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對(duì)于各種金屬軸類零件如電機(jī)主軸、機(jī)床主軸、汽車傳動(dòng)軸和石油鉆桿等,在機(jī)械工作中往往會(huì)受到一定的扭轉(zhuǎn)載荷的作用。為保證類似零件產(chǎn)品在實(shí)際操作中的正常工作,需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的材料測(cè)試和試驗(yàn),其中扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以測(cè)定出金屬材料的剪切模量、規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo),而扭應(yīng)力疲勞試驗(yàn)則能反映金屬材料在受到扭轉(zhuǎn)荷載下的抗疲勞性能,直接關(guān)聯(lián)著零件產(chǎn)品的質(zhì)量和實(shí)際使用壽命。下面就根據(jù)GB/T 12443《金屬材料 扭應(yīng)力疲勞試驗(yàn)方法》和ISO 1352介紹一下具體的試驗(yàn)方法。
一、試驗(yàn)范圍
本標(biāo)準(zhǔn)適用于室溫大氣下,測(cè)定公稱直徑為5.0mm~12.5mm圓形橫截面金屬光滑試樣的扭應(yīng)力疲勞性能。
二、試驗(yàn)原理
公稱直徑相同的試樣裝于扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)上,并承受圖1中4~7所示任一類型扭應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的扭矩,連續(xù)試驗(yàn)至試樣失效或至循環(huán)次數(shù)。(注:失效一般指試樣*斷裂或出現(xiàn)內(nèi)眼可見的疲勞裂紋。同批和對(duì)比試驗(yàn)的判據(jù)應(yīng)相同。)
三、符號(hào)單位說明
四、試樣制取
1、試樣形狀
形狀如圖2所示。其工作部分可為圓柱形(見圖2a))、漏斗形(見圖2b)),工作部分橫截面均為圓形;夾持端的形狀則根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的夾頭形狀和試驗(yàn)材料設(shè)計(jì)。試樣的典型夾持端見圖3。
2、試樣尺寸
① 直徑d的尺寸范圍為5.0mm~12.5mm,推薦直徑d的尺寸為6.0mm、7.5mm、 9.5mm; 允許偏差為±0.02mm。
② 實(shí)際小直徑的測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.01mm。測(cè)量直徑d時(shí),切忌損傷試樣表面。
③ 工作部分與夾持部分的同軸度應(yīng)不大于0.01mm。
④ 同批試驗(yàn)或?qū)Ρ仍囼?yàn)所用試樣直徑d應(yīng)具有相同公稱值。
3、試樣制備
取樣部位、取向和方法按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或雙方協(xié)議。
① 機(jī)械加工
所采用的機(jī)械加工不允許改變?cè)嚇拥囊苯鸾M織或力學(xué)性能,且引起的試樣表面加工硬化應(yīng)盡可能小。 磨削精加工較硬材料的試樣時(shí),應(yīng)提供足夠的冷卻液,確保試樣表面不過熱。
工作部分與過渡圓弧的連接應(yīng)光滑,不應(yīng)出現(xiàn)加工痕跡。
粗加工后的試樣毛坯如需熱處理,應(yīng)留有適當(dāng)?shù)募庸び嗔浚员WC精加工后能夠消除熱處理對(duì)試樣表面的不良影響。不允許對(duì)試樣進(jìn)行矯直。
② 表面拋光
試樣的工作部分經(jīng)車削或磨削至公稱尺寸后,采用粒度較細(xì)且逐次變細(xì)的水磨砂紙或砂布,沿其圓周方向進(jìn)行手工或機(jī)械拋光。拋光的中間階段可沿任一方向, 以消除較粗粒度的砂紙或砂布所產(chǎn)生的傷痕;拋光的后階段應(yīng)沿圓周方向。
拋光后,試樣工作部分的表面粗糙度Ra的允許大值為0.32μm。
③ 表面狀態(tài)
試樣工作部分的表面狀態(tài)應(yīng)與工況一致。
④ 試樣貯存
已制備好的試樣如不能及時(shí)試驗(yàn),則應(yīng)妥善貯存、保護(hù),確保試樣在貯存期間不變形且表面完好無(wú)損。
試驗(yàn)前,應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒z查試樣,其表面如有銹蝕或傷痕,則應(yīng)重新進(jìn)行表面精加工。
五、試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件
1、萬(wàn)測(cè)電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)
