線材扭轉試驗機

根據用户端對產品工藝與使用條件的要求，高強纜索用鋼、高附加值車用和高鐵用長材產品材料的抗扭性能極其重要。此外，在材料性能表徵領域，基於拉伸/疲勞、衝擊/斷裂等標準化的試驗方法，工業界已形成了較為完備的對材料軸向加載研究其強塑性能，以及通過裂紋行為表徵斷裂韌性的精細化試驗體系。而對於材料的扭轉韌性，特別是針對10mm以下的橋樑纜索用鋼，現有的扭轉試驗僅能記錄扭斷圈數等半定量指標，尚處於工藝類試驗的階段。因此，有必要對現有扭轉試驗機功能理念、加載機構、控制原理等進行突破性的設計，對ϕ10mm以上的長材與10mm以下的纜索線材試樣整合，並將扭轉試驗提升到量化試驗的水平。 ^[1] 

圖1所示是傳統機械式（線材）扭轉試驗機的實物示意圖。其主要結構包括一個可以正反旋轉的迴轉夾頭，一個可以水平移動的平移夾頭。其中平移夾頭與一組托盤砝碼相連，以此對固定在迴轉夾頭與平移夾頭內且具有規定工作長度（標距長度）的線材試樣施加特定的拉緊載荷。

對線材進行扭轉試驗測定其扭斷圈數時，迴轉夾頭的轉速、線材的有效工作長度以及初始拉緊載荷均需滿足GB/T 239.1—2012《金屬材料 線材 第1部分：單向扭轉試驗方法》的要求。為確保夾頭對線材試樣的有效夾持，GB/T 239.1標準根據不同的試樣規格推薦了齒塊的類型。然而在實踐中發現，隨着強度等級的提高與產品規格日益多樣化，僅通過手動旋擰不同厚度、不同齒面的夾塊已很難確保線材在扭轉試驗過程中保持有效咬合，打滑或頓挫現象時有發生。此時，試驗所記錄的扭斷圈數存在較大誤差。 ^[2] 

新一代電子式材料扭轉試驗機在以下幾個方面進行了創新設計，如圖2所示。

（1）用迴轉液壓爪式卡盤取代傳統機械式旋擰卡盤，一副三爪齒塊即能支持ϕ7mm～ϕ14 mm、2000MPa級線材試樣與啞鈴型扭轉試樣裝卡不換齒、不打滑。

（2）以伺服電機—滾珠絲桿—傳感器的控制方式驅動平移夾頭，對線材軸向施加恆定拉緊力，以此取代傳統拉繩—滑輪—砝碼加載。最大載荷為10 kN，夾頭間距連續可調。

（3）正反向迴旋卡盤採用伺服電機—減速機構驅控，實現0.0005～30 r/min變速程控，取代傳統夾頭簡單轉動。平移夾頭內設拉扭複合傳感器，實施測量試樣軸向載荷與扭矩值。 ^[2] 

試件儘可能平直，必要時需矯直，但不能傷及表面，也不得扭曲試件。為使試件在試驗過程中平直，應施加某種形式的拉緊力，這種拉緊力不得大於試驗線材公稱抗拉強度相應力值的2%，軸向加力採用了砝碼加力。直徑（或特徵尺寸）為10mm-14mm的鋼材扭轉試驗時，無需施加拉緊力。 ^[1] 

根據GB/T 10128—2007《金屬材料 室温扭轉試驗方法》測量材料的扭矩-角度曲線，以及剪切模量、規定非比例扭轉強度、最大非比例切應變等扭轉韌性指標。試驗過程中可在屈服前後設定相應的扭轉速度。由於採用了液壓三爪卡盤式夾持方式，啞鈴型扭轉試樣的夾持端僅需保持對稱平整即可，無需額外加工夾持平面。此外，良好的液壓夾持方式也為採用卡盤轉角替代扭轉計創造了先決條件。

根據GB/T 239.1—2012《金屬材料 線材第1部分：單向扭轉試驗方法》與GB/T 17101—2008《橋樑纜索用熱鍍鋅鋼絲》測定ϕ7mm～ϕ14mm直徑規格的高強鋼絲及線材的抗扭圈數，可精確到度，並能定量記錄最大扭矩、斷裂扭矩等。根據標準要求，扭轉試驗時需對線材試樣保持恆定的拉緊力，且不高於線材公稱抗拉強度相應載荷的2%，而對直徑ϕ10mm～ϕ14mm的鋼線材無需施加拉緊力。此外，對於不同直徑規格的試樣，標準亦規定了相應的標距長度。需指出的是，基於“伺服電機—滾珠絲桿—傳感器”方式對平移卡盤的控制，線材扭轉試樣的拉緊載荷與標距長度可得到有效保證。

扭轉試驗是評價包括盤條、鍍鋅鋼絲在內長線材抗剪切變形能力優劣的有效試驗手段之一。由於長線材試樣在扭轉試驗過程中，塑性變形發生在整個標距長度之內且隨着扭轉圈數遞增累積，因此受正應力作用，夾雜物、異常組織、連鑄內裂紋等內在缺陷，以及受切應力作用而產生的表面裂紋、鋅鐵合金硬化層等外部缺陷均會在扭轉試驗中加速暴露，導致材料扭斷圈數的異常降低以及出現不規則的斷口形貌等。大量研究均證實了扭轉性能與長線材夾雜物、微觀組織比例、表面缺陷的直接相關性，但這些報道均基於對扭轉試驗的斷口分析，屬於失效分析的範疇。而新一代扭轉試驗機所具有的變速扭轉與臨界採樣技術能夠對高強長線材試樣扭轉過程中的扭矩值進行實施跟蹤，在扭矩值在峯值發生設定數值的衰減後能夠自動停機，並保護性卸載，進而為研究扭轉臨界破斷時刻，即最大延塑性變形時刻的材料組織機理提供可能，如通過表面觀測或切片電子光學分析技術來界定扭轉斷裂的主導機制是內部缺陷還是表面缺陷等。

通常採用電液伺服的方式實現拉扭複合疲勞加載，即在交變軸向加載的基礎上疊加正反扭矩。當模擬工件處於一種恆定拉向載荷而扭矩存在較慢周次的循環交變時，可採用本文所介紹的扭轉試驗機編程實現拉-扭複合疲勞加載，即利用迴旋式液壓卡盤雙向旋轉與平移式卡盤的軸向加載，扭矩最高可達2000N·m，拉向載荷可達10kN，控制頻率最高0.5Hz。 ^[2]