第四章 金屬扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

1、第 四章 金屬扭轉(zhuǎn)試驗(yàn) 在機(jī)械、石油、冶金等工程中有許多機(jī)械零部件承受扭轉(zhuǎn)載荷作用的實(shí)例，如各種軸類零件(電機(jī)主軸、機(jī)床主軸、汽車傳動(dòng)軸)、石油鉆桿等。因此，必須測定其相關(guān)材料的扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是對(duì)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、作用面垂直于試樣軸線的力偶)，測量扭矩T及相應(yīng)的扭角,繪制T-扭轉(zhuǎn)曲線圖，一般扭至斷裂，以便測定金屬材料的各項(xiàng)扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標(biāo)。 圓柱形試樣的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)具有以下的特點(diǎn)： (1)用圓柱形試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)時(shí)，從試驗(yàn)開始直至破斷，在試樣的整個(gè)工作長度上塑性變形都是均勻的，試樣仍保持圓柱形，橫截面的大小、形狀及試樣工作長度幾乎保持不變

2、，沒有縮頸現(xiàn)象。因此，可以用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)精確地測定高塑性金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。 (2)剪切試驗(yàn)只能測定材料的抗剪強(qiáng)度，對(duì)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(yàn)則能較全面地了解材料在切應(yīng)力作用下的行為。 (3)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力狀態(tài)較拉伸軟(=0.8)，可以使低塑性材料處于韌性狀態(tài)測定它們的強(qiáng)度和塑性。 (4)由材料力學(xué)可知，圓柱形試樣在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，試樣表面的應(yīng)力狀態(tài)如圖4-1所示，最大切應(yīng)力和正應(yīng)力絕對(duì)值相等，夾角成45°。因此，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以明顯地區(qū)別材料的斷裂方式：正斷或切斷。這一點(diǎn)其他試驗(yàn)不能與之相比。 (5)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，試樣橫截面上沿直徑方向切應(yīng)力和切應(yīng)變的分布

3、是不均勻的，試樣表面的切應(yīng)力和切應(yīng)變最大。因此，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以靈敏地反映材料的表面缺陷。第一節(jié) 金屬材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性質(zhì) 一、扭轉(zhuǎn)時(shí)切應(yīng)變 材料力學(xué)假設(shè)扭轉(zhuǎn)時(shí)圓柱體的變形： (1)所有縱向素線都傾斜了同一角度，圓柱體上所有矩形格子扭歪成相似平行四邊形； (2)所有圓周線都圍繞軸線轉(zhuǎn)了一定的角度，而圓周線形狀、長短及兩圓周線間距離都未改變。 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的一層薄壁圓筒上任一點(diǎn)處的切應(yīng)變： 即：圓柱體橫截面上任一點(diǎn)扭轉(zhuǎn)時(shí)的切應(yīng)變與該點(diǎn)到軸線的距離成正比，圓柱體表面的切應(yīng)變最大。當(dāng)直徑為d（mm)，長度為Lc(mm )的圓柱體兩端的相對(duì)扭角為時(shí)，圓柱體表

4、面的切應(yīng)變： (4-1)二、扭轉(zhuǎn)時(shí)切應(yīng)力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 （4-2）式中 G一剪切彈性模量，MPa。在試樣表面，r，切應(yīng)力為: (4-3)即：圓柱體橫截面上任一點(diǎn)扭轉(zhuǎn)時(shí)的切應(yīng)力與外加扭矩T以及該點(diǎn)到軸線的距離成正比，與極慣性矩Ip成反比，圓柱體表面的切應(yīng)力最大。如圖4-3所示。令，也是僅與橫截面的形狀和尺寸有關(guān)的幾何量，稱為扭轉(zhuǎn)試樣截面系數(shù)。則： (4-4) 扭轉(zhuǎn)試樣的極慣性矩Ip、截面系數(shù)Wp：實(shí)心圓截面: (4-6) (4-7)空心圓截面： (4-8)式中 d 空心圓試樣外徑； d1 空心圓截面內(nèi)徑； (4-9)2.當(dāng)切應(yīng)力使試樣表面發(fā)生塑性變形時(shí)，圓

