金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法

       在石油、冶金、機械、機電等工程中，許多金屬機械零部件在工作過程中會承受一定的扭轉(zhuǎn)載荷的作用，例如各種軸類零件：電機主軸、機床主軸、汽車傳動軸和石油鉆桿等。因此，為全面詳細(xì)地了解類似在使用過程中會受到扭轉(zhuǎn)載荷作用的金屬材料的工作性能，為金屬部件的設(shè)計提出相應(yīng)依據(jù)，就需要對其扭轉(zhuǎn)性能進行測定。 

       通過金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗，可以測定出金屬材料的剪切模量、規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強度、屈服強度、抗扭強度等力學(xué)性能指標(biāo)，這對承受扭轉(zhuǎn)變形的金屬材料的力學(xué)分析計算、工程設(shè)計和新材料開發(fā)等領(lǐng)域都有著重要的作用。下面就根據(jù)GB/T10128的規(guī)定，來詳細(xì)介紹一下金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗的具體方法：

一、試驗范圍

       本方法適用于測定金屬材料在室溫下其扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能。

二、試驗原理

       對試樣施加扭矩，測量扭矩及其相應(yīng)的扭角，一般扭至斷裂，以便測定本標(biāo)準(zhǔn)定義的一項或幾項扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能。

三、符號、單位和名稱

四、試樣制取

1、圓柱形試樣

①　圓柱形試樣的形狀和尺寸見圖1。試樣頭部形狀和尺寸應(yīng)適應(yīng)試驗機夾頭夾持。推薦采用直徑為10 mm，標(biāo)距分別為50 mm和100 mm，平行長度分別為70mm和120 mm的試樣。如采用其他直徑的試樣，其平行長度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。

②　圓柱形試樣應(yīng)在標(biāo)距兩端及中間處兩個相互垂直的方向上各測一次直徑，并取其算術(shù)平均值，取用3處測得直徑的算術(shù)平均值計算試樣的極慣性矩；取用3處測得直徑的算術(shù)平均值中的小值計算試樣的截面系數(shù)。

③　按表1選用測量裝置。測量裝置應(yīng)定期進行校準(zhǔn)。

2、管型試樣

①　管形試樣的平行長度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍外直徑。其外直徑和管壁厚度的尺寸公差及內(nèi)外表面粗糙度應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議要求。試樣應(yīng)平直，試樣兩端應(yīng)間隙配合塞頭，塞頭不應(yīng)伸進其平行長度內(nèi)。塞頭的形狀和尺寸見圖 2。

②　管形試樣應(yīng)在其一端兩個相互垂直的方向上各測一次外徑，取其算術(shù)平均值。在同一端兩個相互垂直的方向上測量四處管壁厚度，取其算術(shù)平均值。取用測得的平均外直徑和平均管壁厚度計算管形試樣的極慣性矩和截面系數(shù)。

③　按表1選用測量裝置。測量裝置應(yīng)定期進行校準(zhǔn)。

五、試驗設(shè)備

1、萬測TST502新秀^®微機控制電子扭轉(zhuǎn)試驗機

萬測TST502新秀^®微機控制電子扭轉(zhuǎn)試驗機 

       新秀^®微機控制電子扭轉(zhuǎn)試驗機是萬測引進先進技術(shù)，自主研制開發(fā)的試驗機新型電氣控制系統(tǒng)，具有扭矩和轉(zhuǎn)角兩種控制模式，兩種控制模式能相互切換，能完成等扭矩加載和扭矩保持性能試驗。本系列試驗機適用于金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料的扭轉(zhuǎn)性能測試試驗。

2、扭角計 

       萬測扭轉(zhuǎn)試驗機配備可滿足試驗需求的扭角計，該扭角計采用瑞士進口千分表，扭角測量更準(zhǔn)確；結(jié)構(gòu)輕巧，操作更方便，夾持試樣效率提升；扭角分辨力大幅提升，分辨力可達(dá)到0.001°，試驗結(jié)果更加準(zhǔn)確且重復(fù)性好。

