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长春德力测控试验系统有限公司
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DKNZ型 原位扭转测试仪公司针对当前材料扭转测试设备和原位监测技术的国内外发展现状和趋势进行了较为深入的分析，开发生产了可与光学显微成像设备相兼容的原位扭转测试仪，包括单轴原位扭转测试仪（图1）和双轴联动原位扭转测试仪（图5）
DKNZ型 原位扭转测试仪
公司针对当前材料扭转测试设备和原位监测技术的国内外发展现状和趋势进行了较为深入的分析，开发生产了可与光学显微成像设备相兼容的原位扭转测试仪，包括单轴原位扭转测试仪（图1）和双轴联动原位扭转测试仪（图5）。
(a) 单轴原位扭转测试仪 (b) 单轴原位扭转测试仪实物图
图1 单轴原位扭转测试仪 应用 金属材料 合金材料 陶瓷材料 仿生材料 复合材料 单轴原位扭转测试仪，为材料制备、生命科学、航空航天和星际探索提供精准技术支撑。 研制了结构紧凑的单轴原位扭转测试仪，可与光学显微成像设备相兼容 实现在载荷作用下对材料微观变形损伤机制与微观组织演化等特性进行动态原位观测 深入研究材料的宏观力学行为与微观组织结构演化规律 配备控制主机，专用检测控制系统与配套分析处理软件 采用了直流空心杯电机配合精密行星齿轮减速箱及精密蜗轮蜗杆传动实现对试件的动力加载，这种加载方式可以保证测试装置拥有足够的扭转载荷和宽泛的加载速率 实现以准静态的方式对试件进行扭转加载 原位观测时获取更高的质量的图像，对于微观组织结构的观测与分析能够更加的清晰而准确 典型材料单轴原位扭转测试曲线如图2所示；测试材料表面形貌原位观测图像如图3所示；单轴原位扭转测试金相组织原位观测图像如图4所示。 (a) Q235钢扭转曲线 (b) 不同工艺下Q235钢扭转测试曲线
特点及优势
*的设计
(e)2A12铝合金扭转曲线 (f) H59黄铜扭转曲线 (g) 2A12铝合金±150°循环扭转曲线 (h) 2A12铝合金±200°循环扭转曲线
图2 典型材料单轴原位扭转测试曲线
如图2所示，四种材料的扭矩-转角曲线的重复性非常好，表明原位扭转测试装置具备良好的测试重复性。这四种材料在扭转测试时表现出了不同的扭转力学行为，相比于2A12铝和H59黄铜，45钢和Q235钢均出现了明显的屈服现象，但Q235钢的强化现象并不明显。2A12铝相比于其它材料其在接近于断裂时载荷波动加剧，这表明材料内部裂纹扩展加快。
图3 材料（H59黄铜）表面形貌原位观测图像
如图3 所示，H59 黄铜在扭转过程中的原位观测图像，可以看出其断口相对平整，没有缩颈现象发生，符合材料扭转破坏的特征。
图4 材料（Q235钢）金相组织原位观测图像
如图4所示，扭转测试过程中放大100倍和200倍的金相组织观测图像，当800°时的金相图像，可以看出此时大部分晶粒在剪切作用下破碎为细条状，材料表面布满了裂痕，晶界已无法辨别，当扭转至 2000°时，此时材料已接近于断裂。
单轴原位扭转测试仪技术指标（单轴系列NZ01、NZ02、NZP01等）
载荷力：100N•m、200N•m（系列）
加载力分辨率：100mN
扭转角分辨率： 0.18º
扭转载荷量程：1500N•mm
扭转载荷分辨率：0.1N•m
力测量精度：±1%示值
位移分辨率：1μm
测试速度范围：0～6.5/min
位移速度精度：优于±0.5%（空载）
