扭轉破壞實驗
實驗二 扭轉破壞實驗
工程中承受扭轉的構件很多，如各類電動機軸、傳動軸、鉆桿等。材料在扭轉變形下的力學性能，如扭轉屈服點τs、抗扭強度τb 、切變模量G等，是進行扭轉強度計算和剛度計算的依據。本實驗將介紹τs、τb的測定方法及扭轉破壞的規律和特征。
實驗目的
- 觀察低碳鋼和鑄鐵在扭轉過程中的變形規律和破壞特征；
- 測定低碳鋼扭轉時的屈服極限τs和強度極限τb；測定鑄鐵扭轉時的強度極限τb；
- 了解扭轉試驗機的結構原理，掌握操作方法；
實驗設備
- 扭轉試驗機； 游標卡尺。
圖2.1 扭轉試驗機
3 扭轉試樣
扭轉試樣與拉伸試樣的形狀和尺寸完全相同，長度l=100mm，直徑d =10mm。
圖2.2 扭轉試樣
實驗原理
圖2.3 低碳鋼扭轉曲線及破壞形式
(1) 扭轉屈服極限
進入屈服階段，曲線呈鋸齒狀，捕捉初始瞬時效應后的ZUI小載荷 
，則扭轉屈服極限為
其中 
為抗扭截面系數。
(2) 扭轉強度極限
過屈服階段后，材料的強化使扭矩又有緩慢的上升。變形卻非常顯著，試樣的縱向畫線變為螺旋線，但試樣仍保持為圓柱形，橫截面的大小及平行長度的尺寸幾乎不變，也沒有頸縮現象。直到扭矩達到 
，試樣被扭斷。扭轉強度極限為
因此，低碳鋼扭轉時的兩個強度指標為
低碳鋼扭轉破壞的斷口形狀：與軸線垂直。
鑄鐵扭轉實驗測定的T~φ曲線、破壞形式如圖2.3所示。
圖2.4 鑄鐵扭轉曲線及破壞形式
鑄鐵試樣受扭時，變形很小即突然斷裂，T~φ曲線接近直線，把它作為直線，可計算鑄鐵扭轉時的強度指標為
鑄鐵扭轉破壞的斷口形狀：與軸線成45o。
5 實驗步驟
- 量好試件尺寸（直徑d）后，將試件安裝于機器夾頭中，可在試件表面上畫一條縱向粉筆線，以觀察它的變形；
- 選定試驗機的測力范圍及轉速；
- 開動電機，加載，注意觀察試樣的變形情況，并記下 和 （鑄鐵試樣只記下 ）。低碳鋼試樣加載到 后可以改為快速；
- 試樣扭斷后，立即關閉電機，取下斷裂的試樣，繪制斷口破壞草圖。
6 討論與思考
（1）計算低碳鋼扭轉時的屈服極限 
和強度極限 
時為何公式中有3/4的系數？而計算鑄鐵強度極限 
時則無此系數？
（2）本實驗要求注意觀察、分析哪些現象？
附 實驗報告
實驗二 扭轉破壞實驗
實驗日期： 室溫： 小組成員：
（一）實驗目的
（二）實驗設備
（三）實驗記錄
表2-1 扭轉實驗試件原始尺寸
|
材料 |
標距 L0 （mm） |
直徑 d0 (mm) |
橫截面面積 A0 （mm） |
||||||||
|
橫截面Ⅰ |
橫截面Ⅱ |
橫截面Ⅲ |
|||||||||
|
(1) |
(2) |
平均 |
(1) |
(2) |
平均 |
(1) |
(2) |
平均 |
|||
|
低碳鋼 |
|||||||||||
|
鑄 鐵 |
|||||||||||
（四）結果處理
表2-2 扭轉實驗數據和計算結果
|
材料 |
屈服載荷 Ps（KN） |
ZUI大載荷 Pb（KN） |
屈服極限 σs（MN/m2） |
強度極限 σb（MN/m2） |
破壞形式簡圖 |
|
|
低碳鋼 |
鑄鐵 |
|||||
|
低碳鋼 |
||||||
|
鑄鐵 |
||||||
（五）問題討論
- （1） 低碳鋼和鑄鐵的扭轉破壞有什么不同？根據斷口形式分析其破壞原因；
- （2） 比較塑性材料和脆性材料在拉伸、壓縮及扭轉時的變形情況和破壞特點，試分析兩種材料的機械性能。
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