萬(wàn)測(cè)電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)
萬(wàn)測(cè)電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī),主要用于進(jìn)行軸類試樣的往復(fù)扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn),測(cè)試對(duì)象可以是金屬、非金屬、復(fù)合材料等材料試樣,也可以是軸類的結(jié)構(gòu)件,比如汽車傳動(dòng)軸等。試驗(yàn)環(huán)境可以是室溫,也可以是高溫、低溫、鹽霧等環(huán)境(需額外配環(huán)境箱)。
2、試驗(yàn)條件
① 試驗(yàn)環(huán)境為室溫大氣(10℃~35℃)。
② 應(yīng)力循環(huán)頻率不應(yīng)引起試樣過熱或試驗(yàn)機(jī)共振。
③ 裝于試驗(yàn)機(jī)上的試樣不允許承受所需規(guī)定扭應(yīng)力以外的其他應(yīng)力。
六、試驗(yàn)步驟
1、安裝試樣
將試樣緊固于試驗(yàn)機(jī)上,使試樣與試驗(yàn)機(jī)兩夾頭保持良好同軸。
2、選定應(yīng)力循環(huán)頻率
根據(jù)所用試驗(yàn)機(jī)型號(hào)、試樣、應(yīng)力大小或試驗(yàn)要求選定應(yīng)力循環(huán)頻率。
3、施加扭矩
開動(dòng)試驗(yàn)機(jī),其應(yīng)力循環(huán)頻率調(diào)至選定值后,將規(guī)定扭應(yīng)力所需的相應(yīng)扭矩施加到試樣上。
4、測(cè)定扭轉(zhuǎn)疲勞性能
疲勞性能測(cè)定方法應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募右赃x擇。疲勞性能測(cè)定所用試樣數(shù)量隨測(cè)定方法的不同而有一個(gè)較寬的范圍。推薦用如下方法測(cè)定扭轉(zhuǎn)疲勞性能:
① 扭轉(zhuǎn)疲勞極限(τD)的測(cè)定
試驗(yàn)一般在預(yù)計(jì)(0.95~1.05)τD范圍的3級(jí)左右等間距應(yīng)力水平下進(jìn)行;應(yīng)力增量一般為預(yù)計(jì)τD的3%~5%;第一根試樣的應(yīng)力水平應(yīng)略高于預(yù)計(jì)τD;在每級(jí)應(yīng)力水平下試樣的數(shù)量一般在兩根或兩根以上。
用下列方法之一處理試驗(yàn)結(jié)果所得應(yīng)力水平即為扭轉(zhuǎn)疲勞極限:
a)半數(shù)試樣試驗(yàn)至循環(huán)數(shù)而不失效的應(yīng)力水平,但在比此應(yīng)力水平低一級(jí)的應(yīng)力水平下,試驗(yàn)至循環(huán)數(shù)而不失效的試樣應(yīng)超過半數(shù),如圖4a)或圖4b)所示;
b)如果在某級(jí)應(yīng)力水平下,超過半數(shù)的試樣試驗(yàn)未至循環(huán)數(shù)已失效,而在比此應(yīng)力水平低一級(jí)的應(yīng)力水平下,試樣試驗(yàn)至循環(huán)數(shù)全不失效時(shí),則上述兩級(jí)應(yīng)力水平的平均值為扭轉(zhuǎn)疲勞極限,如圖4c)所示。
② S-N曲線的測(cè)定
通常?。醇?jí)~6級(jí)應(yīng)力水平;用成組法測(cè)定其中等壽命區(qū)的疲勞壽命,每組試樣的數(shù)量一般隨應(yīng)力水平的降低而增加;用扭轉(zhuǎn)疲勞極限(τD)的測(cè)定方法測(cè)定其長(zhǎng)壽命區(qū)的扭轉(zhuǎn)疲勞極限。
用逐點(diǎn)描跡法或小二乘法,擬合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)即成S-N曲線。
七、試驗(yàn)結(jié)果的表示方法
試驗(yàn)結(jié)果有下列兩種表示方法:
① 列裹法
表中應(yīng)包括如下內(nèi)容:試驗(yàn)順序、試樣號(hào)、試樣形狀和尺寸及表面粗糙度、頻率、 應(yīng)力、循環(huán)次數(shù)、中等壽命區(qū)的平均壽命和長(zhǎng)壽命區(qū)的扭轉(zhuǎn)疲勞極限。
② 圖示法
S-N曲線是常用的一種表示疲勞試驗(yàn)結(jié)果的方法。繪制S-N曲線時(shí),以應(yīng)力為縱坐標(biāo),以疲勞壽命為橫坐標(biāo)。
疲勞壽命采用對(duì)數(shù)坐標(biāo),應(yīng)力采用線性坐標(biāo)或?qū)?shù)坐標(biāo)。
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