材料常规力学性能测试--扭转、疲劳试验（三）一e测试

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材料常规力学性能测试--扭转、疲劳试验（三）

2021-12-13 14:59:56 0 1172

扭转试验

概述

金属扭转试验是测试金属在切应力作用下的力学性能的实验技术，对于承受剪切扭转的机械零件如车轴钻杆、铆钉等具有重要的实际意义。

扭转曲线

扭转试验在扭转试验机上进行，试验时在圆柱形试样的标距两端施加扭矩Μ，这时在试样标距的两个截面间产生扭转角θ，根据Μ和θ的变化可绘制成扭转图，同时可得到相应的应力-应变图，Μ对应扭转比例极限τ；Μ对应扭转屈服强度τ(产生0.3%残余切应变时的应力) ；Μ对应扭转强度极限Τ。扭转试样的断口形状能反映出材料性能和受力情况。如断口的断面与试样轴线垂直，材料呈塑性，是切应力作用的结果；如断口断面与试样轴线约成45°角，材料呈脆性，是正应力作用的结果。

扭转应力

在横截面上无正应力作用，只有切应力。

弹性变形阶段:横截面上各点切应力与半径方向垂直，其大小与该点距中心的距离成正比，中心处切应力为零，表面处最大。(如图b)

塑性变形阶段:各点切应变仍与距中心的距离成正比，但切应力水平却因塑性变形而降低。(如图c)

扭转试验的特点

(1)扭转时应力状态的柔度系数较大，因而可用于测定那些在拉伸时表现为脆性的材料。如:淬火低温回火工具钢的塑性。

(2)圆柱试件在扭转试验时，整个长度上的塑性变形始终是均匀的。

试件截面及标距长度基本保持不变，不会出现静拉伸时试件上发生的颈缩现象。

(3)扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式，正断或切断。

对于塑性材料，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。

(4)扭转试验时，试件截面上的应力应变分布表明该试验对金属表面缺陷显示很大的敏感性。

因此，可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。

(5)扭转试验时，试件受到较大的切应力，因而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的非同时性的问题。

如弹性后效、弹性滞后以及内耗等。

性能指标

1、切变模量

2、扭转比例极限

3、扭转屈服强度

4、抗扭强度

疲劳试验

疲劳破坏:是指材料在低于抗拉强度的交变应力作用下，经过一定循环后，所发生的的断裂，即在断裂前没有明显的塑性变形。

疲劳断裂的特点

1、低应力循环延时断裂;

2、脆性断裂(不管是塑性材料还是脆性材料);

3、对缺陷(缺口、裂纹及组织缺陷)十分敏感，

4、疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展的过程。

疲劳研究的目的

1、定寿

2、延寿

3、寿命估算

研究应用

1.Nature 文章发现，二维材料（石墨烯）疲劳测试方法：在平均应力为71 GPa，应力变化范围为5.6 GPa下，疲劳寿命可以超过10^9周次，这种应力水平至少比高强度钢和航空航天铝合金的宏观疲劳试验高出一个数量级。

2.美国哈佛大学的锁志刚院士等研究者，合成了缠结比交联数量多得多的聚合物。相关论文以题为“Fracture, fatigue, and friction of polymers in which entanglements greatly outnumber cross-links”发表在Science上。研究者合成了一种缠结比交联多得多的聚合物。与双网络聚合物不同，这种单网络聚合物具有很高的韧性，因为所有的链都很长。如果链在低摩擦情况下滑移，聚合物的迟滞性可以忽略不计。稀疏的交联阻止了聚合物链的解缠。这些聚合物具有很高的韧性、强度和抗疲劳性能。聚合物浸入水中后，膨胀至平衡状态，形成的水凝胶具有低滞后、低摩擦和高耐磨性。

完全膨胀水凝胶的力学行为

论文链接

[1]https://www.nature.com/articles/s41563-019-0586-y

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg6320

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