第四章+金属扭转试验.doc

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。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(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。(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。(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一、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α,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φ,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ρ的一层薄壁圆筒上任一点处的切应变: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。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:(4-1)二、,由剪切虎克定律,切应力和切应变成正比(4-2)式中 G一剪切弹性模量,MPa。在试样表面,ρ=r,切应力τρ为:(4-3)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。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。则:         (4-4)                 扭转试样的极惯性矩Ip、截面系数Wp:实心圆截面:(4-6)                (4-7)空心圆截面:               (4-8)式中d——空心圆试样外径;d1——空心圆截面内径;(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。 当薄壁管的壁厚ao远小于其平均半径rm时(),),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:所以薄壁管扭转时的切应力:(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。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。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