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電子材料扭轉(zhuǎn)試驗機的應用
摘要：扭轉(zhuǎn)試驗機在材料分析領域有著廣泛的應用，現(xiàn)市場主要為微機控制扭轉(zhuǎn)試驗機，試驗過程精度、數(shù)據(jù)分析及處理自動化程度高。本文就該類型扭轉(zhuǎn)試驗過程做以介紹。關鍵詞：伺服電機，計算機控制系統(tǒng)，扭轉(zhuǎn)試驗，金屬扭轉(zhuǎn)試驗裝置，試驗結果對比。
一．執(zhí)行標準：
JJG269—2006扭轉(zhuǎn)試驗機
GB/T10128—2007金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法
JB/T9370—1999扭轉(zhuǎn)試驗機技術條件
二.主要結構介紹
該扭轉(zhuǎn)試驗機主要由全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成。整個試驗過程加載速率無沖擊、穩(wěn)定。數(shù)據(jù)的測量由扭矩傳感器、光電編碼器等組成。扭矩傳感器采集試樣產(chǎn)生的扭矩，光電編碼器采集試樣產(chǎn)生的扭角；要求檢測材料的剪切模量時，還要增加扭轉(zhuǎn)計。試驗由計算機進行控制、數(shù)據(jù)處理及輸出結果。
三.試驗過程
1．試樣的準備
首先按照GB/T10128—2007的規(guī)定，以及該試驗機的夾具型式、尺寸，準備好標準試樣。如圖1所示。
圖1：材料扭轉(zhuǎn)標準試樣（圓形）
2．試樣的裝夾（如圖2所示）
試樣的裝夾很關鍵。在裝夾時，先將試樣插入靜夾頭端（帶有傳感器的一端），然后調(diào)整試驗機的動夾頭，使之容易的讓試樣進入動夾頭。注意，在裝入試樣后，不要再旋轉(zhuǎn)動夾頭。
圖2：試樣裝夾示意圖
3．試驗過程
試樣裝夾完畢，可以開始試驗。先將扭矩顯示窗口清零。根據(jù)材料特性選擇加載速率。如果只是檢測材料的抗扭強度、zui大扭矩等，可以不加扭轉(zhuǎn)計。如果要測試試件的剪切模量等，需要增加扭轉(zhuǎn)計。
圖3是試樣在加載過程中的變形示意圖。
圖3：試樣在加載過程中的變形示意圖
兩種材料的斷口形狀圖
圖4：兩種材料的斷口形狀
低碳鋼試樣和鑄鐵試樣的扭轉(zhuǎn)破壞斷口形貌有很大的差別。圖4（a）所示低碳鋼試樣的斷面與橫截面重合，斷面是zui大切應力作用面，斷口較為平齊，可知為剪切破壞；圖4（b）所示鑄鐵試樣的斷面是與試樣軸線成45o角的螺旋面，斷面是zui大拉應力作用面，斷口較為粗糙，因而是zui大拉應力造成的拉伸斷裂破壞。
圖5：扭矩—扭角曲線圖（a）低碳鋼（b）鑄鐵
從圖5（a）可以看到，低碳鋼試樣的扭轉(zhuǎn)試驗曲線由彈性階段（oa段）、屈服階段（ab段）和強化階段（cd段）構成，但屈服階段和強化階段均不像拉伸試驗曲線中那么明顯。由于強化階段的過程很長，圖中只繪出其開始階段和zui后階段，破壞時試驗段的扭轉(zhuǎn)角可達10π以上。
b所示的鑄鐵試樣扭轉(zhuǎn)曲線可近似地視為直線（與拉伸曲線相似，沒有明顯的直線段），試樣破壞時
的扭轉(zhuǎn)變形比拉伸破壞時的變形要明顯得多。
4．試驗結果的處理
4.1抗扭強度的計算：扭轉(zhuǎn)試驗機程序自動處理，
4.2材料的切變模量
材料的切變模量G遵照GB/T10128可由圓截面試樣的扭轉(zhuǎn)試驗測定。在彈性范圍內(nèi)進行圓截面試樣扭轉(zhuǎn)試驗時，扭矩廠與扭轉(zhuǎn)角中之間的關系符合扭轉(zhuǎn)變形的胡克定律，式中：為截面的極慣性矩。當試樣長度l和極慣性矩Ip均為已知時，只要測取扭矩增量ΔT和相應的扭轉(zhuǎn)角增量ΔΦ，可由式：
計算得到材料的切變模量。試驗通常采用多級等增量加載法，這樣不僅可以避免人為讀取數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差，而且可以通過每次載荷增量和扭轉(zhuǎn)角增量驗證扭轉(zhuǎn)變形胡克定律。
注意到三個彈性常數(shù)E，μ，G之間的關系由材料手冊查得材料的彈性模量E和泊松比μ，計算得到材料的切變模量Gtr，如將計算值Gtr取作真值，可將測試得到的G值與Gtr值進行比較，檢驗測試誤差。
還有一些比較復雜的處理，如規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應力、規(guī)定非比例扭矩等，這里就不一一介紹。
注：以上圖文若有不能顯示之處，請下載文章來查閱。
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