金属扭转试验

1、第四章金属扭转试验在机械、石油、冶金等工程中有许多机械零部件承受扭转载荷作用的实例，如各种轴 类零件(电机主轴、机床主轴、汽车传动轴)、石油钻杆等。因此，必须测定其相关材料的 扭转性能指标，为设计提供依据。扭转试验是对圆柱形试样施加扭矩T(使试样两端承受大小相等、方向相反、作用面垂直于试样轴线的力偶)，测量扭矩T及相应的扭角© ,绘制T- ©扭转曲线图，一般扭至 断裂，以便测定金属材料的各项扭转力学性能指标。圆柱形试样的扭转试验具有以下的特点：(1) 用圆柱形试样进行扭转时，从试验开始直至破断，在试样的整个工作长度上塑性变形都是均匀的，试样仍保持圆柱形，横截面的大小、形状及

2、试样工作长度几乎保持不变， 没有缩颈现象。因此，可以用扭转试验精确地测定高塑性金属材料的应力-应变关系。(2) 剪切试验只能测定材料的抗剪强度，对于高塑性材料，由于常伴随着弯曲变形而 不能得到正确的结果，扭转试验则能较全面地了解材料在切应力作用下的行为。(3) 扭转应力状态较拉伸软(a =0.8)，可以使低塑性材料处于韧性状态测定它们的强 度和塑性。试样表面的应力状态如图4-1所示,碍C7j图4-1籾转试样表面应力扰态(4) 由材料力学可知，圆柱形试样在扭转试验时, 最大切应力和正应力绝对值相等，夹角成45°。 因此，扭转试验可以明显地区别材料的断裂方式：正断或切断。这一点其他试验不

3、能与之相 比。(5) 扭转试验时，试样横截面上沿直径方 向切应力和切应变的分布是不均匀的，试样表 面的切应力和切应变最大。因此，扭转试验可 以灵敏地反映材料的表面缺陷。第一节金属材料扭转时的力学性质、扭转时切应变材料力学假设扭转时圆柱体的变形：(1) 所有纵向素线都倾斜了同一角度 a，圆柱体上所有矩形格子扭歪成相似平行四边形；(2) 所有圆周线都围绕轴线转了一定的角度 ©，而圆周线形状、长短及两圆周线间距 离都未改变。由材料力学可知：半径为r(mm)的圆柱体，在距离圆柱体轴线为 p的一层薄壁圆筒上 任一点处的切应变：;?= -d Idx0 _ ： _ r即：圆柱体横截面上任一点扭转时

4、的切应变二与该点到轴线的距离p成正比，圆柱体表面的切应变最大。当直径为d (mm)长度为Lc(mm )的圆柱体两端的相对扭角为©时，圆柱体表面的切应变：=r/ Lc =d/2Lc(4-1)二、扭转时切应力1. 在弹性范围内，由剪切虎克定律，切应力和切应变成正比二 G(4-2 )式中G 一剪切弹性模量，MPa(4-3)在试样表面，p = r，切应力t p为：二Tr/g即:圆柱体横截面上任一点扭转时的切应力t p与外加扭矩T以及该点到轴线的距离p成正比，与极惯性矩Ip成反比，圆柱体表面的切应力最大。如图 4-3所示。令Wp = I卩/ r，也是仅与横截面的形状和尺寸有关的几何量，称为扭转

5、试样截面系数则:max = T /Wp(4-4)扭转试样的极惯性矩Ip、截面系数Wp实心圆截面:图4-3扭转弹性变形橫戴向切应力利切应变分布d32WPd16(4-6)(4-7)空心圆截面:44,兀(d -di )I P :32(4-8)式中d 空心圆试样外径;d i空心圆截面内径；WP二 d3(1 d；/d4)16(4-9)2. 当切应力使试样表面发生塑性变形时，圆柱体横截面上的切应力T p与该点到轴线的距离P失去比例关系，如图4 4所示。3. 薄壁管扭转时的切应力 当薄壁管的壁厚ao远小于其平均半径rm时图4-4扭转塑性变形横钱面切应力和 切应变分布(rm di / 2), ao / rm

6、< 10 ),可以认为试样 横截面上沿壁厚方向切应力近似相等，它们对 试样轴线的力矩与外加扭矩T平衡，因此平衡 方程为：T - 2：；：rma0 r m 0T =2応却所以薄壁管扭转时的切应力：-=T /2二r；a0(4-11)在薄壁管扭转时的切应力公式推导中没有应用虎克定律，此公式可应用于整个扭转试验过程，即：公式.二T/2二r；a°不仅可用于薄壁管扭转弹性变形阶段，也可用于薄壁管扭 转塑性变形阶段。第二节扭转试样及试验设备一、扭转试样圆柱形扭转试样的形状和尺寸如图 4-5所示。试样的头部形状和尺寸应适合试验机 夹头夹持。推荐采用直径为10mm标距分别为5Omr和100mm平

