金屬扭轉(zhuǎn)試驗（教案）

第四章 金屬扭轉(zhuǎn)試驗在機械、石油、冶金等工程中有很多機械零部件承受扭轉(zhuǎn)載荷作用的實例，如各種軸扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)，為設(shè)計供給依據(jù)。扭轉(zhuǎn)試驗是對圓柱形試樣施加扭矩T(使試樣兩端承受大小相等、方向相反、作用面TφT-φ扭轉(zhuǎn)曲線圖，一般扭至斷裂，以便測定金屬材料的各項扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標(biāo)。圓柱形試樣的扭轉(zhuǎn)試驗具有以下的特點：用圓柱形試樣進展扭轉(zhuǎn)時，從試驗開頭直至破斷，在試樣的整個工作長度上塑性沒有縮頸現(xiàn)象。因此，可以用扭轉(zhuǎn)試驗準(zhǔn)確地測定高塑性金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。剪切試驗只能測定材料的抗剪強度，對于高塑性材料，由于常伴隨著彎曲變形而不能得到正確的結(jié)果，扭轉(zhuǎn)試驗則能較全面地了解材料在切應(yīng)力作用下的行為。度和塑性。4-145°。因此，扭轉(zhuǎn)試驗可以明顯地區(qū)分材料的斷裂方式：正斷或切斷。這一點其他試驗不能與之相比。扭轉(zhuǎn)試驗時，試樣橫截面上沿直徑方向切應(yīng)力和切應(yīng)變的分布是不均勻的，試樣外表的切應(yīng)力和切應(yīng)變最大。因此，扭轉(zhuǎn)試驗可以靈敏地反映材料的外表缺陷。第一節(jié) 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性質(zhì)一、扭轉(zhuǎn)時切應(yīng)變材料力學(xué)假設(shè)扭轉(zhuǎn)時圓柱體的變形：α，圓柱體上全部矩形格子扭歪成相像平行四邊形；φ，而圓周線外形、長短及兩圓周線間距離都未轉(zhuǎn)變。由材料力學(xué)可知：半徑為r(mm)的圓柱體，在距離圓柱體軸線為ρ的一層薄壁圓筒上任一點處的切應(yīng)變： d/dx 0r即：圓柱體橫截面上任一點扭轉(zhuǎn)時的切應(yīng)變與該點到軸線的距離ρ成正比，圓柱體外表的切應(yīng)變最大。d〔mm)，Lc(mmφ時，圓柱體外表的切應(yīng)變：r/Lc二、扭轉(zhuǎn)時切應(yīng)力

d/2Lc

(4-1)在彈性范圍內(nèi)，由剪切虎克定律，切應(yīng)力和切應(yīng)變成正比G 〔4-2〕式中 G一剪切彈性模量，MPa。在試樣外表，ρ＝r，切應(yīng)力τρ Tr/I (4-3)max p即：圓柱體橫截面上任一點扭轉(zhuǎn)時的切應(yīng)力τ與外加扭矩T以及該點到軸線的距離ρρIp4-3令W IP

/r，也是僅與橫截面的外形和尺寸有關(guān)的幾何量，稱為扭轉(zhuǎn)試樣截面系數(shù)。則： T/W (4-4)max P實心圓截面:I P 32

(4-6)W P 16

(4-7)2空心圓截面： IP

試驗 4－3(d4d4) 132

第四章金屬扭轉(zhuǎn)(4-8)式中dd——空心圓截面內(nèi)徑；1d4)W 1P 16

(4-9)當(dāng)切應(yīng)力使試樣外表發(fā)生塑性變形時，圓柱體橫截面上的切應(yīng)力τρ的距離ρ失去比例關(guān)系，如圖4－4所示。薄壁管扭轉(zhuǎn)時的切應(yīng)力 當(dāng)薄壁管的壁厚ao遠小于其平均半徑rm時(r ddm 1

2)，a /r0

10橫截面上沿壁厚方向切應(yīng)力近似相等，它們對方程為:T2rar 0m 0 mm 0所以薄壁管扭轉(zhuǎn)時的切應(yīng)力：T/2r2a

(4-11)m 0驗過程，即:公式T/2r2am 0

不僅可用于薄壁管扭轉(zhuǎn)彈性變形階段，也可用于薄壁管扭轉(zhuǎn)塑性變形階段。

其次節(jié) 扭轉(zhuǎn)試樣及試驗設(shè)備一、扭轉(zhuǎn)試樣圓柱形扭轉(zhuǎn)試樣的外形和尺寸如圖4-5所示。試樣的頭部外形和尺寸應(yīng)適合試驗機夾頭夾持。推舉承受直徑為lOmm，標(biāo)距分別為5Omm和lOOmm，平行長度分別為7Omm和12Omm糙度要求較拉伸試樣高。第四章金屬扭轉(zhuǎn)試驗 4－3糙度應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議要求。試樣應(yīng)GB/T228-2023D。二、試驗設(shè)備(一)扭轉(zhuǎn)試驗機允許使用不同類型的機械式或電(2)試驗時，試驗機兩夾頭中之一應(yīng)能沿軸向自由移動，對試樣無附加軸向力，兩夾頭保持同軸。平穩(wěn)、無振動、無沖擊。(二)扭轉(zhuǎn)計計等，推舉使用電子型扭轉(zhuǎn)計。1%。扭轉(zhuǎn)計應(yīng)定期進展標(biāo)定。第三節(jié) 金屬扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標(biāo)的測定一、試驗條件試驗應(yīng)在室溫10～35℃下進展。360°/min。速度的轉(zhuǎn)變應(yīng)無沖擊。二、規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幣的測定由塑性理論可知，在扭轉(zhuǎn)試驗的塑性變形階段，對大局部材料來說，試樣外表的最ε

p0.01

p0.2

、相對應(yīng)的γ 、γ 。p0.015 p0.34(一)圖解法

試驗 4－5

第四章金屬扭轉(zhuǎn)試驗時，安裝試樣并裝卡扭轉(zhuǎn)計，按規(guī)定的試驗速度對4-6。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)軸比例，便所要測定的應(yīng)力對應(yīng)的扭矩處于n4-7性直線段與扭角軸的交點0起，截取OC段(OC段長度為2nL/dCCAAc p 0p Tp P

