DKNZ型　原位扭轉測試儀

    公司針對當前材料扭轉測試設備和原位監測技術的國內外發展現狀和趨勢進行了較為深入的分析，開發生產了可與光學顯微成像設備相兼容的原位扭轉測試儀，包括單軸原位扭轉測試儀（圖1）和雙軸聯動原位扭轉測試儀（圖5）。

                       (a) 單軸原位扭轉測試儀                    (b) 單軸原位扭轉測試儀實物圖

圖1 單軸原位扭轉測試儀

應用

• 金屬材料

• 合金材料

• 陶瓷材料

• 仿生材料

• 復合材料

• 單軸原位扭轉測試儀，為材料制備、生命科學、航空航天和星際探索提供精準技術支撐。

• 研制了結構緊湊的單軸原位扭轉測試儀，可與光學顯微成像設備相兼容

• 實現在載荷作用下對材料微觀變形損傷機制與微觀組織演化等特性進行動態原位觀測

• 深入研究材料的宏觀力學行為與微觀組織結構演化規律

• 配備控制主機，專用檢測控制系統與配套分析處理軟件

• 采用了直流空心杯電機配合精密行星齒輪減速箱及精密蝸輪蝸桿傳動實現對試件的動力加載，這種加載方式可以保證測試裝置擁有足夠的扭轉載荷和寬泛的加載速率

• 實現以準靜態的方式對試件進行扭轉加載

• 原位觀測時獲取更高的質量的圖像，對于微觀組織結構的觀測與分析能夠更加的清晰而準確

    典型材料單軸原位扭轉測試曲線如圖2所示；測試材料表面形貌原位觀測圖像如圖3所示；單軸原位扭轉測試金相組織原位觀測圖像如圖4所示。

                                                   (e)2A12鋁合金扭轉曲線                           (f) H59黃銅扭轉曲線             

                                       (g) 2A12鋁合金±150°循環扭轉曲線             (h) 2A12鋁合金±200°循環扭轉曲線  

圖2 典型材料單軸原位扭轉測試曲線

    如圖2所示，四種材料的扭矩-轉角曲線的重復性非常好，表明原位扭轉測試裝置具備良好的測試重復性。這四種材料在扭轉測試時表現出了不同的扭轉力學行為，相比于2A12鋁和H59黃銅，45鋼和Q235鋼均出現了明顯的屈服現象，但Q235鋼的強化現象并不明顯。2A12鋁相比于其它材料其在接近于斷裂時載荷波動加劇，這表明材料內部裂紋擴展加快。

圖3 材料（H59黃銅）表面形貌原位觀測圖像

    如圖3 所示，H59 黃銅在扭轉過程中的原位觀測圖像，可以看出其斷口相對平整，沒有縮頸現象發生，符合材料扭轉破壞的特征。

圖4 材料（Q235鋼）金相組織原位觀測圖像

    如圖4所示，扭轉測試過程中放大100倍和200倍的金相組織觀測圖像，當800°時的金相圖像，可以看出此時大部分晶粒在剪切作用下破碎為細條狀，材料表面布滿了裂痕，晶界已無法辨別，當扭轉至 2000°時，此時材料已接近于斷裂。

