实验编号3 低碳钢和铸铁扭转实验
低碳钢和铸铁扭转破坏试验
一、 概述
工程中有许多承受扭转变形的构件，了解材料在扭转变形时的力学性能，对于构件的合理设计和选材是十分重要的。材料在扭转变形下的力学性能只能通过试验来测定；扭转变形是构件的基本变形之一。因此扭转试验也是材料力学基本实验之一。
二、 实验目的
1、测定低碳钢的剪切屈服极限τs，及低碳钢铸铁的剪切强度极限τb
2、铸铁的抗扭强度极限τb
3、观察、比较分析两种材料在扭转过程中变形和破坏形式。
4、学习自动绘制T－φ曲线及微机控制电子扭转实验机、扭角仪的操作
三、 实验设备和仪器
1、 微机控制电子扭转实验机
2、 游标卡尺
3、 低碳钢和铸铁圆形扭转试件
四、试 件
扭转试验所用试件与拉伸试件的标准相同，一般使用圆形试件，d0=10mm，标距l0=50mm或100mm,平行长度l为70mm或120mm。其它直径的试样，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类矩形，如图3-1所示。
图3-1
五、 实验原理
扭转试验是材料力学试验最基本、最典型的试验之一。进行扭转试验时，把试件两夹持端分别安装于扭转试验机的固定夹头和活动夹头中，开启试验机，试件便受到了扭转荷载，试件本身也随之产生扭转变形。扭转试验机上可以直接读出扭矩M和扭转角φ，同时试验机也自动绘出了M—φ曲线图，一般φ是试验机两夹头之间的相对扭转角。扭转试验的标准是GB/T10128-1988。
因材料本身的差异，低碳钢扭转曲线有两种类型，如图3-2所示。扭转曲线表现为弹性、屈服和强化三个阶段，与低碳钢的拉伸曲线不尽相同，它的屈服过程是由表面逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区。当横截面的应力全部屈服后，试件才会全面进入塑性。在屈服阶段，扭矩基本不动或呈下降趋势的轻微波动，而扭转变形继续增加。当首次扭转角增加而扭矩不增加（或保持恒定）时的扭矩为屈服扭矩，记为Ms；首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩，记为Msu；屈服阶段中最小的扭矩为下屈服扭矩，记为MsL（不加说明时指下屈服扭矩）。对试件连续施加扭矩直至扭断，从试验机扭矩标识上读得最大值。考虑到整体屈服后塑性变形对应力分布的影响，低碳钢扭转屈服点和抗扭强度理论上应按下式计算。
τ s=M s/W ρ τ b=M b/W ρ
图3-2低碳钢 图3-3铸铁
铸铁试件扭转时，其扭转曲线不同于拉伸曲线，它有比较明显的非线性偏离，见图（3-3）。但由于变形很小就突然断裂，一般仍按弹性公式计算铸铁的抗扭强度，即
τb=Mb/Wρ
圆形试件受扭时，横截面上的应力应变分布如图3-4b、c所示。在试件表面任一点，横截面上有最大切应力τ，在与轴线成±45的截面上存在主应力σ1=τ，σ3=-τ（见图3-4a）。低碳钢的抗剪能力弱于抗拉能力，试件沿横截面被剪断。铸铁的抗拉能力弱于抗剪能力，试件沿与σ1正交的方向被拉断。
图3-4
六、 实验步骤
1．开机：试验机——>打印机——>计算机
注意：每次开机后，最好要预热10分钟，待系统稳定后，再进行试验工作。若刚刚关机，需要再开机，至少保证1分钟的时间间隔。
2．双击电脑桌面
图标，进入试验软件，选择好联机的用户名和密码
选择对应的传感器及扭角仪后击 
。
3．根据试样情况准备好夹具，若夹具已安装到试验机上，则对夹具进行检查,并根据试样的长度及夹具的间距设置好限位装置。
4．点击
里的新试验，选择相应的试验方案，输入试样的原始用户参数如尺寸等。测量试样的尺寸方法为：用游标卡尺在试样标距两端和中间三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直方向各测量一次，取其平均值。用三个平均值中最小者计算Wρ
5．划线：在试件的两端和中间用彩色粉笔画三个圆周线，并沿试件表面划一母线，以便观察低碳钢扭转时的变形情况（铸铁变形较小不用画此线）。
6．装夹试样
7．先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显的偏差，请按下“正传”或“反转”按键进行微调。
8．将已安装卡盘的试样的一端放入从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试样夹紧。
9．按“扭矩清零”按键或试验操作界面上的扭矩“清零”按钮。
10． 推动移动支座移动，使试样的头部进入主动夹头的钳口间。
11． 先按下“试样保护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试样夹紧。
12． 按“扭转角清零”按键，（点击扭角窗口的