/W (4-12)(二)逐級加載法τ

p0.015τ

p0.015

lOMPa10s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)插法求出準(zhǔn)確的扭矩，按公式(4-12)計算規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ。p三、屈服點τs、上屈服點τsu、下屈服點τsl的測定承受圖解法或指針法進展測定(仲裁試驗承受圖解法)。試驗時，對試樣連續(xù)施加扭矩，同時記錄扭矩-扭角曲線或直接觀測試驗機扭矩度盤指針的指示或數(shù)顯器讀數(shù)。當(dāng)首次扭角增加而扭矩不增加(保持恒定)時的扭矩為屈服扭矩人;首次下降前的最大扭矩為上Tsu；Tsl。屈服點τs、上屈服點τsu屈服點τsl TS S

/W (4-13) TSU SU

/W (4-14)第四章金屬扭轉(zhuǎn)試驗 4－5 Tsl sl

/W (4-15)四、抗扭強度τb與最大非比例切應(yīng)變γ

的測定max試驗時，對試樣連續(xù)施加扭矩，同時記錄扭矩-扭角曲線，直至試樣扭斷。從記錄的扭矩-扭角曲線(見圖4-7)或試驗機扭矩度盤上讀取試K扭角為最大非比例扭角 ?？古姸扰c最大非比例切max應(yīng)變 的計算如下:max Tb B

/W (4-16) %d /2L100 (4-17)max 0 max eG(一)圖解法安裝試樣并裝卡扭轉(zhuǎn)計，按規(guī)定的試驗速度對試樣連續(xù)施加扭矩，同時記錄扭矩-扭角曲線。記錄時扭矩軸比例的選擇應(yīng)使扭矩-扭角曲線的彈性直線段的高度超過扭矩軸不小40°為宜。在記錄的曲線圖上，借助于直尺的直邊確定最正確彈性直線段。讀取該直線段的扭矩增量ΔTΔφ。按公式(4-15)G:GTLc(二)逐級加載法

/Ip

(4-18)試驗時，首先對試樣施加預(yù)扭矩，預(yù)扭矩一般不超過預(yù)期規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力p0.0155(4-18)G。六、真實規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與真實抗扭強度的測定與該點到軸線的距離ρ失去比d3GB/T1O128-1988A6第四章金屬扭轉(zhuǎn)試驗 4－7實抗扭強度的測定方法，并指出僅當(dāng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議提出要求時才執(zhí)行。試驗時，用與前面一樣的方法進展試驗，記錄扭矩-扭角曲線。3TdT/d確實定4-8過規(guī)定非比例應(yīng)變點作彈性直線段的平行線與曲線交于ATlT1。讀取ATA

和扭矩T1。按公式(4-19)計算真實規(guī)定 tp

dT/dA

A

(4-19)1以曲線上斷裂點K為切點，過K點作曲線的切線KT交BB K B 43Ttb

dT/dK

K

(4-20)B七、測試結(jié)果數(shù)值的修約測試結(jié)果數(shù)值按表4-1的規(guī)定修約，修約方法按GB/T8170《數(shù)值修約規(guī)章》執(zhí)行。第四節(jié) 扭轉(zhuǎn)試樣的斷裂分析扭轉(zhuǎn)試樣斷裂后，從斷裂面的破斷狀況可推斷金屬的性能和產(chǎn)生破斷的緣由〔是韌性斷裂還是脆性斷裂，是正應(yīng)力引起的破斷還是切應(yīng)力產(chǎn)生的破斷。扭轉(zhuǎn)試驗時，圓柱4-145°。45°傾角的斜截面上。〔壓〕強度，所以破斷發(fā)生在切應(yīng)力最大處，即沿與4-9(a)所示。第四章金屬扭轉(zhuǎn)試驗 4－7對于鑄鐵等脆性材料，由于它們的抗拉強度比剪切強度低，所以破斷在受拉應(yīng)力最45°4-9〔b4-9(c)所示。破斷的圓柱形試樣在扭轉(zhuǎn)時除了上前兩種破斷形式外，也可能得到圖4-9(c)所示的第三種破斷時，使試樣軸線方向上金屬材料的抗剪力量降低，結(jié)果試樣在受扭后沿縱向破斷。第五節(jié)全尺寸零部件實體扭轉(zhuǎn)試驗簡介傳動軸(汽車傳動軸、行車傳動軸等)通常是由法蘭盤、十字頭、管體組合成一體的N＝扭處發(fā)生卡鉆，查表得扭轉(zhuǎn)系數(shù)α0·00502，N=O.00502×3000=15解除卡鉆的操作應(yīng)掌握扭轉(zhuǎn)圈數(shù)在15圈內(nèi)進展。在開發(fā)鋼級或品種石油鉆桿時需要展扭轉(zhuǎn)系數(shù)表。實體扭轉(zhuǎn)試驗舉例:扭轉(zhuǎn)試驗用鉆桿外徑φ127.Omm，12O