深入浅出：扭转试验的原理、应用与操作要点全解析

在机械、石油、冶金等众多工程领域中，许多机械零部件承受着扭转载荷的作用，例如电机主轴、机床主轴、汽车传动轴、石油钻杆以及各种弹簧等。这些零部件的性能直接关系到设备的安全运行和使用寿命，因此，必须准确测定其相关材料的扭转性能指标，为设计和选材提供科学依据。而扭转试验作为一种重要的材料力学性能测试方法，扮演着重要的角色。接下来，科准测控小编将带你深入了解扭转试验的相关内容。

一、测试相关标准

二、 扭转试验简介

扭转试验是测定材料抵抗扭矩作用的一种试验方法，是材料机械性能试验的基本试验方法之一。其原理是对试样施加扭矩 T，同时测量扭矩 T 及相应的扭角 ϕ，并绘制出扭转曲线图。通常，试验会进行至试样断裂，从而测定金属材料的各项扭转力学性能指标，包括屈服扭矩、抗扭强度、剪切模量等。

三、扭转试验的应用

扭转试验不仅可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标，还具有其他力学性能试验方法所无法比ni的优点。通过观察试样的断口特征，可以判断产生断裂的原因以及材料的抗扭强度和抗拉（压）强度的相对大小。

1、塑性材料：断口与试件的轴线垂直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹，这是由切应力造成的切断（图 a）。

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2、脆性材料：断口约与试件轴线成 45 度螺旋状（图 b）；如果材料的轴向切断抗力比横向的低，扭转断裂时可能出现层状或木片状断口（图 c）。

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四、扭转试验原理

在试验过程中，随着扭矩的增大，试件标距两端截面不断产生相对转动，使扭转角增大。利用试验机的绘图装置绘出曲线，即 Mϕ 曲线（又称扭转图），来描述材料在扭转过程中的力学行为。

根据材料性能的不同，扭转曲线可以分为两种典型情况：低碳钢和铸铁。

低碳钢扭转曲线

低碳钢的扭转曲线分为三个阶段：

1、弹性阶段（OA）：外加扭矩不超过弹性范围时，变形是弹性的，Mϕ 曲线是一条直线。当边缘处的剪应力达到剪切屈服极xian时，此时对应的扭矩为 Ms。截面上的应力呈线性分布，表面的剪应力最大，即 τmax=Ms/W。

2、屈服阶段（AB）：超过弹性范围后，试样开始屈服。屈服过程是由表面至圆心逐渐进行的，此时 Mϕ 曲线开始变弯，横截面的塑性区逐渐向圆心扩展，截面上的应力不再是线性分布。试样整体屈服后，Mϕ 曲线上出现屈服平台，此时主动指针指示的最小值屈服扭矩记作 Ms。

3、强化阶段（BC）：超过屈服阶段后，Mϕ 曲线又开始上升，表明材料又恢复了抵抗变形的能力，即材料要继续变形，扭矩就必须不断增长。低碳钢有很长的强化阶段，但没有颈缩直至断裂。

五、扭转试验试样

根据现行标准规定，扭转试验试样分为圆柱形试样和管形试样两类。

1、圆柱形试样尺寸

推荐采用直径为 10 mm，标距分别为 50 mm 和 10 mm，平行长度分别为 70 mm 和 120 mm 的试样。如果采用其他直径的试样，其平行长度应为标距加上两倍直径。

2、管形试样尺寸

管形试样的平行长度应为标距加上两倍外直径。

六、扭转试验仪器设备

扭转试验机

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 ±1%，并应由计量部门定期进行检定。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。试验机应能对试样连续施加扭矩，无冲击和震动，并在 30 s 内保持扭矩恒定。

七、相关力学性能的测定

1、试验条件

试验温度：应在室温 10~35℃下进行。

扭转速度：屈服前应在 3°~30°/min 范围内，屈服后不大于 720°/min。速度的改变应无冲击。

2、剪切模量的测定

图解法：用自动记录方法记录扭矩一扭角曲线。在曲线的弹性直线段上读出扭矩增量和扭角增量，按公式计算剪切模量 G。

逐级加载法：在弹性直线段范围内，用不少于 5 级等扭矩对试样加载。记录每级扭矩和相应的扭角，计算出平均每级扭角增量，按图解法中公式计算剪切模量 G。

3、规定非比例扭转强度的测定

用自动记录方法记录扭矩一扭角曲线。在曲线上延长弹性直线段交扭角轴于 O 点，截取 OC 段，过 C 点作弹性直线段的平行线 CA 交曲线于 A 点，A 点对应的扭矩为 Tp。

4、上、下屈服强度的测定

采用图解法或指针法测定。试验时用自动记录方法记录扭转曲线，或直接观测试验机扭矩度盘指针的指示。shou次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩，屈服阶段中不计初始瞬间效应的最小扭矩为下屈服扭矩。

5、抗扭强度的测定

对试样连续施加扭矩，直至扭断。从记录的扭转曲线或试验机扭矩度盘上读出试样扭断前承受的最大扭矩，用公式计算抗扭强度。

八、 试样断口分析

1、塑性材料断口：表明断裂是由剪应力引起的。断面上可看出回旋状塑性变形的痕迹，是典型的韧状断口。断裂时的剪应力定义为强度极限，记作 τb。

2、脆性材料断口：表明断裂是由最大拉应力引起的。而最大拉应力先于最大剪应力达到强度极限后发生断裂，又说明了铸铁的抗拉能力弱于其抗剪能力。

纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态，与杆轴成 ±45° 角的螺旋面上分别作用着两个主应力 σ1、σ3，并与最大剪应力 τmax 绝对值数值相等。因此，试样的断口角度直接显示材料是拉断还是剪断，以及材料自身抗拉、抗剪能力的强弱。

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