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什么是扭转试验?

扭转试验是一种机械试验,用于评估材料或设备在角位移应力下的性能——本质上是扭转试样并测量其反应。这种加载方式在现实世界中经常发生,从车辆中传输动力的传动轴到被扭开的瓶盖,这使得扭转试验成为理解材料和产品在实际服役中表现的重要工具。

扭转试验可分为两个不同的类别:测试原材料(如金属线材或塑料管材)以确定剪切强度和模量等基本性能;或者对承受扭转的成品进行功能性测试,如螺钉、医药瓶和护套电缆。第一种方法有助于材料供应商和工程师在将材料制成产品之前对其进行表征,而第二种方法则验证完整的零件或组件是否能够承受其在整个使用寿命中遇到的扭转力。

通过扭转试验测量的最常见机械性能是剪切弹性模量、剪切屈服强度、极限剪切强度、剪切断裂模量和延展性。这些性能共同为工程师提供了材料或组件在扭转负载下表现的完整图景——从其初始弹性响应,到永久变形点,并最终到失效。

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为什么要进行扭转试验? | 扭转试验类型 | 扭转试验设备 | 计算结果 | 常用扭转试验标准

为什么要进行扭转试验?

许多产品和组件在运行过程中都会受到扭转力的作用。当工程师希望更改或更新这些产品中使用的材料时,扭转试验是必不可少的。例如,车辆传动系统中使用的金属在服役中会经历复杂的复合加载,其中扭转是主要成分。试图设计更节能车辆的工程师可能需要更改传动轴的材料以减轻车辆重量。扭转试验可以帮助工程师识别出既具备所需扭转强度又能实现轻量化目标的合适材料。

许多成品在运行过程中也会受到扭转力的作用。生物医学管材、开关和紧固件等产品只是日常使用中承受扭转应力的少数设备。通过对产品进行扭转测试,制造商可以模拟真实的服役条件、检查产品质量、验证设计并确保正确的制造工艺。

扭转试验设置的三个示例:万能材料试验系统上的瓶盖夹具、正在用钥匙测试的门锁锁芯,以及固定在扭转夹具装置中的注射器或小瓶。 | Instron

扭转试验类型

扭转试验可以通过仅施加旋转运动,或同时施加轴向(拉伸或压缩)和扭转力来进行。扭转试验的类型因产品而异,但通常可以分为失效试验、验证试验或产品运行试验。

  • 纯扭转:仅对测试试样施加扭转负载。
  • 轴向-扭转:对测试试样同时施加轴向(拉伸或压缩)和扭转力。
  • 失效试验:扭转产品、组件或试样直至失效。失效可归类为物理断裂或试样中的扭结/缺陷。
  • 验证试验:施加扭转负载并保持该扭矩负载一段固定时间。
  • 功能性测试:测试完整的组件或产品,如瓶盖、开关、转动笔或转向柱,以验证产品在扭转负载下的表现是否符合预期。

扭转试验设备

扭转试验可以在几种不同的测试系统上进行,具体取决于应用场景。万能材料试验系统(如 6800 系列)可以配置 扭转驱动机构,使系统能够执行双轴测试(同时且独立的轴向和扭转加载)。成品的性能测试通常在动态疲劳系统上进行,例如 Instron 的 ElectroPuls®。

根据试样的不同,扭转试验还依赖于专门的夹具和装置——例如用于圆线试样的线材扭转夹具,或旨在牢固固定瓶盖或紧固件等成品而在角位移负载下不打滑的定制夹具。

计算结果

原材料扭转试验产生的扭矩-转角曲线在许多方面类似于 轴向试验 中捕获的力-位移曲线。大多数材料表现出类似的线性区域(代表剪切模量),随后是屈服和最终失效。

与轴向试验一样,试样几何形状在扭转试验结果中起着重要作用——标距长度和截面形状等因素会影响计算出的剪切模量和强度值,因此一致的试样制备对于获得可重复的结果至关重要。

扭矩-转角曲线显示扭矩在 60 圈内上升至约 0.5 N-m,随后急剧下降,表明试样失效。 | Instron
扭矩-转角曲线显示扭矩在 60 圈内上升至约 0.5 N-m,随后急剧下降,表明试样失效。

常用扭转试验标准

扭转试验受一系列行业标准的约束,具体取决于所评估的材料或产品。下表列出了 Instron 支持的一些最常见标准,涵盖医疗器械、金属线材和流体连接器。

标准 描述
ASTM F543 接骨螺钉的轴向和扭转试验
ASTM A938 / ISO 7800 金属线材扭转试验
ISO 594 / ISO 80369 圆锥鲁尔接头测试
ISO 7206 人工髋关节假体的耐久性和疲劳试验

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