5、柱體橫截面上的切應(yīng)力與該點(diǎn)到軸線的距離失去比例關(guān)系，如圖44所示。3.薄壁管扭轉(zhuǎn)時(shí)的切應(yīng)力 當(dāng)薄壁管的壁厚ao遠(yuǎn)小于其平均半徑rm時(shí)()，），可以認(rèn)為試樣橫截面上沿壁厚方向切應(yīng)力近似相等，它們對(duì)試樣軸線的力矩與外加扭矩T平衡，因此平衡方程為:所以薄壁管扭轉(zhuǎn)時(shí)的切應(yīng)力： (4-11)在薄壁管扭轉(zhuǎn)時(shí)的切應(yīng)力公式推導(dǎo)中沒有應(yīng)用虎克定律，此公式可應(yīng)用于整個(gè)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程，即:公式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。第二節(jié) 扭轉(zhuǎn)試樣及試驗(yàn)設(shè)備一、扭轉(zhuǎn)試樣圓柱形扭轉(zhuǎn)試樣的形狀和尺寸如圖4-5所示。試樣的頭部形狀和尺寸應(yīng)適合試驗(yàn)機(jī)夾頭夾持。推薦采用直徑為lOmm，標(biāo)距分別為5Om

6、m和lOOmm，平行長度分別為7Omm和12Omm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。由于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)試樣外表面切應(yīng)力最大，對(duì)于試樣表面的細(xì)微缺陷此較敏感，因此，對(duì)試樣表面的粗糙度要求較拉伸試樣高。管形試樣的平行長度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。其直徑和壁厚的尺寸公差及內(nèi)外表面粗 糙度應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或協(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(jìn) 其平行長度內(nèi)。塞頭的形狀可參照GB/T228-2002的附錄D。 二、試驗(yàn)設(shè)備 (一)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī) (1)允許使用不同類型的機(jī)械式或電子式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)扭矩示值相對(duì)誤差應(yīng)不 大于士1%，應(yīng)由計(jì)量部門定期進(jìn)行檢定。 (2)

7、試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)兩夾頭中之一應(yīng)能沿軸向自由移動(dòng)，對(duì)試樣無附加軸向力，兩夾頭保持同軸。 (3)試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)控制試驗(yàn)速度，對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩，加卸力應(yīng)平穩(wěn)、無振動(dòng)、無沖擊。 (4)應(yīng)具有良好的讀數(shù)穩(wěn)定性，在30s內(nèi)保持扭矩恒定。 (二)扭轉(zhuǎn)計(jì) (1)允許使用不同類型的扭轉(zhuǎn)計(jì)測量扭角，如鏡式扭轉(zhuǎn)計(jì)、表式扭轉(zhuǎn)計(jì)、電子型扭轉(zhuǎn)計(jì)等，推薦使用電子型扭轉(zhuǎn)計(jì)。 (2)扭轉(zhuǎn)計(jì)標(biāo)距偏差應(yīng)不大于±0.5%，并能牢固地裝卡在試樣上，試驗(yàn)過程中不發(fā)生滑移；扭轉(zhuǎn)計(jì)示值線性誤差應(yīng)不大于士1%。 (3)扭轉(zhuǎn)計(jì)應(yīng)定期進(jìn)行標(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(yàn)條件試驗(yàn)應(yīng)在室溫1035下進(jìn)行。扭轉(zhuǎn)試

8、驗(yàn)速度:屈服前控制應(yīng)在6°30°/min范圍內(nèi)某個(gè)盡量恒定的值，屈服后不大于360°/min。速度的改變應(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(yàn)的塑性變形階段，對(duì)大部分材料來說，試樣表面的最大切應(yīng)變?yōu)樽畲笳龖?yīng)變的1.5倍，所以為了能與拉伸試驗(yàn)時(shí)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度相互比較，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的非比例切應(yīng)變通常取與拉伸試驗(yàn)的非比例正應(yīng)變p0.01、p0.2、相對(duì)應(yīng)的p0.015、p0.3 。 (一)圖解法試驗(yàn)時(shí)，安裝試樣并裝卡扭轉(zhuǎn)計(jì)，按規(guī)定的試驗(yàn)速度對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩，同時(shí)記錄扭矩-扭角曲線，見圖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(duì)應(yīng)的

