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電子材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用
摘要：扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)在材料分析領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)市場(chǎng)主要為微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī),，試驗(yàn)過程精度,、數(shù)據(jù)分析及處理自動(dòng)化程度高。本文就該類型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程做以介紹,。關(guān)鍵詞：伺服電機(jī),，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),，金屬扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置,，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。
一．執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：
JJG269—2006扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)
GB/T10128—2007金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法
JB/T9370—1999扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)技術(shù)條件
二.主要結(jié)構(gòu)介紹
該扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)主要由全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),、計(jì)算機(jī)控制,、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成。整個(gè)試驗(yàn)過程加載速率無沖擊,、穩(wěn)定,。數(shù)據(jù)的測(cè)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(cè)材料的剪切模量時(shí),，還要增加扭轉(zhuǎn)計(jì),。試驗(yàn)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)處理及輸出結(jié)果,。
三.試驗(yàn)過程
1．試樣的準(zhǔn)備
首先按照GB/T10128—2007的規(guī)定,，以及該試驗(yàn)機(jī)的夾具型式、尺寸,，準(zhǔn)備好標(biāo)準(zhǔn)試樣,。如圖1所示。
圖1：材料扭轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)試樣（圓形）
2．試樣的裝夾（如圖2所示）
試樣的裝夾很關(guān)鍵,。在裝夾時(shí),，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(yàn)機(jī)的動(dòng)夾頭,，使之容易的讓試樣進(jìn)入動(dòng)夾頭,。注意，在裝入試樣后,，不要再旋轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭,。
圖2：試樣裝夾示意圖
3．試驗(yàn)過程
試樣裝夾完畢，可以開始試驗(yàn),。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(cè)材料的抗扭強(qiáng)度、zui大扭矩等,，可以不加扭轉(zhuǎn)計(jì),。如果要測(cè)試試件的剪切模量等，需要增加扭轉(zhuǎn)計(jì),。
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(yīng)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(yīng)力作用面,，斷口較為粗糙,，因而是zui大拉應(yīng)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(yàn)曲線由彈性階段（oa段）,、屈服階段（ab段）和強(qiáng)化階段（cd段）構(gòu)成，但屈服階段和強(qiáng)化階段均不像拉伸試驗(yàn)曲線中那么明顯,。由于強(qiáng)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(shí)試驗(yàn)段的扭轉(zhuǎn)角可達(dá)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(shí)
的扭轉(zhuǎn)變形比拉伸破壞時(shí)的變形要明顯得多,。
4．試驗(yàn)結(jié)果的處理
4.1抗扭強(qiáng)度的計(jì)算：扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)程序自動(dòng)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(yàn)測(cè)定。在彈性范圍內(nèi)進(jìn)行圓截面試樣扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí),，扭矩廠與扭轉(zhuǎn)角中之間的關(guān)系符合扭轉(zhuǎn)變形的胡克定律,，式中：為截面的極慣性矩。當(dāng)試樣長度l和極慣性矩Ip均為已知時(shí),，只要測(cè)取扭矩增量ΔT和相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角增量ΔΦ,，可由式：
計(jì)算得到材料的切變模量。試驗(yàn)通常采用多級(jí)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(yàn)證扭轉(zhuǎn)變形胡克定律。
注意到三個(gè)彈性常數(shù)E,，μ,，G之間的關(guān)系由材料手冊(cè)查得材料的彈性模量E和泊松比μ,，計(jì)算得到材料的切變模量Gtr，如將計(jì)算值Gtr取作真值,，可將測(cè)試得到的G值與Gtr值進(jìn)行比較,，檢驗(yàn)測(cè)試誤差。
還有一些比較復(fù)雜的處理,，如規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)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(qǐng)下載文章來查閱。
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