金属扭转试验.doc

薂第四章金属扭转试验虿在机械、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。芆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φ,绘制T-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。肃圆柱形试样的扭转试验具有以下的特点:芀(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。蝿(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。蚆(3)扭转应力状态较拉伸软(α=),可以使低塑性材料处于韧性状态测定它们的强度和塑性。蒁(4)由材料力学可知,圆柱形试样在扭转试验时,试样表面的应力状态如图4-1所示,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。这一点其他试验不能与之相比。聿(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。蝿肇第一节金属材料扭转时的力学性质膃一、扭转时切应变肂材料力学假设扭转时圆柱体的变形:衿(1)所有纵向素线都倾斜了同一角度α,圆柱体上所有矩形格子扭歪成相似平行四边形;膄(2)所有圆周线都围绕轴线转了一定的角度φ,而圆周线形状、长短及两圆周线间距离都未改变。袅由材料力学可知: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:袁羈即: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,圆柱体表面的切应变最大。薅当直径为d(mm),长度为Lc(mm)的圆柱体两端的相对扭角为φ时,圆柱体表面的切应变:莃(4-1)蚀二、,由剪切虎克定律,切应力和切应变成正比羆(4-2)肅式中G一剪切弹性模量,MPa。荿在试样表面,ρ=r,切应力τρ为:膈(4-3)莇即:圆柱体横截面上任一点扭转时的切应力τρ与外加扭矩T以及该点到轴线的距离ρ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。薃令,也是仅与横截面的形状和尺寸有关的几何量,称为扭转试样截面系数。蒂则:(4-4)芈扭转试样的极惯性矩Ip、截面系数Wp:薄实心圆截面:芅(4-6)膁(4-7)莈空心圆截面:(4-8)羅式中d——空心圆试样外径;蚂d1——空心圆截面内径;罿(4-9),圆柱体横截面上的切应力τρ与该点到轴线的距离ρ失去比例关系,如图4-4所示。(),),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:蒄羂蒈所以薄壁管扭转时的切应力:螆(4-11)袂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。螁第二节扭转试样及试验设备薈一、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lOmm,标距分别为5Omm和lOOmm,平行长度分别为7Omm和12Omm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。薄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。薀二、试验设备蚇(一)扭转试验机芄(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于士1%,应由计量部门定期进行检定。肂(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。荿(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。螇(4)应具有良好的读数稳定性,在30s内保持扭矩恒定。蚅(二)扭转计螄(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