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斷裂扭轉(zhuǎn)角試驗(yàn)檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-08-02 08:07:20 更新時(shí)間：2025-08-01 08:07:20

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

斷裂扭轉(zhuǎn)角試驗(yàn)檢測(cè)

斷裂扭轉(zhuǎn)角試驗(yàn)是評(píng)估材料在扭轉(zhuǎn)載荷作用下抵抗變形直至發(fā)生斷裂能力的關(guān)鍵力學(xué)性能測(cè)試之一。它直接反映了材料的抗扭強(qiáng)度、塑性和韌性，尤其在評(píng)價(jià)軸類零件、工具手柄、緊固件以及各種承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的工程構(gòu)件材料的服役可靠性方面具有極其重要的意義。該試驗(yàn)通過測(cè)量試樣在純扭矩作用下達(dá)到斷裂時(shí)所轉(zhuǎn)過的角度（即斷裂扭轉(zhuǎn)角），為材料選擇、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)及失效分析提供重要的定量依據(jù)。其結(jié)果是材料在扭轉(zhuǎn)條件下的塑性和韌性的直觀體現(xiàn)，斷裂扭轉(zhuǎn)角越大，通常表明材料在扭轉(zhuǎn)載荷下的塑性變形能力越強(qiáng)，抵抗斷裂的能力越高。

檢測(cè)項(xiàng)目

斷裂扭轉(zhuǎn)角試驗(yàn)的核心檢測(cè)項(xiàng)目即為測(cè)定材料的斷裂扭轉(zhuǎn)角（單位通常為度 ° 或弧度 rad）。圍繞此核心，試驗(yàn)通常還包含或可關(guān)聯(lián)以下項(xiàng)目：

1. 最大扭矩 (T_max)： 試樣在斷裂前所能承受的最大扭矩值，反映材料的抗扭強(qiáng)度。
2. 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限 (τ_b)： 根據(jù)最大扭矩和試樣尺寸計(jì)算得到的極限切應(yīng)力。
3. 扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度 (τ_s)： 當(dāng)材料發(fā)生規(guī)定微量塑性變形（如0.2%）時(shí)的切應(yīng)力。
4. 切變模量 (G)： 在彈性變形范圍內(nèi)，切應(yīng)力與切應(yīng)變的比例系數(shù)，反映材料抵抗彈性剪切變形的能力（有時(shí)通過扭角增量與扭矩增量計(jì)算）。
5. 扭矩-扭角曲線： 完整記錄從加載到斷裂全過程的扭矩與扭角對(duì)應(yīng)關(guān)系，可分析材料的彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮直至斷裂各階段特性。

檢測(cè)儀器

進(jìn)行斷裂扭轉(zhuǎn)角試驗(yàn)的主要設(shè)備是扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。該設(shè)備應(yīng)滿足以下核心要求：

1. 加載系統(tǒng)： 能夠?qū)υ嚇邮┘悠椒€(wěn)、可控、可測(cè)量的扭矩。加載方式可以是機(jī)械式、液壓式或更常見的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式。
2. 扭矩測(cè)量系統(tǒng)： 高精度的扭矩傳感器（通常為應(yīng)變式），量程需覆蓋被測(cè)試樣的預(yù)期斷裂扭矩，精度等級(jí)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求（如0.5級(jí)或1級(jí)）。
3. 扭角測(cè)量系統(tǒng)： 這是測(cè)量斷裂扭轉(zhuǎn)角的關(guān)鍵。常用方法包括：

光學(xué)編碼器/角位移傳感器： 直接安裝在試驗(yàn)機(jī)夾頭或傳動(dòng)軸上，實(shí)時(shí)測(cè)量試樣的絕對(duì)或相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度，精度高，響應(yīng)快。
引伸計(jì)： 有時(shí)使用專用的扭轉(zhuǎn)引伸計(jì)夾持在試樣標(biāo)距段上直接測(cè)量標(biāo)距內(nèi)的扭角，精度更高，受系統(tǒng)間隙影響小。

4. 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)： 實(shí)時(shí)采集扭矩和扭角信號(hào)，控制試驗(yàn)過程（如加載速率），繪制扭矩-扭角曲線，自動(dòng)計(jì)算并輸出結(jié)果（包括斷裂扭轉(zhuǎn)角）。
5. 夾持裝置： 可靠夾緊試樣的夾頭，需保證在試驗(yàn)過程中試樣不會(huì)打滑且對(duì)中良好，避免附加彎曲應(yīng)力。通常為三爪卡盤或楔形夾頭。

