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、汽車傳動軸、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)備的安全運行和使用壽命，因此，必須準(zhǔn)確測定其相關(guān)材料的扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)，為設(shè)計和選材提供科學(xué)依據(jù)。而扭轉(zhuǎn)試驗作為一種重要的材料力學(xué)性能測試方法，扮演著重要的角色。接下來，科準(zhǔn)測控小編將帶你深入了解扭轉(zhuǎn)試驗的相關(guān)內(nèi)容。
一、測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
扭轉(zhuǎn)試驗是測定材料抵抗扭矩作用的一種試驗方法，是材料機(jī)械性能試驗的基本試驗方法之一。其原理是對試樣施加扭矩 T，同時測量扭矩 T 及相應(yīng)的扭角 ?，并繪制出扭轉(zhuǎn)曲線圖。通常，試驗會進(jìn)行至試樣斷裂，從而測定金屬材料的各項扭轉(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)試驗不僅可用于測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)性能試驗方法所無法比ni的優(yōu)點。通過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)斷裂時可能出現(xiàn)層狀或木片狀斷口（圖 c）。
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在試驗過程中，隨著扭矩的增大，試件標(biāo)距兩端截面不斷產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，使扭轉(zhuǎn)角增大。利用試驗機(jī)的繪圖裝置繪出曲線，即 M? 曲線（又稱扭轉(zhuǎn)圖），來描述材料在扭轉(zhuǎn)過程中的力學(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)曲線分為三個階段：
1、彈性階段（OA）：外加扭矩不超過彈性范圍時，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，此時對應(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）：超過彈性范圍后，試樣開始屈服。屈服過程是由表面至圓心逐漸進(jìn)行的，此時 M? 曲線開始變彎，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，此時主動指針指示的最小值屈服扭矩記作 Ms。
3、強(qiáng)化階段（BC）：超過屈服階段后，M? 曲線又開始上升，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。低碳鋼有很長的強(qiáng)化階段，但沒有頸縮直至斷裂。
根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，扭轉(zhuǎn)試驗試樣分為圓柱形試樣和管形試樣兩類。
推薦采用直徑為 10 mm，標(biāo)距分別為 50 mm 和 10 mm，平行長度分別為 70 mm 和 120 mm 的試樣。如果采用其他直徑的試樣，其平行長度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。
管形試樣的平行長度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍外直徑。
允許使用不同類型的機(jī)械式或電子式扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)。試驗機(jī)扭矩示值相對誤差應(yīng)不大于 ±1%，并應(yīng)由計量部門定期進(jìn)行檢定。試驗時，試驗機(jī)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。試驗機(jī)應(yīng)能對試樣連續(xù)施加扭矩，無沖擊和震動，并在 30 s 內(nèi)保持扭矩恒定。
試驗溫度：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)無沖擊。
2、剪切模量的測定
圖解法：用自動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，按公式計算剪切模量 G。
逐級加載法：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，計算出平均每級扭角增量，按圖解法中公式計算剪切模量 G。
用自動記錄方法記錄扭矩一扭角曲線。在曲線上延長彈性直線段交扭角軸于 O 點，截取 OC 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 Tp。
采用圖解法或指針法測定。試驗時用自動記錄方法記錄扭轉(zhuǎn)曲線，或直接觀測試驗機(jī)扭矩度盤指針的指示。shou次下降前的最大扭矩為上屈服扭矩，屈服階段中不計初始瞬間效應(yīng)的最小扭矩為下屈服扭矩。
對試樣連續(xù)施加扭矩，直至扭斷。從記錄的扭轉(zhuǎn)曲線或試驗機(jī)扭矩度盤上讀出試樣扭斷前承受的最大扭矩，用公式計算抗扭強(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，又說明了鑄鐵的抗拉能力弱于其抗剪能力。
純扭轉(zhuǎn)時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主應(yīng)力 σ1、σ3，并與最大剪應(yīng)力 τmax 絕對值數(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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