7、行长度分别为7Omn和 120m的试样。如采用其他直径的试样，其平行长度应为标距加上两倍直径。由于扭转试 验时试样外表面切应力最大，对于试样表面的细微缺陷此较敏感，因此，对试样表面的粗 糙度要求较拉伸试样高。管形试样的平行长度应为标距加上两倍直径。其直径和壁厚的尺寸公差及内外表面粗©A-B冬山02图"5岡柱形扭转试样糙度应符合有关标准或协议要求。试样应 平直。试样两端应间隙配合塞头，塞头不 应伸进 其平行长度内。塞头的形状可参照GB/T228-2002 的附录 D。二、试验设备(一)扭转试验机(1) 允许使用不同类型的机械式或电 子式扭转试验机。试验机扭矩示值相对误差应不大

8、于士 1%应由计量部门定期进行检定(2) 试验时，试验机两夹头中之一应能沿轴向自由移动，对试样无附加轴向力，两夹 头保持同轴。(3) 试验机应能在规定的速度范围内控制试验速度，对试样连续施加扭矩，加卸力应平稳、无振动、无冲击。(4) 应具有良好的读数稳定性，在 30s内保持扭矩恒定。( 二)扭转计(1) 允许使用不同类型的扭转计测量扭角，如镜式扭转计、表式扭转计、电子型扭转 计等，推荐使用电子型扭转计。(2) 扭转计标距偏差应不大于土 0.5%，并能牢固地装卡在试样上，试验过程中不发生滑移；扭转计示值线性误差应不大于士1%(3) 扭转计应定期进行标定。第三节金属扭转力学性能指标的测定一、试验条

9、件试验应在室温1035 C下进行扭转试验速度：屈服前控制应在6°30° /min范围内某个尽量恒定的值，屈服后不 大于360° /min。速度的改变应无冲击。二、规定非比例扭转应力币的测定£ p0.01、 £ p0.2、相对应的由塑性理论可知，在扭转试验的塑性变形阶段，对大部分材料来说，试样表面的最 大切应变为最大正应变的1.5倍，所以为了能与拉伸试验时的规定非比例延伸强度相互比 较，扭转试验的非比例切应变通常取与拉伸试验的非比例正应变Y pO.015、 丫 p0.3（一）图解法图4-6规定非比例扭砸Tt的确定试验时，安装试样并装卡扭转计，按规

10、定的试验速度对 试样连续施加扭矩，同时记录扭矩-扭角曲线，见图4-6。应 选择适当的扭转轴比例，便所要测定的应力对应的扭矩处于 扭转轴量程的1/2以上。选择扭角轴的放大倍数n应使图4-7 中的0C段长度太于5mm在记录的扭矩-扭角曲线图上，自弹 性直线段与扭角轴的交点0起，截取0C段（0C段长度为2n Lc p/do）。过C点作弹性直线段的平行线 CA交曲线于A(4-12)点，A点所对应的扭矩即为规定非比例扭矩Tp。按公式（4-12）计算规定非比例扭转应力.pp 二 TP /W注:可以使用计算机等装置自动测定扭转力学性能而无需给出扭矩-扭角的曲线。（二）逐级加载法T P0.015试验时，首先对

11、试样施加预扭矩，预扭矩一般不超过预期规定非比例扭转应力的10%装上扭转计并调整零点。在相当于规定非比例扭转应力T p0.015的70%- 80%以前,施加大等级扭矩，以后施加小等级扭矩，小等级扭矩应相当于不大于lOMPa的切应力增量 读取各级扭矩和相应的扭角。读取每对数据对的时间以不超过10s为宜。从各级扭矩下的扭角读数中减去计算得到的弹性部分扭角，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规定的数值为止。用内插法求出精确的扭 矩，按公式（4-12）计算规定非比例扭转应力t p。三、屈服点T S、上屈服点T SU、下屈服点T sl的测定采用图解法或指针法进行测定（仲裁试验采

12、用图解法）。试验时，对试样连续施加扭 矩，同时记录扭矩-扭角曲线或直接观测试验机扭矩度盘指针的指示或数显器读数。当首 次扭角增加而扭矩不增加（保持恒定）时的扭矩为屈服扭矩人；首次下降前的最大扭矩为上 屈服扭矩Tsu;屈服阶段中最小扭矩为下屈服扭矩Tsl。屈服点T s、上屈服点T su和下屈服点t sl的计算公式如下：S 二 Ts/W（4-13）(4-15)SU =Tsu /W(4-14)sl = Tsl / W四、抗扭强度T b与最大非比例切应变丫 max的测定试验时，对试样连续施加扭矩，同时记录扭矩 -扭角曲线，直至试样扭断。从记录的1*1 4-7图解法测定“勺孑唤扭矩-扭角曲线(见图4-7