9、扭矩處于扭轉(zhuǎn)軸量程的1/2以上。選擇扭角軸的放大倍數(shù)n應(yīng)使圖4-7中的OC段長度太于5mm。在記錄的扭矩-扭角曲線圖上，自彈性直線段與扭角軸的交點(diǎn)0起，截取OC段(OC段長度為)。過C點(diǎn)作彈性直線段的平行線CA交曲線于A點(diǎn)，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的扭矩即為規(guī)定非比例扭矩Tp。按公式(4-12)計(jì)算規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 (4-12)注:可以使用計(jì)算機(jī)等裝置自動(dòng)測定扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能而無需給出扭矩-扭角的曲線。(二)逐級(jí)加載法試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)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p0.015的10%。裝上扭轉(zhuǎn)計(jì)并調(diào)整零點(diǎn)。在相當(dāng)于規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力p0.015的70%80%以前，施加大等級(jí)扭矩，以后施加

10、小等級(jí)扭矩，小等級(jí)扭矩應(yīng)相當(dāng)于不大于lOMPa的切應(yīng)力增量。讀取各級(jí)扭矩和相應(yīng)的扭角。讀取每對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)的時(shí)間以不超過10s為宜。從各級(jí)扭矩下的扭角讀數(shù)中減去計(jì)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(4-12)計(jì)算規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力p。三、屈服點(diǎn)s、上屈服點(diǎn)su、下屈服點(diǎn)sl的測定采用圖解法或指針法進(jìn)行測定(仲裁試驗(yàn)采用圖解法)。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩，同時(shí)記錄扭矩-扭角曲線或直接觀測試驗(yàn)機(jī)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(shí)的扭矩為屈服扭矩人;首次下降前的最大扭矩為上

11、屈服扭矩Tsu；屈服階段中最小扭矩為下屈服扭矩Tsl。屈服點(diǎn)s、上屈服點(diǎn)su和下屈服點(diǎn)sl的計(jì)算公式如下: (4-13) (4-14) (4-15)四、抗扭強(qiáng)度b與最大非比例切應(yīng)變max的測定試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩，同時(shí)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(yàn)機(jī)扭矩度盤上讀取試樣扭斷前所承受的最大扭矩Tb。過試樣斷裂點(diǎn)K作曲線的彈性直線段的平行線KJ交扭角軸于J點(diǎn)，J點(diǎn)對(duì)應(yīng)的扭角為最大非比例扭角?？古?qiáng)度與最大非比例切應(yīng)變的計(jì)算如下: (4-16) (4-17) 五、切變模量G的測定 (一)圖解法 安裝試樣并裝卡扭轉(zhuǎn)計(jì)，按規(guī)定的試驗(yàn)速度對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩

12、，同時(shí)記錄扭矩-扭角曲線。記錄時(shí)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量程的1/2以上。扭角軸放大倍數(shù)的選擇應(yīng)使扭矩-扭角曲線彈性直線段與扭矩軸的夾角不小40°為宜。在記錄的曲線圖上，借助于直尺的直邊確定最佳彈性直線段。讀取該直線段的扭矩增量T和相應(yīng)的扭角增量。按公式(4-15)計(jì)算切變模量G: (4-18) (二)逐級(jí)加載法試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)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)力的10%。裝上扭轉(zhuǎn)計(jì)并調(diào)整零點(diǎn)。在彈性直線段范圍內(nèi)，用不少于5級(jí)等扭矩對(duì)試樣加載。記錄每級(jí)扭矩和相應(yīng)的扭角。讀取每對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)的時(shí)間以不超過10s為宜。計(jì)算出每級(jí)扭角增量。按

13、公式(4-18)計(jì)算切變模量G。六、真實(shí)規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與真實(shí)抗扭強(qiáng)度的測定由于試樣表面發(fā)生塑性變形時(shí)，圓柱體橫截面上的切應(yīng)力與該點(diǎn)到軸線的距離失去比例關(guān)系，在試樣表面（=d/2處):GB/T1O128-1988的附錄A給出了金屬材料圓形橫截面試樣真實(shí)規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和真實(shí)抗扭強(qiáng)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(shí)才執(zhí)行。試驗(yàn)時(shí)，用與前面相同的方法進(jìn)行試驗(yàn)，記錄扭矩-扭角曲線。的確定方法如圖4-8所示。過規(guī)定非比例應(yīng)變點(diǎn)作彈性直線段的平行線與曲線交于 A點(diǎn)，以A點(diǎn)為切點(diǎn)，過A點(diǎn)作曲線的切線ATl交扭角軸于圖T1。讀取A點(diǎn)扭矩TA和扭矩T1。按公式(4-19)計(jì)算真實(shí)規(guī)定非比例扭

