材料扭转试验机是用于测试金属、非金属材料在扭矩作用下力学性能的专业设备，主要通过对试样施加扭矩并测量扭转变形，来评估材料的抗扭强度、剪切模量、屈服点等参数。以下从设备原理、应用领域、操作流程、数据处理及安全事项等方面详细说明：

一、设备原理与结构

1. 工作原理

通过伺服电机或液压系统对试样两端施加反向扭矩，使试样产生扭转变形，同时通过扭矩传感器和角位移传感器实时测量扭矩值与扭转角度，绘制 “扭矩 - 扭转角” 曲线，从而分析材料的抗扭性能。

2. 核心结构

驱动系统：伺服电机（电子式）或液压马达（液压式），提供稳定扭矩输出。

夹持装置：两端夹头（如三爪卡盘、夹钳），确保试样固定且轴线与旋转轴同轴。

测量系统：扭矩传感器（精度 0.5 级～1 级）、角位移编码器（分辨率≤0.1°）。

控制系统：微机控制软件（电子式）或液压阀组（液压式），设定加载速率、扭矩上限等参数。

二、应用领域

1. 金属材料测试

钢铁及合金：螺栓、轴类零件（如汽车传动轴）的抗扭强度测试，评估材料在扭转载荷下的韧性与脆性。

有色金属：铝合金、铜合金管材或棒材的扭转性能检测，用于航空航天、轨道交通领域。

焊接件：焊接接头的扭转试验，判断焊缝处的剪切强度和断裂倾向。

2. 非金属材料测试

高分子材料：塑料管材、橡胶棒的抗扭性能分析，如 PVC 管道在扭力下的耐变形能力。

复合材料：碳纤维板、玻璃纤维棒的扭转刚度测试，用于风电叶片、体育器材（如鱼竿）的材料选型。

3. 零部件与行业应用

机械制造：齿轮轴、紧固件（如高强度螺栓）的扭转破坏试验，验证设计可靠性。

石油化工：钻杆、油管的抗扭性能测试，确保井下作业时不发生扭断。

科研教学：材料力学研究中，分析剪切应力 - 应变关系，推导材料剪切屈服强度（τ_s）和剪切模量（G）。

三、操作流程（以微机控制电子式为例）

1. 试验前准备

设备检查：

确认夹头无磨损、传动系统无异常噪音，伺服电机运转正常；

开机预热传感器（15~30 分钟），校准扭矩零点和角位移零点。

试样制备：

按标准（如 GB/T 10128）加工试样，通常为圆形截面（直径 10mm，标距 50mm 或 100mm），表面光滑无划痕；

测量试样直径（精确至 0.01mm）和标距长度，记录原始数据。

参数设置：

设定扭转速度（如≤10°/min，金属材料）或扭矩增量（如 0.1N・m/s）；

设置试验终止条件（如最大扭矩 1000N・m、扭转角度 360° 或试样断裂）。

2. 试验操作

安装试样：

将试样两端分别插入左右夹头，确保同轴度（偏差≤0.5°），拧紧夹头螺栓防止打滑；

对于薄壁管材，可加装衬套避免夹持时变形。

启动试验：

点击软件 “开始” 按钮，系统自动以设定速率施加扭矩，实时显示扭矩 - 角度曲线；

观察试样表面，当出现可见裂纹或扭矩值骤降时，手动或自动停止试验。

3. 数据记录与处理

原始数据：记录最大扭矩（T_max）、断裂时扭转角度（θ_b）、弹性阶段扭矩 - 角度斜率（用于计算剪切模量 G）。

关键参数计算：

抗扭强度（τ_b）：τ_b = 16T_max/(πd³)，d 为试样直径；

剪切模量（G）：G = (T・L)/(θ・J)，L 为标距，J 为极惯性矩（J=πd⁴/32）；

屈服扭矩（T_s）：若曲线出现平台或拐点，对应扭矩为屈服扭矩。

报告生成：包含试样信息、试验参数、曲线图及性能指标，对比标准判断合格性。

4. 试验后操作

松开夹头，取出试样，清理设备表面碎屑；

关闭软件和电源，填写设备使用记录，若夹头磨损需及时更换。

四、典型标准与应用场景

五、安全注意事项

试样夹持：确保夹头固定试样，避免扭转时松动导致试样飞出或设备损坏。

过载保护：设置扭矩上限（通常为设备量程的 80%），防止超量程加载损坏传感器。

防护装置：试验时关闭防护罩，避免试样断裂碎片飞溅；液压式设备需检查油管密封性，防止高压油泄漏。

异常处理：若出现异响、电机过热或数据异常，立即按下急停按钮，排查故障后再继续。

六、设备选型与维护

选型要点：根据材料类型选择量程（如金属材料可选 1000N・m 以上，塑料可选 100N・m 以下），优先选择微机控制型以提高数据精度。

维护建议：定期校准传感器（每年 1 次），对传动部件（如齿轮、丝杠）加注润滑油，保持夹头清洁无锈迹。

 通过规范操作扭转试验机，可准确评估材料在剪切载荷下的力学性能，为工程设计、质量控制和科研提供关键数据支持。