋形曲面发生拉断而产生的，见图4。

图4 断口分析

四、实验步骤

1 试样的测量

圆柱形试样应在标距两端及中间处两个相互垂直的方向上各测一次直径，并取其算术平均值，取用3处测得直径的算术平均值计算试样的极惯性矩；取用3处测得直径的算术平

均值中的最小值计算试样的截面系数。

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（见标题五“控制软件操作流程”），扭矩、扭角调零。

3 安装试样

根据试样长度调整夹头位置，保证试样两端夹持充分。试样夹紧后取下夹头上配备的加力扳手，置于适当位置。用粉笔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。

4 加载

点击控制软件上的“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。

5 保存、整理实验数据

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提取实验结果。

6 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。

五、控制软件操作流程

1 开机登录，启动控制软件

双击电脑桌面“P_Main”图标，进入控制软件的登录界面，直接点击“确定”打开控制软件，见图5。

图5 登录界面

2 联机，设定实验参数

点击“联机”建立电脑控制软件和扭转试验机的通信联系，见图6。

图6 控制软件主界面

点击“试样录入”，更改该界面下的“试验编号”栏（应保证该编号的唯一性，否则可能会造成实验结果无法保存），输入试样参数：扭转长度、直径和材料名称。然后依次点击“保存”和“关闭”，见图7。

图7 试样录入

点击“参数设置”，设置实验参数。通常“试验开始扭矩值”设定为1N·m；“试验速度”低碳钢试样为360º/min，铸铁试样为36º/min。然后点击“下一步”，见图8（a）。

图8（a）设定开始扭矩和实验速度

选择需要计算的指标，在前面的复选框内打“√”。点击“下一步”，见图8（b）。

图8（b）选择需要计算的指标 设置“试验结束条件”，通常设定“断裂百分比”为40%。点击“下一步”，见图8（c）。

图8（c）设置结束条件

选择传感器。然后点击“下一步”，见图8（d）。

图8（d）选择传感器 设置坐标轴增量。点击“关闭”，完成参数设置，见图8（e）。

图8（e）设置坐标轴增量

3 开始实验，观察加载过程

首先分别对界面中显示的“扭矩”和“转角”进行“清零”，再选择需要绘制的曲线类型，然后点击“试验开始”，试验机按照前面的设定对试样加载，此时应注意观察试样的变化情况和控制软件上扭转曲线的绘制情况，见图9。

图9 开始实验

4 保存实验结果

实验结束后弹出对话框提示确定“试验是否有效”，点击“是”，则自动保存实验结果，见图10。

图10 保存实验结果