14、轉(zhuǎn)應(yīng)力: (4-19)以曲線上斷裂點(diǎn)K為切點(diǎn)，過K點(diǎn)作曲線的切線KTB交扭角軸于矩TB。讀取K點(diǎn)扭矩TK和扭矩TB。按公式(4-20)計(jì)算真實(shí)抗扭強(qiáng)度: (4-20)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)則執(zhí)行。第四節(jié) 扭轉(zhuǎn)試樣的斷裂分析扭轉(zhuǎn)試樣斷裂后，從斷裂面的破斷情況可判斷金屬的性能和產(chǎn)生破斷的原因（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(yàn)時(shí)，圓柱形試樣表面的應(yīng)力狀態(tài)如圖4-1所示，最大切應(yīng)力和正應(yīng)力絕對(duì)值相等，夾角成45°。因此圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)，最大切應(yīng)力發(fā)生在靠近試樣表面的橫截面和徑向截面

15、上，而最大正應(yīng)力則發(fā)生在試樣表面處與試樣軸線成45°傾角的斜截面上。由于低碳鋼等塑性材料的抗剪強(qiáng)度低于它們的抗拉（壓）強(qiáng)度，所以破斷發(fā)生在切應(yīng)力最大處，即沿與軸線垂直的橫截面發(fā)生剪切破斷，這種斷口平整，有塑性滑移痕跡，如圖4-9(a)所示。對(duì)于鑄鐵等脆性材料，由于它們的抗拉強(qiáng)度比剪切強(qiáng)度低，所以破斷在受拉應(yīng)力最大的部位發(fā)生，即沿著與試樣軸線成45°傾角的螺旋面上發(fā)生正斷破壞，見圖4-9（b）。木材圓柱形試樣在扭轉(zhuǎn)時(shí)，則沿縱向纖維發(fā)生錯(cuò)動(dòng)破壞，如圖4-9(c)所示。破斷的特點(diǎn)是順著試樣的軸線形成縱向剝層或裂紋。這是因?yàn)樵趶较蚪孛嫔系那袘?yīng)力值與橫截面上的相等，然而木材沿木紋方向

16、的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)比與木紋垂直方向的剪切強(qiáng)度低。金屬材料圓柱形試樣在扭轉(zhuǎn)時(shí)除了上前兩種破斷形式外，也可能得到圖4-9(c)所示的第三種破斷形式。原因是試樣內(nèi)存在著非金屬夾雜物、偏析或金屬鍛造、拉拔的方向與試樣軸線一致時(shí)，使試樣軸線方向上金屬材料的抗剪能力降低，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(shí)體扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)簡介傳動(dòng)軸(汽車傳動(dòng)軸、行車傳動(dòng)軸等)通常是由法蘭盤、十字頭、管體組合成一體的傳遞動(dòng)力的工作部件，為確保安全，其破壞扭矩應(yīng)遠(yuǎn)大于額定最大工作扭矩。石油鉆桿在鉆進(jìn)時(shí)需承受轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具所需的扭矩與鉆頭破碎巖石所需的扭矩。當(dāng)發(fā)生卡鉆時(shí)，為解除卡鉆采用強(qiáng)轉(zhuǎn)硬提操作時(shí)，鉆桿將承受更大的扭矩，鉆桿此時(shí)在大扭矩作用下被扭轉(zhuǎn)多圈而呈麻花狀。為防止鉆桿損壞，鉆桿扭轉(zhuǎn)圈數(shù)應(yīng)控制在允許的范圍內(nèi)。允許扭轉(zhuǎn)圈數(shù)N扭轉(zhuǎn)系數(shù)(圈/m)×井深H(m)。扭轉(zhuǎn)系數(shù)可查表得到。例:139.7mmE級(jí)鉆桿在300Om深處發(fā)生卡鉆，查表得扭轉(zhuǎn)系數(shù)為0·00502，則允許扭轉(zhuǎn)圈數(shù)N=O.00502×3000=15圈。解除卡鉆的操作應(yīng)控制扭轉(zhuǎn)圈數(shù)在15圈內(nèi)進(jìn)行。在開發(fā)新鋼級(jí)或新品種石油鉆桿時(shí)需要通過鉆桿實(shí)體扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)確認(rèn)鉆桿的實(shí)際扭轉(zhuǎn)屈服扭矩大于規(guī)定的最小屈服扭矩、制定或擴(kuò)展扭轉(zhuǎn)系數(shù)表。實(shí)體扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)舉例:扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)用鉆桿外徑127.O