13、)或试验机扭矩度盘上读取试 样扭断前所承受的最大扭矩Tb。过试样断裂点K作曲线 的弹性直线段的平行线KJ交扭角轴于J点，J点对应的 扭角为最大非比例扭角max。抗扭强度与最大非比例切应变max的计算如下：b 二Tb/W(4-16)max % = d 0 max /2Le 100(4-17)五、切变模量G的测定(一)图解法安装试样并装卡扭转计，按规定的试验速度对试样连续施加扭矩，同时记录扭矩扭角曲线。记录时扭矩轴比例的选择应使扭矩 -扭角曲线的弹性直线段的高度超过扭矩轴 量程的1/2以上。扭角轴放大倍数的选择应使扭矩-扭角曲线弹性直线段与扭矩轴的夹角 不小40°为宜。在记录的曲线图上，

14、借助于直尺的直边确定最佳弹性直线段。读取该直 线段的扭矩增量 T和相应的扭角增量 ©。按公式(4-15)计算切变模量G:(4-18)G = =TLc： I(二)逐级加载法-p0.015试验时，首先对试样施加预扭矩，预扭矩一般不超过预期规定非比例扭转应力 的10%装上扭转计并调整零点。在弹性直线段范围内，用不少于5级等扭矩对试样加载。 记录每级扭矩和相应的扭角。读取每对数据对的时间以不超过 10s为宜。计算出每级扭角增量。按公式(4-18)计算切变模量G六、真实规定非比例扭转应力与真实抗扭强度的测定 由于试样表面发生塑性变形时，圆柱体横截面上的切应力 与该点到轴线的距离p失去比 例关系

15、，在试样表面(p =d/2处)： =4 3T *dT/D；： /二d 3GB/T1O128-1988的附录A给出了金属材料圆形横截面试样真实规定非比例扭转应力和真实抗扭强度的测定方法，并指出仅当有关标准或协议提出要求时才执行。试验时，用与前面相同的方法进行试验，记录扭矩 -扭角曲线。3T v：dT/d；：的确定6 / 8方法如图4-8所示图 4-8 3T+(?dT/c的 确宦方法(4-20)过规定非比例应变点作弹性直线段的平行线与曲线交于A点，以A点为切点，过A点作曲线的切线ATI交扭角轴于图 T1。读取A点扭矩Ta和扭矩T1。按公式(4-19)计算真实规定 非比例扭转应力：tp = 4 3T

16、A vAdT/drA / 二d3 = 4 4TA -J / 二d3(4-19)以曲线上断裂点K为切点，过K点作曲线的切线KTB交 扭角轴于矩Tb。读取K点扭矩Tk和扭矩Tb。按公式(4-20)计 算真实抗扭强度：北=43TK rKdT/d“ / 二 d3 =44Tk -Tb / 二 d3七、测试结果数值的修约测试结果数值按表4-1的规定修约，修约方法按GB/T8170数值修约规则执行第四节扭转试样的断裂分析扭转试样断裂后，从断裂面的破断情况可判断金属的性能和产生破断的原因(是韧 性断裂还是脆性断裂，是正应力引起的破断还是切应力产生的破断)。扭转试验时，圆柱形试样表面的应力状态如图 4-1所示，

17、最大切应力和正应力绝对值相等，夹角成45°。因此圆柱形试样扭转时，最大切应力发生在靠近试样表面的横截面和径向截面上，而最大正应力则发生在试样表面处与试样轴线成 45°倾角的斜截面上。由于低碳钢等塑性材料的抗剪强度低于它们的抗拉(压)强度，所以破断发生在切应 H扭騎的如需捉图4-9恻桂形粗转试样扭转破斷形式45°倾角的螺旋面上发生正断破坏,力最大处，即沿与 轴线垂直的横截面 发生剪切破断，这 种断口平整，有塑 性滑移痕迹，如图4-9(a)所示。对于铸铁等脆性材料，由于它们的抗拉强度比剪切强度低，所以破 断在受拉应力最大的部位发生，即沿着与试样轴线成 见图 4-9 (

18、b)。木材圆柱形试样在扭转时，则沿纵向纤维发生错动破坏，如图 4-9(c) 所示。破断的 特点是顺着试样的轴线形成纵向剥层或裂纹。 这是因为在径向截面上的切应力值与横截面 上的相等， 然而木材沿木纹方向的剪切强度远比与木纹垂直方向的剪切强度低。金属材料圆柱形试样在扭转时除了上前两种破断形式外，也可能得到图 4-9(c) 所示的第三种破断 形式。原因是试样内存在着非金属夹杂物、偏析或金属锻造、拉拔的方向与试样轴线一致 时，使试样轴线方向上金属材料的抗剪能力降低，结果试样在受扭后沿纵向破断。第五节 全尺寸零部件实体扭转试验简介传动轴( 汽车传动轴、行车传动轴等 )通常是由法兰盘、十字头、管体组合成一体的 传递动力的工作部件，为确保安全，其破坏扭矩应远大于额定最大工作扭矩。石油钻杆在 钻进时需承受转动钻具所需