在機(jī)械、石油、冶金等眾多工程領(lǐng)域中，許多機(jī)械零部件承受著扭轉(zhuǎn)載荷的作用，例如電機(jī)主軸、機(jī)床主軸、汽車(chē)傳動(dòng)軸、石油鉆桿以及各種彈簧等。這些零部件的性能直接關(guān)系到設(shè)備的安全運(yùn)行和使用壽命，因此，必須準(zhǔn)確測(cè)定其相關(guān)材料的扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)，為設(shè)計(jì)和選材提供科學(xué)依據(jù)。而扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)作為一種重要的材料力學(xué)性能測(cè)試方法，扮演著重要的角色。接下來(lái)，科準(zhǔn)測(cè)控小編將帶你深入了解扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容。
一、測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是測(cè)定材料抵抗扭矩作用的一種試驗(yàn)方法，是材料機(jī)械性能試驗(yàn)的基本試驗(yàn)方法之一。其原理是對(duì)試樣施加扭矩 T，同時(shí)測(cè)量扭矩 T 及相應(yīng)的扭角 ?，并繪制出扭轉(zhuǎn)曲線圖。通常，試驗(yàn)會(huì)進(jìn)行至試樣斷裂，從而測(cè)定金屬材料的各項(xiàng)扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標(biāo)，包括屈服扭矩、抗扭強(qiáng)度、剪切模量等。
扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)不僅可用于測(cè)定塑性材料和脆性材料的剪切變形和斷裂的全部力學(xué)性能指標(biāo)，還具有其他力學(xué)性能試驗(yàn)方法所無(wú)法比ni的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)觀察試樣的斷口特征，可以判斷產(chǎn)生斷裂的原因以及材料的抗扭強(qiáng)度和抗拉（壓）強(qiáng)度的相對(duì)大小。
1、塑性材料：斷口與試件的軸線垂直，斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡，這是由切應(yīng)力造成的切斷（圖 a）。
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2、脆性材料：斷口約與試件軸線成 45 度螺旋狀（圖 b）；如果材料的軸向切斷抗力比橫向的低，扭轉(zhuǎn)斷裂時(shí)可能出現(xiàn)層狀或木片狀斷口（圖 c）。
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在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著扭矩的增大，試件標(biāo)距兩端截面不斷產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使扭轉(zhuǎn)角增大。利用試驗(yàn)機(jī)的繪圖裝置繪出曲線，即 M? 曲線（又稱扭轉(zhuǎn)圖），來(lái)描述材料在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的力學(xué)行為。
根據(jù)材料性能的不同，扭轉(zhuǎn)曲線可以分為兩種典型情況：低碳鋼和鑄鐵。
低碳鋼的扭轉(zhuǎn)曲線分為三個(gè)階段：
1、彈性階段（OA）：外加扭矩不超過(guò)彈性范圍時(shí)，變形是彈性的，M? 曲線是一條直線。當(dāng)邊緣處的剪應(yīng)力達(dá)到剪切屈服極xian時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的扭矩為 Ms。截面上的應(yīng)力呈線性分布，表面的剪應(yīng)力最大，即 τmax=Ms/W。
2、屈服階段（AB）：超過(guò)彈性范圍后，試樣開(kāi)始屈服。屈服過(guò)程是由表面至圓心逐漸進(jìn)行的，此時(shí) M? 曲線開(kāi)始變彎，橫截面的塑性區(qū)逐漸向圓心擴(kuò)展，截面上的應(yīng)力不再是線性分布。試樣整體屈服后，M? 曲線上出現(xiàn)屈服平臺(tái)，此時(shí)主動(dòng)指針指示的最小值屈服扭矩記作 Ms。
3、強(qiáng)化階段（BC）：超過(guò)屈服階段后，M? 曲線又開(kāi)始上升，表明材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，即材料要繼續(xù)變形，扭矩就必須不斷增長(zhǎng)。低碳鋼有很長(zhǎng)的強(qiáng)化階段，但沒(méi)有頸縮直至斷裂。
根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)試樣分為圓柱形試樣和管形試樣兩類(lèi)。
推薦采用直徑為 10 mm，標(biāo)距分別為 50 mm 和 10 mm，平行長(zhǎng)度分別為 70 mm 和 120 mm 的試樣。如果采用其他直徑的試樣，其平行長(zhǎng)度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。
管形試樣的平行長(zhǎng)度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍外直徑。
允許使用不同類(lèi)型的機(jī)械式或電子式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)扭矩示值相對(duì)誤差應(yīng)不大于 ±1%，并應(yīng)由計(jì)量部門(mén)定期進(jìn)行檢定。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)兩夾頭中之一應(yīng)能沿軸向自由移動(dòng)，對(duì)試樣無(wú)附加軸向力，兩夾頭保持同軸。試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩，無(wú)沖擊和震動(dòng)，并在 30 s 內(nèi)保持扭矩恒定。
試驗(yàn)溫度：應(yīng)在室溫 10~35℃下進(jìn)行。
扭轉(zhuǎn)速度：屈服前應(yīng)在 3°~30°/min 范圍內(nèi)，屈服后不大于 720°/min。速度的改變應(yīng)無(wú)沖擊。
2、剪切模量的測(cè)定
圖解法：用自動(dòng)記錄方法記錄扭矩一扭角曲線。在曲線的彈性直線段上讀出扭矩增量和扭角增量，按公式計(jì)算剪切模量 G。
逐級(jí)加載法：在彈性直線段范圍內(nèi)，用不少于 5 級(jí)等扭矩對(duì)試樣加載。記錄每級(jí)扭矩和相應(yīng)的扭角，計(jì)算出平均每級(jí)扭角增量，按圖解法中公式計(jì)算剪切模量 G。
用自動(dòng)記錄方法記錄扭矩一扭角曲線。在曲線上延長(zhǎng)彈性直線段交扭角軸于 O 點(diǎn)，截取 OC 段，過(guò) C 點(diǎn)作彈性直線段的平行線 CA 交曲線于 A 點(diǎn)，A 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的扭矩為 Tp。
采用圖解法或指針?lè)y(cè)定。試驗(yàn)時(shí)用自動(dòng)記錄方法記錄扭轉(zhuǎn)曲線，或直接觀測(cè)試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤(pán)指針的指示。shou次下降前的最大扭矩為上屈服扭矩，屈服階段中不計(jì)初始瞬間效應(yīng)的最小扭矩為下屈服扭矩。
對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩，直至扭斷。從記錄的扭轉(zhuǎn)曲線或試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤(pán)上讀出試樣扭斷前承受的最大扭矩，用公式計(jì)算抗扭強(qiáng)度。
八、 試樣斷口分析
1、塑性材料斷口：表明斷裂是由剪應(yīng)力引起的。斷面上可看出回旋狀塑性變形的痕跡，是典型的韌狀斷口。斷裂時(shí)的剪應(yīng)力定義為強(qiáng)度極限，記作 τb。
2、脆性材料斷口：表明斷裂是由最大拉應(yīng)力引起的。而最大拉應(yīng)力先于最大剪應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后發(fā)生斷裂，又說(shuō)明了鑄鐵的抗拉能力弱于其抗剪能力。
純扭轉(zhuǎn)時(shí)圓試樣的表面處于純剪應(yīng)力狀態(tài)，與桿軸成 ±45° 角的螺旋面上分別作用著兩個(gè)主應(yīng)力 σ1、σ3，并與最大剪應(yīng)力 τmax 絕對(duì)值數(shù)值相等。因此，試樣的斷口角度直接顯示材料是拉斷還是剪斷，以及材料自身抗拉、抗剪能力的強(qiáng)弱。
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