扭转实验
一．实验目的：
1.学习了解微机控制扭转试验机的构造原理，并进行操作练习。
2.确定低碳钢试样的剪切屈服极限
、剪切强度极限
。
3.确定铸铁试样的剪切强度极限。
4.观察不同材料的试样在扭转过程中的变形和破坏现象。
二．实验设备及工具
扭转试验机，游标卡尺、扳手。
三．试验原理：
塑性材料和脆性材料扭转时的力学性能。（在实验过程及数据处理时所支撑的理论依据。参考材料力学、工程力学课本的介绍，以及相关的书籍介绍，自己编写。）
四．实验步骤
1.a低碳钢实验（华龙试验机）
（1）量直径：
用游标卡尺量取试样的直径
。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。。
（2）安装试样：
启动扭转试验机，手动控制器上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，沿箭头方向旋转手柄，夹紧试样。
（3）调整试验机并对试样施加载荷：
在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、切应变1、切应变2、夹头间转角、时间的零点；根据你所安装试样的材料，在“实验方案读取”中选择“教学低碳钢试验”，并点击“加载”而确定；用键盘输入实验编号，回车确定（按Enter键）；鼠标点“开始测试”键，给试样施加扭矩；在加载过程中，注意观察屈服扭矩
的变化，记录屈服扭矩的下限值，当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“终止测试”键，使试验机停止转动。
（4）试样断裂后，从峰值中读取最大扭矩
。从夹头上取下试样。
（5）观察试样断裂后的形状。
1.b低碳钢实验（青山试验机）
（1）量直径：
用游标卡尺量取试样的直径。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。
（2）安装试样：
启动扭转试验机，手动“试验机测控仪”上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，用扳手顺时针旋转，夹紧试样。
（3）调整试验机并对试样施加载荷：
在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、夹头间转角、切应变1、切应变2、试验时间的零点；选择“实验方案1”；用鼠标“新建”，在下拉菜单中，依次输入“试验编号”、“实验员”、“钢筋长度”、在“实验材料”中选择“塑性”、“材料形状”中选择“实心”和“钢筋直径”等信息后，点击“确定”；鼠标点“开始”键，就给试样施加扭矩了；在加载过程中，注意观察试样屈服时扭矩的变化，并记录屈服扭矩的下限值，当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“停止”键，使试验机停止转动。
（4）试样断裂后，取下试样，从峰值中读取最大扭矩。
（5）观察试样断裂后的形状。
2.a铸铁实验（华龙试验机）
（1）量直径：
用游标卡尺量取试样的直径。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。。
（2）安装试样：
启动扭转试验机，手动控制器上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，沿箭头方向旋转手柄，夹紧试样。
（3）调整试验机并对试样施加载荷：
在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、切应变1、切应变2、夹头间转角、时间的零点；根据你所安装试样的材料，在“实验方案读取”中选择 “教学铸铁试验”，并点击“加载”而确定；用键盘输入实验编号，回车确定（按Enter键）；鼠标点“开始测试”键，给试样施加扭矩；当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“终止测试”键，使试验机停止转动。
（4）试样断裂后，从夹头上取下试样，读取峰值表中最大扭矩。
（5）观察试样断裂后的形状。
2.b低碳钢实验（青山试验机）
（1）量直径：
用游标卡尺量取试样的直径。在试样上选取3各位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均值中取最小值作为试样的直径。
（2）安装试样：
启动扭转试验机，手动“试验机测控仪”上的“左转”或“右转”键，调整活动夹头的位置，使前、后两夹头钳口的位置能满足试样平口的要求，把试样水平地放在两夹头之间，用扳手顺时针旋转，夹紧试样。
（3）调整试验机并对试样施加载荷：
在电脑显示屏上调整扭矩、峰值、夹头间转角、切应变1、切应变2、试验时间的零点；选择“实验方案1”；用鼠标“新建”，在下拉菜单中，依次输入“试验编号”、“实验员”、“钢筋长度”、在“实验材料”中选择“脆性”、“材料形状”中选择“实心”和“钢筋直径”等信息后点击“确定”；鼠标点“开始”键，就给试样施加扭矩了；当扭矩达到最大值时，试样突然断裂，后按下“停止”键，使试验机停止转动。
（4）试样断裂后，取下试样，从峰值中读取最大扭矩。
（5）观察试样断裂后的形状。
五．实验记录
注：低碳钢的剪切流动极限和强度极限的计算公式中应该乘一系数3/4。原因是这样：圆周扭转在弹性范围内剪应力分布如图a所示，对于塑性材料，当扭矩增大到一定数值后，试样表面应力先达到流动极限
，并逐渐向内扩展，形成环形塑性区，如图b所示。若扭矩逐渐增大，塑性区也不断扩大。当扭矩达到时，横截面上的剪应力都近似达到如图c所示，在这种剪应力分布下，流动时剪应力公式为
。
在扭矩继续增加时，试样继续变形，材料进一步强化，当试样扭断时，整个横截面上的剪应力都达到，此时最大扭矩为，因此剪切强度极限和流动极限一样，近似地
.
