電子材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用
    簡(jiǎn)介： 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)精度、數(shù)據(jù)分析及自動(dòng)化程度高。本文就該類型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程做以下介紹。
    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)。
    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、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 
 
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，斷面是大拉應(yīng)力作用面，斷口較為粗糙，因而是大拉應(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(zhǎng)，圖中只繪出其開始階段和后階段，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(zhǎng)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。