线材扭转试验机

试验仪器

金属线材扭转试验机适用于测定直径（或特征尺寸）为0.1-14.0mm 的金属线材在单向或双向扭转中承受塑性变形的能力及显示线材表面和内部的缺陷。

简介

根据用户端对产品工艺与使用条件的要求，高强缆索用钢、高附加值车用和高铁用长材产品材料的抗扭性能极其重要。此外，在材料性能表征领域，基于拉伸/疲劳、冲击/断裂等标准化的试验方法，工业界已形成了较为完备的对材料轴向加载研究其强塑性能，以及通过裂纹行为表征断裂韧性的精细化试验体系。而对于材料的扭转韧性，特别是针对10mm以下的桥梁缆索用钢，现有的扭转试验仅能记录扭断圈数等半定量指标，尚处于工艺类试验的阶段。因此，有必要对现有扭转试验机功能理念、加载机构、控制原理等进行突破性的设计，对ϕ10mm以上的长材与10mm以下的缆索线材试样整合，并将扭转试验提升到量化试验的水平。

传统试验机

图1所示是传统机械式（线材）扭转试验机的实物示意图。其主要结构包括一个可以正反旋转的回转夹头，一个可以水平移动的平移夹头。其中平移夹头与一组托盘砝码相连，以此对固定在回转夹头与平移夹头内且具有规定工作长度（标距长度）的线材试样施加特定的拉紧载荷。

对线材进行扭转试验测定其扭断圈数时，回转夹头的转速、线材的有效工作长度以及初始拉紧载荷均需满足GB/T 239.1—2012《金属材料线材第1部分：单向扭转试验方法》的要求。为确保夹头对线材试样的有效夹持，GB/T 239.1标准根据不同的试样规格推荐了齿块的类型。然而在实践中发现，随着强度等级的提高与产品规格日益多样化，仅通过手动旋拧不同厚度、不同齿面的夹块已很难确保线材在扭转试验过程中保持有效咬合，打滑或顿挫现象时有发生。此时，试验所记录的扭断圈数存在较大误差。

新式试验机

新一代电子式材料扭转试验机在以下几个方面进行了创新设计，如图2所示。

（1）用回转液压爪式卡盘取代传统机械式旋拧卡盘，一副三爪齿块即能支持ϕ7mm～ϕ14 mm、2000MPa级线材试样与哑铃型扭转试样装卡不换齿、不打滑。

（2）以伺服电机—滚珠丝杆—传感器的控制方式驱动平移夹头，对线材轴向施加恒定拉紧力，以此取代传统拉绳—滑轮—砝码加载。最大载荷为10 kN，夹头间距连续可调。

（3）正反向回旋卡盘采用伺服电机—减速机构驱控，实现0.0005～30 r/min变速程控，取代传统夹头简单转动。平移夹头内设拉扭复合传感器，实施测量试样轴向载荷与扭矩值。

试样标准

试件尽可能平直，必要时需矫直，但不能伤及表面，也不得扭曲试件。为使试件在试验过程中平直，应施加某种形式的拉紧力，这种拉紧力不得大于试验线材公称抗拉强度相应力值的2%，轴向加力采用了砝码加力。直径（或特征尺寸）为10mm-14mm的钢材扭转试验时，无需施加拉紧力。

试验类型

材料试验

根据GB/T 10128—2007《金属材料室温扭转试验方法》测量材料的扭矩-角度曲线，以及剪切模量、规定非比例扭转强度、最大非比例切应变等扭转韧性指标。试验过程中可在屈服前后设定相应的扭转速度。由于采用了液压三爪卡盘式夹持方式，哑铃型扭转试样的夹持端仅需保持对称平整即可，无需额外加工夹持平面。此外，良好的液压夹持方式也为采用卡盘转角替代扭转计创造了先决条件。

工艺试验

根据GB/T 239.1—2012《金属材料线材第1部分：单向扭转试验方法》与GB/T 17101—2008《桥梁缆索用热镀锌钢丝》测定ϕ7mm～ϕ14mm直径规格的高强钢丝及线材的抗扭圈数，可精确到度，并能定量记录最大扭矩、断裂扭矩等。根据标准要求，扭转试验时需对线材试样保持恒定的拉紧力，且不高于线材公称抗拉强度相应载荷的2%，而对直径ϕ10mm～ϕ14mm的钢线材无需施加拉紧力。此外，对于不同直径规格的试样，标准亦规定了相应的标距长度。需指出的是，基于“伺服电机—滚珠丝杆—传感器”方式对平移卡盘的控制，线材扭转试样的拉紧载荷与标距长度可得到有效保证。

取制样试验

扭转试验是评价包括盘条、镀锌钢丝在内长线材抗剪切变形能力优劣的有效试验手段之一。由于长线材试样在扭转试验过程中，塑性变形发生在整个标距长度之内且随着扭转圈数递增累积，因此受正应力作用，夹杂物、异常组织、连铸内裂纹等内在缺陷，以及受切应力作用而产生的表面裂纹、锌铁合金硬化层等外部缺陷均会在扭转试验中加速暴露，导致材料扭断圈数的异常降低以及出现不规则的断口形貌等。大量研究均证实了扭转性能与长线材夹杂物、微观组织比例、表面缺陷的直接相关性，但这些报道均基于对扭转试验的断口分析，属于失效分析的范畴。而新一代扭转试验机所具有的变速扭转与临界采样技术能够对高强长线材试样扭转过程中的扭矩值进行实施跟踪，在扭矩值在峰值发生设定数值的衰减后能够自动停机，并保护性卸载，进而为研究扭转临界破断时刻，即最大延塑性变形时刻的材料组织机理提供可能，如通过表面观测或切片电子光学分析技术来界定扭转断裂的主导机制是内部缺陷还是表面缺陷等。

拉扭复合型设计类试验

通常采用电液伺服的方式实现拉扭复合疲劳加载，即在交变轴向加载的基础上叠加正反扭矩。当模拟工件处于一种恒定拉向载荷而扭矩存在较慢周次的循环交变时，可采用本文所介绍的扭转试验机编程实现拉-扭复合疲劳加载，即利用回旋式液压卡盘双向旋转与平移式卡盘的轴向加载，扭矩最高可达2000N·m，拉向载荷可达10kN，控制频率最高0.5Hz。

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