金属材料扭转时的机械性能对于承受扭矩作用的构件十分重要，由于这些力学性能指标直接影响着受扭矩作用的构件（主要是各类传动轴类）的设计、制造和使用，而扭转力学性能的测试都要通过扭转试验来测定，因此扭转试验是金属力学性能试验中的一种重要试验方法。在冶金产品的生产检验、控制及金属材料与加工工艺的开发研究方面也常应用扭转试验方法，并且用圆柱试样进行扭转试验时，试样沿长度方向的塑性变形始终是均匀的，各部位都相同，没有颈缩现象。这样，对于塑性很好的材料，可以运用扭转试验更精确地测定其应力和应变的关系；对于如工具钢等脆性材料，在拉伸试验中难以测定其韧性状态下的机械性能，运用扭转试验有可能使它处于韧性状态，进行强度和塑性的测定。可见，无论是塑性材料还是脆性材料，运用扭转试验测定其强度和塑性都是一种较为理想的测定方法。 根据金属材料的扭转试验，可以测定以下力学性能指标：扭转屈服极限τs、扭转强度极限τb、剪切弹性模量(又称切变模量)G、规定非比例扭转应力τP等。
扭转试验机主要用于测定金属或非金属材料受扭矩作用时的力学性能指标。扭转试验机类型很多，主要有两类：一类为机械传动式试验机，采用机械传动加载，用摆锤式机构测扭矩；另一类为机械电子式试验机，采用支流电动机无级调速机械传动加载，用电子自动平衡随动系统测扭矩。图23-1所示即为后者的一种。
根据纯扭转变形的特点，需要扭转试验机提供的力源应是使圆柱形试样各截面只绕轴线产生转动的扭矩。一般扭转试验机都具有固定夹头和能旋转加载的主动夹头，扭转试样装夹于两夹头中，并使夹头和试样的轴线处于重合，这样作用于试样两端的是等大、反向、作用面垂直于轴线的两个力偶，强迫试样产生扭转变形。
扭转试验机的主动夹头可由手动或机械操作，经蜗轮、蜗杆等传动机构的传动对试样施加
扭矩。试样的抗力由固定夹头与其相联的摆杆、砝码或杠杆、游砣保持平衡。摆杆抬起的角度或游砣移动的位移与试样的抗力成线性关系。
扭转试验机的测力示值系统和载荷位移记录系统的工作原理与万能试验机完全相同。请参阅§2-1，此不再赘述。
二、圆轴扭转机械性能的测定
材料在扭矩作用下的力学行为，由扭转试验来揭示，其实验原理是对试样施加扭矩，测量扭矩及其相应的扭角，一般扭至断裂，以便测定材料的一项或几项扭转力学性能。
对于金属材料室温扭转性能的测定，我国规定有《金属室温扭转试验方法》的标准。目前执行的是GB10128-88标准。此部分内容就是根据此标准编写的。
（一）试样
1、形状与尺寸
圆形试样的形状和尺寸见图23-2。试样头部的形状和尺寸应适合试验机夹头夹持。推荐采
用直径为10 mm、标距分别为50 mm和100 mm，平行长度分别为70 mm和120 mm的试样。如果采用其他直径的试样，其平行长度应为标距加上两倍直径。
图23-2 圆截面试样
管形试样的平行长度应为标距加上两倍外直径。其外直径和管壁厚度的尺寸公差及内外表面粗糙度应符合有关标准或协议要求。试样应平直，试样两端应间隙配合塞头，塞头不应伸进其平行长度内。2、试样尺寸的测量
圆形试样应在标距两端及其中间处两个相互垂直的方向上各测一次直径，并取其算术平均值，取用三处测得直径的算术平均值计算试样的极惯性矩；取用三处测得直径的算术平均值中的最小值计算试样的截面系数。
管形试样应在其一端两个相互垂直的方向上各测一次外直径，取其算术平均值。在同一端两个相互垂直的方向上测量四处管壁厚度，取其算术平均值。取用测得的平均外直径和平均管壁厚度计算管形试样的极惯性矩和截面系数。
按表23-1选用量具。量具应由计量部门定期进行检定。
测量时应估读到量具最小分度的半个分度值。
表23-1 量具的选用人工抽脂 mm
试 样 尺 寸 | 量具的最小分度值 不大于 |
直 径 | 0.01 |
壁 厚 | ＜1 ＞1 | 0.002 颗粒冷却塔0.01 |
标 距 | 0.05 |
| | |
（二）试验设备的准确度
1、试验机
试验机扭矩示值相对误差应不大于±1%。
汽轮机转子试验时，试验机两夹头中之一应能沿轴向自由移动，对试样无附加轴向力，两夹头保持同轴。
试验机应能对试样连续施加扭矩，无冲击和震动。
应具有良好的读数稳定性，在30 s内保持扭矩恒定。
氧化锆全瓷试验机应由计量部门定期进行检定。
2、扭转计
允许使用不同类型的扭转计测量扭角，推荐使用电子型扭转计，但均必须满足如下要求：
⑴ 扭转计偏差应不大于±0.5%，并能牢固地装卡在试样上，试验过程中不发生滑移；
⑵ 扭转计示值线性误差应不大于±1%；
⑶ 扭转计应进行表定。
（三）试验要求
1、试验环境条件
试验应在室温（10℃～35℃）下进行。
2、扭转速度
屈服前应在6°～30°/min范围内，屈服后不大于360°/min。速度的改变应无冲击。
（四）主要性能的测定
1、切变模量（G）的测定
