电子材料扭转试验机的应用

 摘要： 扭转试验机在材料分析领域有着广泛的应用，现市场主要为微机控制扭转试验机，试验过程精度、数据分析及处理自动化程度高。本文就该类型扭转试验过程做以介绍。

    关键词：伺服电机 计算机控制系统，扭转试验。

    一．执行标准：

    JJG269—2006  扭转试验机

    GB/T10128—2007  金属材料  室温扭转试验方法

    JB/T9370—1999  扭转试验机  技术条件

    二.主要结构介绍

    该扭转试验机主要由全数字交流伺服驱动系统、计算机控制、数据采集及处理系统组成。整个试验过程加载速率无冲击、稳定。数据的测量由扭矩传感器、光电编码器等组成。扭矩传感器采集试样产生的扭矩，光电编码器采集试样产生的扭角；要求检测材料的剪切模量时，还要增加扭转计。试验由计算机进行控制、数据处理及输出结果。

    三.试验过程

    1．试样的准备

    首先按照GB/T10128—2007的规定，以及该试验机的夹具型式、尺寸，准备好标准试样。如图1所示。

图1：材料扭转标准试样（圆形）

    2．试样的装夹（如图2所示）

    试样的装夹很关键。在装夹时，先将试样插入静夹头端（带有传感器的一端），然后调整试验机的动夹头，使之容易的让试样进入动夹头。注意，在装入试样后，不要再旋转动夹头。

图2：试样装夹示意图

    3．试验过程

    试样装夹完毕，可以开始试验。先将扭矩显示窗口清零。根据材料特性选择加载速率。 如果只是检测材料的抗扭强度、最大扭矩等，可以不加扭转计。如果要测试试件的剪切模量等，需要增加扭转计。图3是试样在加载过程中的变形示意图。

图3：试样在加载过程中的变形示意图 

图4：两种材料的断口形状

    低碳钢试样和铸铁试样的扭转破坏断口形貌有很大的差别。图4（a）所示低碳钢试样的断面与横截面重合，断面是最大切应力作用面，断口较为平齐，可知为剪切破坏；图4（b）所示铸铁试样的断面是与试样轴线成45o角的螺旋面，断面是最大拉应力作用面，断口较为粗糙，因而是最大拉应力造成的拉伸断裂破坏。

图5：扭矩—扭角曲线图（a）低碳钢（b）铸铁

    从图5（a）可以看到，低碳钢试样的扭转试验曲线由弹性阶段( oa段 )、屈服阶段( ab段 )和强化阶段( cd段 )构成，但屈服阶段和强化阶段均不像拉伸试验曲线中那么明显。由于强化阶段的过程很长，图中只绘出其开始阶段和最后阶段，破坏时试验段的扭转角可达10π以上。

    b所示的铸铁试样扭转曲线可近似地视为直线( 与拉伸曲线相似，没有明显的直线段 )，试样破坏时的扭转变形比拉伸破坏时的变形要明显得多。

    4．试验结果的处理

    4.1抗扭强度的计算： 扭转试验机专用程序自动处理。

    4.2材料的切变模量

    材料的切变模量G遵照GB/T10128可由圆截面试样的扭转试验测定。在弹性范围内进行圆截面试样扭转试验时，扭矩厂与扭转角中之间的关系符合扭转变形的胡克定律，式中：为截面的极惯性矩。当试样长度l和极惯性矩Ip均为已知时，只要测取扭矩增量ΔT和相应的扭转角增量ΔΦ，可由式：计算得到材料的切变模量。试验通常采用多级等增量加载法，这样不仅可以避免人为读取数据产生的误差，而且可以通过每次载荷增量和扭转角增量验证扭转变形胡克定律。

    注意到三个弹性常数E，μ，G之间的关系由材料手册查得材料的弹性模量E和泊松比μ，计算得到材料的切变模量Gtr ，如将计算值Gtr取作真值，可将测试得到的G值与Gtr值进行比较，检验测试误差。

    还有一些比较复杂的处理，如规定非比例扭转应力、规定非比例扭矩等，这里就不一一介绍。