六、試驗條件

1、試驗一般在室溫 10℃～35℃范圍內(nèi)進行。對溫度要求嚴(yán)格的試驗，試驗溫度應(yīng)為23℃士5℃。

2、扭轉(zhuǎn)速度：屈服前應(yīng)在 3°/min～30°/min范圍內(nèi)，屈服后不大于720°/min。速度的改變應(yīng)無沖擊。

七、性能測定

1、剪切模量的測定

①　圖解法

用自動記錄方法記錄扭矩-扭角曲線。在所記錄曲線的彈性直線段上，讀取扭矩增量和相應(yīng)的扭角增量，見圖3。按公式（1）計算剪切模量。

②　逐級加載法

       對試樣施加預(yù)扭矩，預(yù)扭矩一般不超過相應(yīng)預(yù)期規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強度τ_p0.015的10%。裝上扭轉(zhuǎn)計并調(diào)整其零點。在彈性直線段范圍內(nèi)，用不少于5級等扭矩對試樣加載。記錄每級扭矩和相應(yīng)的扭角，讀取每對數(shù)據(jù)對的時間,以不超過10s為宜。計算出平均每級扭角增量。按公式（1）計算剪切模量。（注：允許用小二乘法將數(shù)據(jù)對擬合直線計算剪切模量。）

2、規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強度的測定

①　圖解法

      用自動記錄方法記錄扭矩-扭角曲線，見圖4。在記錄的曲線上延長彈性直線段交扭角軸于O點，截取 OC（OC=2L_eγp/d）段，過C點作彈性直線段的平行線CA交曲線于A點，A點對應(yīng)的扭矩為所求扭矩T_p，。按公式（4）計算規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強度。

②　逐級加載法

       按剪切模量測定部分主機加載法的試驗步驟對試樣施加預(yù)扭矩后，裝卡扭轉(zhuǎn)計并調(diào)整零點。在相當(dāng)于規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強度τ_p0.015的70%～80%以前，施加大等級扭矩，以后施加小等級扭矩，小等級扭矩應(yīng)相當(dāng)于不大于 10 MPa的切應(yīng)力增量。讀取各級扭矩和相應(yīng)的扭角。讀取每對數(shù)據(jù)對的時間以不超過10s為宜。

       從各級扭矩下的扭角讀數(shù)中減去計算得到的彈性部分扭角，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規(guī)定的數(shù)值為止。用內(nèi)插法求出精確的扭矩，按公式（4）計算規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強度。

3、上屈服強度和下屈服強度的測定

      采用圖解法或指針法進行測定，仲裁試驗采用圖解法。試驗時用自動記錄方法記錄扭轉(zhuǎn)曲線（扭矩-扭角曲線或扭矩-夾頭轉(zhuǎn)角曲線），或直接觀測試驗機扭矩度盤指針的指示。

     下降前的大扭矩為上屈服扭矩；屈服階段中不計初始瞬時效應(yīng)的小扭矩為下屈服扭矩；見圖 5。分別按公式（7）、公式（8）計算上屈服強度和下屈服強度。

4、抗扭強度的測定

     對試樣連續(xù)施加扭矩，直至扭斷。從記錄的扭轉(zhuǎn)曲線（扭矩-扭角曲線或扭矩-夾頭轉(zhuǎn)角曲線）或試驗機扭矩度盤上讀出試樣扭斷前所承受的大扭矩，見圖6。按公式（9）計算抗扭強度。

5、大非比例切應(yīng)變的測定

     試驗時對試樣連續(xù)施加扭矩，記錄扭矩-扭角曲線，直至扭斷。過斷裂點K作曲線的彈性直線段的平行線KJ交扭角軸于J點，OJ即為大非比例扭角，見圖6。按公式（10）計算大非比例切應(yīng)變。