切变模量指切应力与切应变成线性比例关系范围内切应力与切应变之比。
⑴ 图解法
试验时，用自动记录方法记录扭矩-扭角曲线。扭矩轴比例的选择应使扭矩-扭角曲线的弹性直线段的高度超过扭矩轴量程的1/2以上。扭角轴放大倍数的选择应使扭矩-扭角曲线的弹性直线段与扭矩轴夹角不小于40°为宜。在所记录曲线的弹性直线段上，读取扭矩增量（ΔT）和相应的扭角增量（Δφ），见图23-3。按公式（23-1）计算切变模量。
（23-1）
式中Le为扭转计标距（指用扭转计测量试样扭角所使用试样部分的长度），I ρ为试样的极惯性矩，其计算公式为：
圆形试样： I ρ=πd04/32 （23-2）
管形试样： （23-3）
⑵ 逐级加载法
试验时，对试样施加预扭矩，预扭矩一般不超过相应于预期规定非比例扭转应力τP0.015的
10%。装上扭矩计并调整其零点。在弹性直线段范围内，用不少于5级等扭矩对试样加载。记录每级扭矩和相应的扭角，读取每对数据对的时间以不超过10 s为宜。计算出平均每级扭角增量，按公式（23-1）计算切变模量。
注：允许用最小二乘法将数据拟合直线计算切变模量。
2、规定非比例扭转应力（τP）的测定
规定非比例扭转应力指扭转试验中，试样标距部分外表面上的非比例切应变达到规定数值时，按弹性扭转公式计算的切应力。表示此应力的符号应附以脚注说明例如τP 0.015、τP 0.3等，分别表示规定的非比例切应变达到0.015%和0.3%时的切应力。
⑴ 图解法
试验时，用自动记录方法记录扭矩-扭角曲线，见图23-4。应选择适当的扭矩轴比例，使所要测定的应力对应的扭矩处于扭矩轴量程的1/2以上。选择扭角轴的放大倍数应使图23-4中的OC段大于5mm。在记录所得的曲线上延长弹性直线段交扭角轴于O点，截取OC（OC =2nLeγP/d0）段，过C点作弹性直线段的平行线CA交曲线于A点，则A点对应的扭矩即为所求的扭矩TP 。按公式（23-4）计算规定非比例扭转应力。
τP=TP/Wρ （23-4）
式中Wρ为试样的抗扭截面系数，其计算公式为：
圆形试样： Wρ=πd03/16 （半轴螺栓23-5）
管形试样： （23-6）
⑵ 逐级加载法
试验时，按前述1⑵的方法对试样施加预扭矩后，装卡扭矩计并调整零点。在相当于规定非
比例扭转应力τP 0.015的70%～80%以前，施加大等级扭矩，以后施加小等级扭矩，小等级扭矩应相当于不大于10 N/mm2的切应力增量。读取各级扭矩和相应的扭角，读取每对数据对的时间以不超过10 s为宜。
从各级扭矩下的扭角读数中减去计算得的弹性部分扭角，即得非比例部分扭角。施加扭矩直至得到非比例扭角等于或稍大于所规定的数值为止。用内插法求出精确的扭矩，按公式（23-4）计算规定非比例扭转应力。
3、屈服点(τs)、上屈服点(τsu)和下屈服点(τsl)的测定
屈服点是指在扭转试验中，扭角增加而扭矩不增加（保持恒定）时，按弹性扭转公式计算的切应力。如扭矩发生下降，则应区分上屈服点和下屈服点。
上屈服点指扭转试验中，以首次发生下降前的最大扭矩按弹性扭转公式计算的切应力；下屈服点指以屈服阶段中的最小扭矩按弹性扭转公式计算的切应力。
采用图解法或指针法进行测定（仲裁试验采用图解法）。试验时，用自动记录方法记录扭转曲线（扭矩-扭角曲线或扭矩-夹头转角曲线），或直接观测试验机扭矩盘指针的指示。
当首次扭角增加而扭矩不增加（保持恒定）时的扭矩为屈服扭矩；首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩；屈服阶段中最小的扭矩为下屈服扭矩。分别按公式(23-7)、(23-8)和(23-9)计算屈服点、上屈服点和下屈服点。
τs=Ts/Wρ （23-7）
τsu=Tsu/Wρ （23-8）
τsl=Tsl/Wρ （23-9）
式中的截面系数按公式(23-5)或(23-6)计算。
4、抗扭强度（τb）的测定
抗扭强度指试样在扭断前承受的最大扭矩，按弹性扭转公式计算的切应力。
试验时，对试样连续施加扭矩，直至扭断。从记录的扭转曲线（扭矩-扭角曲线或扭矩-夹头转角曲线）或试验机扭矩度盘上读出试样扭断前所承受的最大扭矩（见图23-5）。按公式（23-10）计算抗扭强度。
τb=Tb/Wρ （23-10）
式中的截面系数按公式（23-5）或（23-6）计算。
5曲嘉瑞、最大非比例切应变（γmax）的测定
最大非比例切应变指试样扭断时，其外表面上的最大非比例切应变。
试验时，对试样连续施加扭矩，记录扭矩-扭角曲线，直至扭断。过断裂点K作曲线弹性直线段的平行线KJ交扭角轴于J点，OJ即为最大非比例扭角（见图23-5）。按公式（23-11）计算最大非比例切应变。
（23-11）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议