檢測(cè)方法

斷裂扭轉(zhuǎn)角試驗(yàn)的操作流程通常遵循以下步驟（具體需參照?qǐng)?zhí)行標(biāo)準(zhǔn)）：

1. 試樣制備： 根據(jù)材料類型（金屬、塑料等）和選用標(biāo)準(zhǔn)，制備規(guī)定形狀和尺寸的圓柱形或管狀扭轉(zhuǎn)試樣。確保加工精度，避免表面缺陷影響結(jié)果。
2. 試樣測(cè)量： 精確測(cè)量試樣標(biāo)距段的原始直徑（計(jì)算截面系數(shù)用）和標(biāo)距長(zhǎng)度（L₀，某些標(biāo)準(zhǔn)用于計(jì)算扭角）。
3. 裝夾試樣： 將試樣牢固、對(duì)中地安裝在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的兩夾頭之間。務(wù)必確保試樣軸線與試驗(yàn)機(jī)主軸軸線重合。
4. 安裝測(cè)量裝置： 根據(jù)需要安裝角度傳感器或扭轉(zhuǎn)引伸計(jì)。
5. 設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)： 在控制軟件中設(shè)置試驗(yàn)類型（如斷裂試驗(yàn)）、控制模式（通常為扭角速率控制或扭矩速率控制，速率按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定）、數(shù)據(jù)采集頻率等。
6. 開始試驗(yàn)： 啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，按設(shè)定的速率施加扭矩，直至試樣發(fā)生斷裂。試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄扭矩和扭角數(shù)據(jù)。
7. 終止與數(shù)據(jù)采集： 試樣斷裂后，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止。自動(dòng)記錄斷裂瞬間的扭矩（T_max）和扭角（即斷裂扭轉(zhuǎn)角θ_b）。
8. 結(jié)果計(jì)算與報(bào)告： 軟件自動(dòng)計(jì)算相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)（如τ_b），生成包含斷裂扭轉(zhuǎn)角、扭矩-扭角曲線等信息的試驗(yàn)報(bào)告。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

斷裂扭轉(zhuǎn)角試驗(yàn)需嚴(yán)格遵循相關(guān)的國際、國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性、可比性和權(quán)威性。常用標(biāo)準(zhǔn)包括：

1. 金屬材料：

GB/T 10128-2007 《金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法》： 中國國家標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)規(guī)定了金屬材料室溫下扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的試樣、設(shè)備、方法、性能測(cè)定和試驗(yàn)報(bào)告要求。是進(jìn)行斷裂扭轉(zhuǎn)角測(cè)試的主要依據(jù)。
ISO 7800:2012 《Metallic materials — Wire — Simple torsion test》： 國際標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)金屬線材的簡(jiǎn)單扭轉(zhuǎn)（斷裂）試驗(yàn)。
ASTM E143-13(2019) 《Standard Test Method for Shear Modulus at Room Temperature》： 美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，雖然主要針對(duì)切變模量測(cè)定，但也包含扭矩-扭角關(guān)系的測(cè)量方法，可用于斷裂扭轉(zhuǎn)角的測(cè)定。
JIS Z 2248:2017 《金屬材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法》： 日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2. 塑料材料：

ISO 6721-2:2019 《Plastics — Determination of dynamic mechanical properties — Part 2: Torsion-pendulum method》： 包含扭擺法測(cè)定動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。
ASTM D1043-16 《Standard Test Method for Stiffness Properties of Plastics as a Function of Temperature by Means of a Torsion Test》： 主要關(guān)注溫度相關(guān)的剛度，但也涉及扭角測(cè)量。
針對(duì)塑料的斷裂扭轉(zhuǎn)角測(cè)試，有時(shí)會(huì)參考或借鑒金屬標(biāo)準(zhǔn)的原則，并結(jié)合塑料特點(diǎn)制定內(nèi)部或特定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

注意： 在實(shí)際檢測(cè)中，必須明確注明所依據(jù)的具體標(biāo)準(zhǔn)號(hào)及其版本，因?yàn)椴煌瑯?biāo)準(zhǔn)在試樣尺寸、標(biāo)距、試驗(yàn)速率、結(jié)果表示等方面可能存在差異。嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)是確保檢測(cè)結(jié)果有效性的前提。