速度负荷容量：3mm/min以下，允许试验扭矩
样品尺寸：毫米级
(a) 商业化双轴联动原位扭转测试仪 (b) 商业化双轴联动原位扭转测试仪实物图
图5 双轴联动原位扭转测试仪
应用
金属材料
合金材料
陶瓷材料
仿生材料
复合材料
特点及优势
双轴联动原位扭转测试仪，为材料制备、生命科学、航空航天和星际探索提供精准技术支撑。
研制了结构紧凑的双轴联动原位扭转测试仪，可与光学显微成像设备相兼容
实现在载荷作用下对材料微观变形损伤机制与微观组织演化等特性进行动态原位观测
深入研究材料的宏观力学行为与微观组织结构演化规律
配备控制主机，专用检测控制系统与配套分析处理软件
*的设计
电机通过集成的行星齿轮减速后，再经过两级的蜗轮蜗杆的减速、增扭和换向，实现了紧凑的结构下输出大载荷。
实现以准静态的方式对试件进行扭转加载
原位观测时获取更高的质量的图像，对于微观组织结构的观测与分析能够更加的清晰而准确
双轴联动原位扭转测试曲线如图6所示；测试材料表面形貌原位观测图像如图7所示；双轴联动原位扭转测试金相组织原位观测图像如图8所示。
图6 双轴联动原位扭转测试曲线
如图6（a）所示，对6061铝合金小角度的预扭转角度拉伸试验，结果表明预扭转角度下进行拉伸测试，较小的塑性变形，对拉伸力学性能几乎没有影响，当扭转角度大于30°左右的时候，拉伸测试的局部变形阶段会随着角度的增大而提前出现，伸长率下降。
如图6（b）所示。分别为预扭转 10°和 60°下，进行拉伸试验的转角、扭矩、位移和拉力的时间曲线。曲线表明，不论预扭转角度的大小，其所产生的扭矩，都会在拉伸试验的弹性阶段急剧下降，随后一直保持在一个较低的水平，直至试件断裂。
如图6（c）所示，在拉伸的弹性阶段和强化阶段进行扭转，拉力值都会降低，但是降低的速度比较慢，并且在扭转至60°时，拉力均降至200N左右。
如图6（d）所示，对材料（紫铜）试件预拉伸位移下扭转测试，0mm至0.04mm预拉伸位移下扭转测试曲线，仅有微弱的变化。因为在较小的预拉伸载荷下，材料处于弹性阶段，预拉伸位移增加，试件横截面尺寸的变小，是导致抗扭强度降低的主导因素。
图7 测试材料表面形貌原位观测图像
如图7所示，从拉伸的断口二维和三维形貌可观察出塑性材料典型的“杯状"断口。在拉应力下缩颈区形成三向应力状态，且心部轴向应力。材料在经过足够的塑性变形后，位错等缺陷不断堆积，达到一定程度，沿着切应力方向产生裂纹，裂纹从外向内延伸直至断裂。
图8 双轴联动原位扭转测试金相组织原位观测图像 如图8所示，转角 90°时的金相组织，随着转角的增加，裂纹数量和密度增加，仍保持与X轴平行和垂直两个方向。同时，晶格的滑移现象也更加明显。转角180°时的金相组织，由于试件平面翘曲的程度加剧，图像出现边缘的虚焦，仍可清晰看到金相组织的变化。晶格滑移明显，晶格中相互交叉的裂纹导致晶格破碎，并在多个晶格之间逐渐出现连贯的长裂纹。
双轴联动原位扭转测试仪技术指标（双轴系列NZ01、NZ02、NZP01等）
载荷力：100N•m、200N•m（系列）
加载力分辨率：100mN
扭转角分辨率： 0.18º
扭转载荷量程：1500N•mm
扭转载荷分辨率：0.1N•m
力测量精度：±1%示值
位移分辨率：1μm
测试速度范围：0～6.5/min
位移速度精度：优于±0.5%（空载）
速度负荷容量：3mm/min以下，允许试验扭矩
样品尺寸：毫米级
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