金属扭转试验（教案）

第四章 金属扭转试验在机械、石油、冶金等工程中有很多机械零部件承受扭转载荷作用的实例，如各种轴扭转性能指标，为设计供给依据。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TφT-φ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：用圆柱形试样进展扭转时，从试验开头直至破断，在试样的整个工作长度上塑性没有缩颈现象。因此，可以用扭转试验准确地测定高塑性金属材料的应力-应变关系。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。度和塑性。4-145°。因此，扭转试验可以明显地区分材料的断裂方式：正断或切断。这一点其他试验不能与之相比。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，试样外表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外表缺陷。第一节 金属材料扭转时的力学性质一、扭转时切应变材料力学假设扭转时圆柱体的变形：α，圆柱体上全部矩形格子扭歪成相像平行四边形；φ，而圆周线外形、长短及两圆周线间距离都未转变。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ρ的一层薄壁圆筒上任一点处的切应变： d/dx 0r即：圆柱体横截面上任一点扭转时的切应变与该点到轴线的距离ρ成正比，圆柱体外表的切应变最大。d〔mm)，Lc(mmφ时，圆柱体外表的切应变：r/Lc二、扭转时切应力

d/2Lc

(4-1)在弹性范围内，由剪切虎克定律，切应力和切应变成正比G 〔4-2〕式中 G一剪切弹性模量，MPa。在试样外表，ρ＝r，切应力τρ Tr/I (4-3)max p即：圆柱体横截面上任一点扭转时的切应力τ与外加扭矩T以及该点到轴线的距离ρρIp4-3令W IP

/r，也是仅与横截面的外形和尺寸有关的几何量，称为扭转试样截面系数。则： T/W (4-4)max P实心圆截面:I P 32

(4-6)W P 16

(4-7)2空心圆截面： IP

试验 4－3(d4d4) 132

第四章金属扭转(4-8)式中dd——空心圆截面内径；1d4)W 1P 16

(4-9)当切应力使试样外表发生塑性变形时，圆柱体横截面上的切应力τρ的距离ρ失去比例关系，如图4－4所示。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(r ddm 1

2)，a /r0

10横截面上沿壁厚方向切应力近似相等，它们对方程为:T2rar 0m 0 mm 0所以薄壁管扭转时的切应力：T/2r2a

(4-11)m 0验过程，即:公式T/2r2am 0

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。

其次节 扭转试样及试验设备一、扭转试样圆柱形扭转试样的外形和尺寸如图4-5所示。试样的头部外形和尺寸应适合试验机夹头夹持。推举承受直径为lOmm，标距分别为5Omm和lOOmm，平行长度分别为7Omm和12Omm糙度要求较拉伸试样高。第四章金属扭转试验 4－3糙度应符合有关标准或协议要求。试样应GB/T228-2023D。二、试验设备(一)扭转试验机允许使用不同类型的机械式或电(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。平稳、无振动、无冲击。(二)扭转计计等，推举使用电子型扭转计。1%。扭转计应定期进展标定。第三节 金属扭转力学性能指标的测定一、试验条件试验应在室温10～35℃下进展。360°/min。速度的转变应无冲击。二、规定非比例扭转应力币的测定由塑性理论可知，在扭转试验的塑性变形阶段，对大局部材料来说，试样外表的最ε

p0.01

p0.2

、相对应的γ 、γ 。p0.015 p0.34(一)图解法

试验 4－5

第四章金属扭转试验时，安装试样并装卡扭转计，按规定的试验速度对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n4-7性直线段与扭角轴的交点0起，截取OC段(OC段长度为2nL/dCCAAc p 0p Tp P

/W (4-12)(二)逐级加载法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规定的数值为止。用内插法求出准确的扭矩，按公式(4-12)计算规定非比例扭转应力τ。p三、屈服点τs、上屈服点τsu、下屈服点τsl的测定承受图解法或指针法进展测定(仲裁试验承受图解法)。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Tsu；Tsl。屈服点τs、上屈服点τsu屈服点τsl TS S

/W (4-13) TSU SU

/W (4-14)第四章金属扭转试验 4－5 Tsl sl

/W (4-15)四、抗扭强度τb与最大非比例切应变γ

的测定max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。从记录的扭矩-扭角曲线(见图4-7)或试验机扭矩度盘上读取试K扭角为最大非比例扭角 。抗扭强度与最大非比例切max应变 的计算如下:max Tb B

/W (4-16) %d /2L100 (4-17)max 0 max eG(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不小40°为宜。在记录的曲线图上，借助于直尺的直边确定最正确弹性直线段。读取该直线段的扭矩增量ΔTΔφ。按公式(4-15)G:GTLc(二)逐级加载法

/Ip

(4-18)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p0.0155(4-18)G。六、真实规定非比例扭转应力与真实抗扭强度的测定与该点到轴线的距离ρ失去比d3GB/T1O128-1988A6第四章金属扭转试验 4－7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，用与前面一样的方法进展试验，记录扭矩-扭角曲线。3TdT/d确实定4-8过规定非比例应变点作弹性直线段的平行线与曲线交于ATlT1。读取ATA

和扭矩T1。按公式(4-19)计算真实规定 tp

dT/dA

A

(4-19)1以曲线上断裂点K为切点，过K点作曲线的切线KT交BB K B 43Ttb

dT/dK

K

(4-20)B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《数值修约规章》执行。第四节 扭转试样的断裂分析扭转试样断裂后，从断裂面的破断状况可推断金属的性能和产生破断的缘由〔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4-145°。45°倾角的斜截面上。〔压〕强度，所以破断发生在切应力最大处，即沿与4-9(a)所示。第四章金属扭转试验 4－7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45°4-9〔b4-9(c)所示。破断的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)所示的第三种破断时，使试样轴线方向上金属材料的抗剪力量降低，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N＝扭处发生卡钻，查表得扭转系数α0·00502，N=O.00502×3000=15解除卡钻的操作应掌握扭转圈数在15圈内进展。在开发钢级或品种石油钻杆时需要展扭转系数表。实体扭转试验举例:扭转试验用钻杆外径φ127.Omm，12O