由于铸铁是脆性材料，应力在横截面上从开始受力直至破坏都保持为线性分布，当试样边缘上的剪应力达到时，此时最大扭矩为，故仍有弹性阶段的应力公式计算强度极限。
六．数据处理
七．实验结论
八．预习思考题
1.为什么扭转试样两端较粗，中间较细？中间和两端采用光滑曲线过度，而不是直角连接？
2.在计算低碳钢屈服强度和极限强度的公式中为什么会出现3/4，而不是其他系数呢？
3.如果扭转试样是屈服失效，请用最大剪应力理论分析一下，试样可能的断口形状。
4.如果扭转试样是断裂失效，请用最大正应力理论分析一下，试样可能的断口形状。
5.安装扭转试样为什么要“把试样水平地放在两夹头之间”？
6.低碳钢试样在扭转时的变形要经历哪3个阶段？
九．分析思考题
1.扭转实验中你是怎样测量试样直径的？为什么采用这种方法？
2.两种试样的断口形状分别是什么样的？怎样解释这种结果？
3.铸铁试样扭转破坏断口的倾斜方向与施加扭矩的方向有无直接关系？为什么？
4.通过你已经做过的拉伸、压缩、扭转实验，请总结一下低碳钢抗拉、抗压、抗剪强度的大小关系。同样地，请总结一下铸铁的抗拉、抗压、抗剪性能。
5.结合你已经做过的拉伸、压缩、扭转实验，请分析低碳钢的载荷-变形曲线有什么共同点。
6. 对于本次实验，你有什么体会？你有什么建议？
第二篇：扭转试验
试验（二） 扭转试验及剪切弹性模量G的测定
一、实验前预习及准备要求
认真熟悉教材中关于扭转相关的知识内容，阅读实验指导书中扭转实验的各个环节步骤，对思考题进行初步理解，力求带着问题进入实验。
接通电源；打开试验机开关，正常启动后进入试验机控制界面；打开电脑；运行试验程序，进入试验软件主界面。
二、概述
常温、静载条件下，测试材料受扭转变形的力学指标，是一项重要的力学实验。通过试验，可以测定材料的‘抗扭屈服强度’（屈服极限）、‘抗扭强度’（强度极限）及‘切变模量’等力学性能指标。这些性能指标对承受扭转变形的材料进行力学分析计算、工程设计、选择材料和新材料开发都有重要的作用。
三、 实验目的
通过实验测定‘抗扭屈服强度’（剪切屈服极限）τs 、‘抗扭强度’（剪切强度极限）τb,了解掌握这些指标的测取方法及过程。
通过‘数据分析’窗口提取相关数据计算出切变模量（剪切弹性模量）G 。
四、实验原理
1、低碳钢扭转
【抗扭屈服强度】（剪切屈服极限）： 
（Mpa）
[ 式中： T s – 屈服阶段最小扭矩值（N · mm ）； W –抗扭截面模量（mm3）； 
（mm3）； d -- 试样横截面直径（mm）。]
【抗扭强度】（剪切强度极限）： 
（Mpa）
[ 式中： Tb – 破坏前最大扭矩值（N · mm ）]
在上述两式中都存在 3/4 的系数，来源见图一。
（a）初态 （b）中间态 （c）填满态
图 一 扭转等直圆轴进入屈服状态切应力变化图
当扭转等直圆轴到达初态时，T—φ试验曲线上的扭矩T并没有进入屈服阶段，但此时截面边缘上的切应力已经达到τs ，进入实际屈服阶段，有D·τρ= 2ρ·τs。此时的扭矩：
中间变化过程是塑性变形环逐渐变大直到填满整个截面的过程。达到填满态时的扭矩：
结果：
=
。 [对应T—φ试验曲线上的扭矩
]
抗扭强度式中系数也可如此推理。
图 二 低碳钢扭转试样
对低碳钢等直圆轴扭转在比例变形范围内符合剪切胡克定律，截面Ⅱ相对截面Ⅰ转角：
（ ° ） （见图二）
[ 式中：φ– 截面Ⅱ相对截面Ⅰ的转角（°）； T – 截面扭矩值（N · mm ）；
L – 试样试验段长度（mm）； G --切变模量 （Mpa ；即N / mm2）；
Ip – 对截面中心的极惯性矩（mm4）； Ip =
=
（mm4） ]
【切变模量G】： 
（Mpa） ； 
（Mpa）
[（见图三）T2、T1 --- 扭转弹性变形阶段选定两点对应的扭矩值（N · mm ）。
φ2、φ1 -- 扭转弹性变形阶段选定两点对应的转角值（°）。]
2、铸铁扭转
【抗扭强度】（剪切强度极限）：
（Mpa）
[ 式中：Tb – 破坏前最大扭矩值（N · mm ）； W–抗扭截面模量（mm3）:
（mm3）； d -- 试样横截面直径（mm）。 ]
铸铁扭转不存在屈服阶段，所以式中系数是1 。
图 三 低碳钢、铸铁扭转（扭矩T—转角φ）试验曲线
五、实验设备
ND-1000微机控制扭转试验机（见图四）。
实验前准备工作：连接电缆线；打开空气开关；打开钥匙开关，试验机正常启动后进入试验机控制界面；打开电脑显示器；打开电脑主机开关；运行试验程序，进入试验软件主界面。
图 四 ND-1000微机控制扭转试验机
