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什麼是扭轉測試?

扭轉測試是一種機械測試,用於評估材料或裝置在角位移應力下的特性——本質上是扭轉試樣並測量其反應。這種類型的負載在現實世界中不斷發生,從車輛中傳輸動力的傳動軸到被扭開的瓶蓋,這使得扭轉測試成為瞭解材料和產品在實際使用中表現的重要工具。

扭轉測試可分為兩個不同的類別:測試原材料(如金屬線材或塑料管材)以確定剪切強度和模量等基本特性;或對承受扭轉的成品進行功能性測試,例如螺釘、藥瓶和護套電纜。第一種方法有助於材料供應商和工程師在將材料製成產品之前對其進行表徵,而第二種方法則驗證完成的零件或組件是否能夠承受其在整個使用壽命期間將遇到的扭轉力。

扭轉測試測量最常見的機械特性是剪切彈性模量、屈服剪切強度、極限剪切強度、剪切斷裂模量和延展性。這些特性共同為工程師提供了材料或組件在扭轉負載下行為的完整圖像——從其初始彈性反應,到永久變形點,最終到失效。

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為什麼要進行扭轉測試? | 扭轉測試類型 | 扭轉測試設備 | 計算結果 | 常用扭轉測試標準

為什麼要進行扭轉測試?

許多產品和組件在運行期間都會受到扭轉力。當工程師希望更改或更新這些產品中使用的材料時,扭轉測試是必要的。例如,車輛傳動系統中使用的金屬在使用中會經歷複雜的複合負載,其中扭轉是主要成分。試圖設計更省油車輛的工程師可能需要更改傳動軸的材料以減輕車輛重量。扭轉測試可以幫助工程師識別合適的材料,該材料既具備所需的扭轉強度,同時也有助於實現輕量化目標。

許多成品在運行期間也會受到扭轉力。諸如生物醫學管材、開關和緊固件等產品,只是日常使用中承受扭轉應力的少數裝置。透過對產品進行扭轉測試,製造商可以模擬真實的使用條件、檢查產品質量、驗證設計並確保正確的製造技術。

| Instron 扭轉測試設置的三個示例:萬能材料測試系統上的瓶蓋裝置、使用鑰匙測試的門鎖鎖芯,以及固定在扭轉夾具裝置中的注射器或小瓶。

扭轉測試類型

扭轉測試可以僅透過施加旋轉運動來執行,也可以透過同時施加軸向(拉伸或壓縮)和扭轉力來執行。扭轉測試的類型因產品而異,但通常可以歸類為失效測試、驗證測試或產品運行測試。

  • 僅扭轉:僅對測試試樣施加扭轉負載。
  • 軸向-扭轉:對測試試樣同時施加軸向(拉伸或壓縮)和扭轉力。
  • 失效測試:扭轉產品、組件或試樣直至失效。失效可歸類為物理斷裂或試樣中的扭結/缺陷。
  • 驗證測試:施加扭轉負載並將此扭矩負載保持固定時間。
  • 功能性測試:測試完整的組件或產品,例如瓶蓋、開關、旋轉筆或轉向柱,以驗證產品在扭轉負載下的表現是否符合預期。

扭轉測試設備

扭轉測試可以在幾種不同的測試系統上執行,具體取決於特定應用。萬能材料測試系統(例如 6800 系列)可以配置 扭轉附加裝置,使系統能夠執行雙軸測試(同時且獨立的軸向和扭轉負載)。成品的性能測試通常在動態疲勞系統上執行,例如 Instron 的 ElectroPuls®。

根據試樣的不同,扭轉測試還依賴於專用夾具和裝置——例如用於圓形線材試樣的線材扭轉夾具,或旨在牢固固定瓶蓋或緊固件等成品而在角負載下不打滑的定制裝置。

計算結果

在扭轉中測試原材料所產生的扭矩-旋轉曲線,在許多方面與 軸向測試 期間捕獲的力-位移曲線相似。大多數材料表現出相似的線性區域,代表剪切模量,隨後是屈服和最終失效。

與軸向測試一樣,試樣幾何形狀在扭轉測試結果中起著重要作用——標距長度和橫截面形狀等因素會影響計算出的剪切模量和強度值,因此一致的試樣製備對於可重複的結果非常重要。

| Instron 扭矩與旋轉曲線顯示扭矩在 60 圈內上升至約 0.5 N-m,隨後急劇下降,表明試樣失效。
扭矩與旋轉曲線顯示扭矩在 60 圈內上升至約 0.5 N-m,隨後急劇下降,表明試樣失效。

常用扭轉測試標準

扭轉測試受一系列行業標準的約束,具體取決於所評估的材料或產品。下表列出了 Instron 支持的一些最常見標準,涵蓋醫療裝置、金屬線材和流體連接器。

標準 描述
ASTM F543 骨螺釘的軸向和扭轉測試
ASTM A938 / ISO 7800 金屬線材的扭轉測試
ISO 594 / ISO 80369 圓錐魯爾接頭的測試
ISO 7206 人工髖關節植入物的耐久性和疲勞測試

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