按钮）使计算机显示屏上的扭转角显示值为零。
13． 将测量辊放在卡盘上。
14． 点击
，开始自动试验，软件自动切换到试验界面。
15． 观察试验过程
16． 试验结束，在试验结果栏中，程序将自动计算出结果显示在其
中。如果想清楚的观看结果，可双击试验结果区，试验结果区将放大到半屏，方便观看结果数据，再次双击，试验结果区大小复原。如果想分析曲线，双击曲线区，曲线区将放大到半屏，方便分析曲线，再次双击，曲线区大小复原。
17、 实验完成后，点击
,打印试验报告。
18、 关闭试验窗口及软件；
关机：试验软件——>试验机——>计算机。
七、结果整理
1、计算低碳钢的剪切屈服极限 τs=
强度极限 τb=
2、铸铁的强度极限 τb=
式中Wρ=
d3是试件的抗扭截面模量。
八、预习要求：
1、复习课程中的扭转理论。
2、阅读扭转实验指导书。
九、思考题
1、低碳钢拉伸和扭转的断裂方式是否一样？破坏原因是否一样？
2、铸铁在压缩破坏和扭转破坏试验中，断口外缘与轴线夹角是否相同？破坏原因是否相同？
3、分析低碳钢拉伸曲线与扭转曲线的相似处和异同点？
第二篇：实验二 低碳钢和铸铁的压缩实验
实验二 金属材料（低碳钢和铸铁）的压缩实验
一、实验目的
（1）比较低碳钢和铸铁压缩变形和破坏现象。
（2）测定低碳钢的屈服极限σs和铸铁的强度极限σb。
（3）比较铸铁在拉伸和压缩两种受力形式下的机械性能、分析其破坏原因。
二、验仪器和设备
（1）万能材料试验机。
（2）游标卡尺。
三、 试件介绍
根据国家有关标准，低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成圆柱形试件。低碳钢压缩试件的高度和直径的比例为3：2，铸铁压缩试件的高度和直径的比例为2：1。试件均为圆柱体。
四、实验原理及方法
压缩实验是研究材料性能常用的实验方法。对铸铁、铸造合金、建筑材料等脆性材料尤为合适。通过压缩实验观察材料的变形过程、破坏形式，并与拉伸实验进行比较，可以分析不同应力状态对材料强度、塑性的影响，从而对材料的机械性能有比较全面的认识。
压缩试验在压力试验机上进行。当试件受压时，其上下两端面与试验机支撑之间产生很大的摩擦力，使试件两端的横向变形受到阻碍，故压缩后试件呈鼓形。摩擦力的存在会影响试件的抗压能力甚至破坏形式。为了尽量减少摩擦力的影响，实验时试件两端必须保证平行，并与轴线垂直，使试件受轴向压力。另外。端面加工应有较高的光洁度。
低碳钢压缩时也会发生屈服，但并不象拉伸那样有明显的屈服阶段。因此，在测定Ps时要特别注意观察。在缓慢均匀加载下，测力指针等速转动，当材料发生屈服时，测力指针转动将减慢，甚至倒退。这时对应的载荷即为屈服载荷Ps。屈服之后加载到试件产生明显变形即停止加载。这是因为低碳钢受压时变形较大而不破裂，因此愈压愈扁。横截面增大时，其实际应力不随外载荷增加而增加，故不可能得到最大载荷Pb,因此也得不到强度极限?b，所以在实验中是以变形来控制加载的。
铸铁试件压缩时，在达到最大载荷Pb前出现较明显的变形然后破裂，此时试验机测力指针迅速倒退，从动针读取最大载荷Pb值，铸铁试件最后略呈故形，断裂面与试件轴线大约呈450。
图2—2 低碳钢压缩图 铸铁压缩图
五、实验步骤
（1）试验机准备。根据估算的最大载荷，选择合适的示力度盘（量程）按相应的操作规程进行操作。
（2）测量试件的直径和高度。测量试件两端及中部三处的截面直径，取三处中最小一处的平均直径计算横截面面积。
（3）将试件放在试验机活动台球形支撑板中心处。
（4）开动试验机，使活动台上升，对试件进行缓慢均匀加载，加载速度为0.5mm/min。对于低碳钢，要及时记录其屈服载荷，超过屈服载荷后，继续加载，将试件压成鼓形即可停止加载。铸铁试件加压至试件破坏为止，记录最大载荷。
（5）取出试件，将试验机恢复原状。观察试件。
试验后材料破坏情况
观察低碳钢铸铁两种材料的破坏变形情况，分析原因：
低碳钢：试样逐渐被压扁，形成圆鼓状。这种材料延展性很好，不会被压断，压缩时产生很大的变形，上下两端面受摩擦力的牵制变形小，而中间受其影响逐渐减弱。
铸铁：压缩时变形很小，承受很大的力之后在大约45度方向产生剪切断裂，说明铸铁材料受压时其抗剪能力小于抗压能力。
图2—3 低碳钢、铸铁压缩后变形图
六、实验结果的处理
（1）计算低碳钢的屈服极限?s
?s?
（2）计算铸铁的强度极限?b
Ps
（2.1） A0
?b?
Pb
（2.2） A0
12
其中A0??d0，d0为试件实验前最小直径。
4
七、思考题
（1）为何低碳钢压缩测不出破坏载荷，而铸铁压缩测不出屈服载荷？ （2）根据铸铁试件的压缩破坏形式分析其破坏原因，并与拉伸作比较？
（3）通过拉伸与压缩实验，比较低碳钢的屈服极限在拉伸和压缩时的差别？ （4）通过拉伸与压缩实验，比较铸铁的强度极限在拉伸和压缩时的差别？
八、实验记录参考表格
