实验原理
对一确定形状试件两端施加一对大小为
的外力偶，试件便处于扭转受力状态，此时试件中的单元体处于如图4.1所示的纯剪应力状态。
图4.1纯剪应力状态
对单元体进行平衡分析可知，在与试样轴线成
角的螺旋面上，分别承受主应力
，
的作用，这样就出现了在同一个试件的不同截面上
的情形。这样对于判断材料各极限强度的关系提供了一个很好的条件。
图4.2为低碳钢Q235和铸铁HT200试件的扭转实验全过程中其扭矩 T 和扭转角φ的关系曲线。
图4.2低碳钢和铸铁扭转
曲线
由图4.2知低碳钢扭转实验时，当扭矩在OA之内时，材料处于线弹性变形状态，OA段遵循切变胡克定律，在这阶段可以测定切变模量G 。故
是外缘剪应力等于剪切比例极限时的扭矩。扭矩超过
后，AB段曲线试件横截面积上的剪应力分布发生变化，产生明显屈服现象。试件继续扭转变形，塑性区域不断向内扩展， 
曲线缓慢上升，直至材料完全达到屈服，扭矩不再增加。如图 4.3所示。此时屈服点为：
（式中
是试件的扭转截面系数）
图4.3低碳钢扭转应力分布图
扭矩持续增加至最大值时试件被扭断，并以此定义低碳钢抗扭强度
。
低碳钢的扭转屈服点和抗剪强度理论上应按
， 
计算，但是，为了实验结果相互之间的可比性，根据国标《金属扭转实验方法》（GB/T10128-1988）的规定，低碳钢的扭转屈服点和抗扭强度仍采用
，
计算。
铸铁试件从开始受扭直到破坏材料处于纯剪切应力状如图4.1 其
曲线近斜直线如图4.2所示。抗扭强度为：
在纯剪切应力状态时，在
斜截面上产生最大主拉应力 
，由于低碳钢的抗拉强度大于抗剪强度，所以沿横截面被剪断，断口平齐。而铸铁的抗拉强度小于抗剪强度。故试件沿断口成
螺旋面方向被拉断如图4.4所示：
图4.4低碳钢和铸铁扭转破坏断口形式
由图 3.2 低碳钢扭转 曲线可以看出，低碳钢 Q235 的扭转 曲线类似于拉伸的 
曲线，有明显的弹性阶段、流动屈服阶段及强化阶段。在弹性阶段，根据扭矩平衡原理，由剪应力产生的合力矩需与外加扭矩相等，可得剪应力沿半径方向的分布 
为：
在弹性阶段剪应力的变化如图 3.5 所示
图 3.5 低碳钢扭转试件弹性阶段应力分布变化
在弹性阶段剪应力沿圆半径方向呈线性分布，据此可得
当外缘剪应力增加到一定程度后 ，试件的边缘产生流动现象，试件承受的扭矩瞬间下降，应力重新分布至整个截面上的应力均匀一致，称之为屈服阶段，在屈服阶段剪应力的变化如图3.6所示
图 3.6 低碳钢扭转试件屈服阶段应力分布变化
称达到均匀一致时的剪应力为剪切屈服强度（
），其对应的扭矩为屈服扭矩，习惯上将屈服段的最低点定义为屈服扭矩，同样根据扭矩平衡原理可得：
应力均匀分布后，试件可承受更大的扭矩，试件整个截面上的应力均匀增加，直至试件剪切断裂，如图3.4所示，最大剪应力对应的扭矩为最大扭矩，定义最大剪应力为剪切强度。
通过以上的分析可知：在低碳钢的扭转时，可以得到剪切强度极限，但由于不同材料的破坏形式并不一致，其剪切强度的计算公式并不相同，鉴于此，为方便计算及不同材料力学特性的比较，国标《金属扭转实验方法》（GB/T10128-1988）的规定，材料的扭转屈服点和抗扭强度按公式 ， 计算。需要注意的是，国标定义的强度为抗扭强度而非剪切强度。
由图3.2铸铁扭转 曲线可以看出，铸铁HT200的扭 转曲线类似于拉伸的 曲线，没有屈服阶段及强化阶段。从 图3.1纯剪应力状态及图3.4铸铁扭转破坏断口形式可以看出，铸铁的破坏是沿与轴线成45度螺旋面方向被拉伸破坏的，也就是说，在图3.1纯剪应力状态单元体中，拉应力首先达到拉伸强度值。其抗扭强度的计算同低碳钢试件，且此时抗扭强度等于最大扭矩时的最大剪应力（即边缘剪应力）。
由以上分析可知：铸铁的扭转破坏是由于拉应力引起的拉伸破坏，通过扭转实验可间接测得铸铁试件的拉伸强度，但无法得到其剪切强度。