六、实验操作过程 （统一说明低碳钢、铸铁扭转试验过程）。
1、测定试样横截面直径d，对低碳钢还需测定试样试验段长度L ，并记录。
2、 装卡试样：（见图四）在传感器箱卡盘上用卡盘钥匙转动，使卡盘轻微卡住试样的一头，然后沿导轨推动，将试样的另一头伸进主轴箱卡盘中后转动卡盘钥匙轻微卡紧，再将两端卡盘略微拧松，用手晃动试样并逐渐将两端卡盘拧紧，以保证试样两头都能与卡盘可靠接触。对铸铁可使用加力杆拧紧，低碳钢则不用。
3、 用粉笔在试样上涂色，可直接观察试样的变形过程。铸铁试样约在转动300~500转角范围内被扭断，断口呈螺旋面。而低碳钢一般在10000~20000转角范围内被扭断，并沿横截面扭断。
图 五 扭转软件入主界面
4、在扭转软件入主界面内（见图五），点击‘联机’，联通电脑与扭转试验机。
5、点击‘试样录入’出现对话框（见图六），在带有*的选项内填写相应的参数。然后‘保存’、‘关闭’。
图 六 录入试样参数对话框
6、在主界面内点击‘参数设置’出现对话框第一页（见图七），开始扭矩值填写1 N·m（试验机最大扭矩值的千分之四以下即可）。点击‘下一步’，进入第二页（见图八），
在需要获取的指标前方框内打上‘√’。点击‘下一步’，进入第三页（见图九），填写铸铁断裂百分比只要小于100% 即可，而低碳钢填20~50% 即可。后面若干页的参
图七 参数设置第一页
图 八 参数设置第二页
图 十 低碳钢扭转弹性阶段的曲线
数不需变动，点击‘关闭’，返回主界面。
7、清零，①可在主界面内点击‘清零’键清零。②可在试验机控制面板上按动‘0’、‘1’、‘2’三个键完成清零。
8、点击‘试验开始’进行试验。在低碳钢试验中的弹性阶段和屈服阶段，可保持60°/min的转速，进入强化阶段后可在主界面右端‘到达速度’栏内填360°/min ，然后点击‘确定’，则试验机以每秒增加5°速率从60°/min逐渐增加到最大转速360°/min 。这样做可节省时间，对实验结果几乎没有影响。
9、记录实验结果数据。低碳钢试验结束后，①在主界面内‘结果信息’栏内只能记录到‘最大扭矩’和‘下屈服扭矩’，不全面。②进入‘数据管理’窗口，点击‘分析’，并在选项‘最大扭矩’及‘下屈服扭矩’前方框中打上‘√ ’，记录Tb 、Ts 。然后将试验曲线上的弹性阶段放大（见图十，通过点击右键，选择‘改编曲线坐标’项，选用适当纵横坐标量程 ），再选择‘跟踪采样点’项，让小黑点在斜线部分选择相应两点，并记录：φ1（X1）= ？；φ2（X2）= ？；T1（Y1）= ？；T2（Y2）= ？，用于计算G 。
图 九 参数设置第三页
七、思考题
1、低碳钢和铸铁扭转试验在变形方式和破坏特征有何不同？试分析产生破坏的原因。
2、根据拉伸、压缩和扭转试验结果， 分析塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的力学性能。
3、试对转角φ的公式进行量纲（单位）分析。
4、试说明主界面上显示的转角φ值，就是扭转试样截面Ⅱ相对于截面Ⅰ的转角？
5、对于本次实验，你的体会是什么？你有什么建议吗？
八、书写实验报告要求
6、要求每一位同学独立完成自己的实验报告，禁止抄袭 。
7、叙述清楚实验的目的、原理及做实验使用的设备、工具 。
8、记述清楚试验的具体步骤环节（主要是低碳钢扭转试验）。
9、将实验原始记录认真誊写清楚。
10、 对切变Ｇ公式进行量纲（单位）分析 。
11、 对低碳钢扭转，根据公式计算τs 、τb ，再加上材料本身物理性质决定的切变模量Ｇ 。 对铸铁，根据公式计算：τb 。要求将具体试验数据代入计算 。
九、实验数据记录
在原始记实验数据录单上需记录的主要数据项目（见图十一） 。
沈 阳 工 程 学 院
原始记实验数据录单
------------------------------------------------------------------------------------------------
扭转试验：
低碳钢： τs
（Mpa） τb
（Mpa）
d = （mm） ； L = （mm） ； Ts = （N.m）； Tb = （N.m）；
φ1= （°）； φ2 = （°） ； T1 = （N.m）； T2 = （N.m）
L （T2 – T1） 180
G = ----- -------------- ------- （Mpa）
Ip （φ2 –φ1） π
T1 和 T2代入数值计算时，选择（N.mm） 。
铸铁： τb 
（Mpa）
d = （mm）； Tb = （N.m）。
指导教师签名：
图 十一 需记录数据项目