單軸原位扭轉測試儀技術指標（單軸系列NZ01、NZ02、NZP01等）

• 載荷力：100N?m、200N?m（系列）

• 加載力分辨率：100mN

• 扭轉角分辨率： 0.18o

• 扭轉載荷量程：1500N?mm

• 扭轉載荷分辨率：0.1N?m

• 力測量精度：±1%示值

• 位移分辨率：1μm

• 測試速度范圍：0～6.5/min

• 位移速度精度：優于±0.5%（空載）

• 速度負荷容量：3mm/min以下，允許試驗扭矩

• 樣品尺寸：毫米級

                      (a) 商業化雙軸聯動原位扭轉測試儀                 (b) 商業化雙軸聯動原位扭轉測試儀實物圖

圖5 雙軸聯動原位扭轉測試儀

應用

• 金屬材料

• 合金材料

• 陶瓷材料

• 仿生材料

• 復合材料

特點及優勢

• 雙軸聯動原位扭轉測試儀，為材料制備、生命科學、航空航天和星際探索提供精準技術支撐。

• 研制了結構緊湊的雙軸聯動原位扭轉測試儀，可與光學顯微成像設備相兼容

• 實現在載荷作用下對材料微觀變形損傷機制與微觀組織演化等特性進行動態原位觀測

• 深入研究材料的宏觀力學行為與微觀組織結構演化規律

• 配備控制主機，專用檢測控制系統與配套分析處理軟件

*的設計

• 電機通過集成的行星齒輪減速后，再經過兩級的蝸輪蝸桿的減速、增扭和換向，實現了緊湊的結構下輸出大載荷。

• 實現以準靜態的方式對試件進行扭轉加載

• 原位觀測時獲取更高的質量的圖像，對于微觀組織結構的觀測與分析能夠更加的清晰而準確

    雙軸聯動原位扭轉測試曲線如圖6所示；測試材料表面形貌原位觀測圖像如圖7所示；雙軸聯動原位扭轉測試金相組織原位觀測圖像如圖8所示。

   圖6 雙軸聯動原位扭轉測試曲線

    如圖6（a）所示，對6061鋁合金小角度的預扭轉角度拉伸試驗，結果表明預扭轉角度下進行拉伸測試，較小的塑性變形，對拉伸力學性能幾乎沒有影響，當扭轉角度大于30°左右的時候，拉伸測試的局部變形階段會隨著角度的增大而提前出現，伸長率下降。
    如圖6（b）所示。分別為預扭轉 10°和 60°下，進行拉伸試驗的轉角、扭矩、位移和拉力的時間曲線。曲線表明，不論預扭轉角度的大小，其所產生的扭矩，都會在拉伸試驗的彈性階段急劇下降，隨后一直保持在一個較低的水平，直至試件斷裂。
    如圖6（c）所示，在拉伸的彈性階段和強化階段進行扭轉，拉力值都會降低，但是降低的速度比較慢，并且在扭轉至60°時，拉力均降至200N左右。
    如圖6（d）所示，對材料（紫銅）試件預拉伸位移下扭轉測試，0mm至0.04mm預拉伸位移下扭轉測試曲線，僅有微弱的變化。因為在較小的預拉伸載荷下，材料處于彈性階段，預拉伸位移增加，試件橫截面尺寸的變小，是導致抗扭強度降低的主導因素。

圖7 測試材料表面形貌原位觀測圖像

    如圖7所示，從拉伸的斷口二維和三維形貌可觀察出塑性材料典型的“杯狀”斷口。在拉應力下縮頸區形成三向應力狀態，且心部軸向應力。材料在經過足夠的塑性變形后，位錯等缺陷不斷堆積，達到一定程度，沿著切應力方向產生裂紋，裂紋從外向內延伸直至斷裂。

圖8 雙軸聯動原位扭轉測試金相組織原位觀測圖像    如圖8所示，轉角 90°時的金相組織，隨著轉角的增加，裂紋數量和密度增加，仍保持與X軸平行和垂直兩個方向。同時，晶格的滑移現象也更加明顯。轉角180°時的金相組織，由于試件平面翹曲的程度加劇，圖像出現邊緣的虛焦，仍可清晰看到金相組織的變化。晶格滑移明顯，晶格中相互交叉的裂紋導致晶格破碎，并在多個晶格之間逐漸出現連貫的長裂紋。

雙軸聯動原位扭轉測試儀技術指標（雙軸系列NZ01、NZ02、NZP01等）

• 載荷力：100N?m、200N?m（系列）

• 加載力分辨率：100mN

• 扭轉角分辨率： 0.18o

• 扭轉載荷量程：1500N?mm

• 扭轉載荷分辨率：0.1N?m

• 力測量精度：±1%示值

• 位移分辨率：1μm

• 測試速度范圍：0～6.5/min

• 位移速度精度：優于±0.5%（空載）

• 速度負荷容量：3mm/min以下，允許試驗扭矩

• 樣品尺寸：毫米級