對構(gòu)件斷口的分析

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德州學(xué)院，山東德州 253023

建筑物的梁和柱、機(jī)床中的軸等的構(gòu)件，在工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械工作時，將受到載荷的作用[1，2]。隨著，構(gòu)件應(yīng)用越來越廣泛，大到橋梁、高樓大廈的結(jié)構(gòu)小到支撐架、腳手架，近年來不斷有大橋斷裂、大廈坍塌以及建筑物施工過程中的腳手架斷裂的事故發(fā)生，造成人身安全受損和財產(chǎn)損失，構(gòu)件安全問題越來越引起人們的重視，針對構(gòu)件的破壞形式，本文展開分析，旨在為以后的構(gòu)件設(shè)計方面提供理論支持和建議，盡量把構(gòu)件使用過程中的不安全因素降到最低。

構(gòu)件的材料分為塑性材料和脆性材料[3，4]，針對不同材料的構(gòu)件，其破壞形式是不同的，因此通過實(shí)驗對不同材料的破壞形式以及主要破壞的作用力進(jìn)行分析，對于改進(jìn)材料和提出使用材料時的注意事項有著重要作用。在這里塑性材料以低碳鋼為例，因為低碳鋼是典型的塑性材料，應(yīng)用廣泛，低碳鋼一般會軋成鋼帶、鋼管、槽鋼、角鋼、工字鋼、或鋼板，來用于制作各種容器、箱體、爐體、建筑構(gòu)件和農(nóng)機(jī)具等，根據(jù)掌握的已有實(shí)驗結(jié)論，低碳鋼的失效形式主要是屈服。脆性材料的以鑄鐵為例，而鑄鐵的分類較多，在此主要研究灰口鑄鐵，雖然灰口鑄鐵的力學(xué)性能差，但是由于其成本、價格低，主要應(yīng)用于機(jī)械中的機(jī)床床身、皮帶輪、缸體、底座、齒輪箱、手輪、蓋等受力不大、減震、耐磨的零件。而灰口鑄鐵的失效形式是斷裂。

1 構(gòu)件破壞形式的驗證試驗

構(gòu)件在使用過程中主要受到拉伸、壓縮及扭轉(zhuǎn)的作用力，因此利用實(shí)驗室的萬能試驗機(jī)進(jìn)行塑性材料和脆性材料的拉伸與壓縮試驗，利用扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)分別測試塑性材料和脆性材料的破壞形式。

1.1 萬能試驗機(jī)測構(gòu)件拉壓時破壞形式

分別取直徑d=10mm，長度為10cm 的低碳鋼和鑄鐵試樣10根，打開試驗機(jī)，分別安裝準(zhǔn)備好的低碳鋼和鑄鐵試樣，然后調(diào)節(jié)萬能試驗機(jī)的夾頭位置，根據(jù)實(shí)驗要求先把試樣的上端夾住，再升起下夾頭，使得試樣能夠夾牢并使之鉛直與夾頭，將5 根低碳鋼拉伸完畢后，放在事先準(zhǔn)備好的盛放器皿中，再將剩余的5 根低碳鋼做壓縮試驗。接下來完成脆性材料鑄鐵的拉伸和壓縮試驗，把通過實(shí)驗得到的受到破壞的試樣放在器皿中進(jìn)行觀察。

通過仔細(xì)觀察比較斷口截面，發(fā)現(xiàn)在拉伸時，低碳鋼的斷面截面明顯變細(xì)且不平整，呈獻(xiàn)細(xì)小的小刺狀，但整體呈現(xiàn)不平整的傾斜的斷面，斷口呈現(xiàn)有金屬光澤，通過多組測量，整體斷面相較于軸線方向呈現(xiàn)45 度左右的夾角。相較于低碳鋼，鑄鐵斷口較為粗糙沒有出現(xiàn)斷面截面變細(xì)和傾斜的現(xiàn)象，呈現(xiàn)凹凸的顆粒狀、灰黑色。但整體斷面截面較平整，整體斷面主要在與軸線垂直的橫截面上。在壓縮時，低碳鋼和鑄鐵都會發(fā)生變粗變短的現(xiàn)象，只是在同等力度的條件下，鑄鐵變粗變短的程度遠(yuǎn)大于低碳鋼，在力度小時，低碳鋼的變粗變短現(xiàn)象不明顯。達(dá)到兩者都破壞的力度時，鑄鐵和低碳鋼的斷面都在與軸線成45 度的斜截面上。

1.2 扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)測構(gòu)件扭轉(zhuǎn)時的破壞形式

取直徑d=10mm，長度為10cm 的圓截面低碳鋼和鑄鐵試樣10 根，將準(zhǔn)備好的標(biāo)準(zhǔn)試樣，置于扭轉(zhuǎn)上進(jìn)行低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗，將得到的斷裂試樣放在準(zhǔn)備好的器皿中進(jìn)行觀察實(shí)驗現(xiàn)象。

通過觀察比較，低碳鋼的斷面截面整體在與軸線垂直的橫截面上，而鑄鐵的端口則呈現(xiàn)不規(guī)則的螺旋形狀。同時扭轉(zhuǎn)時，鑄鐵和低碳鋼的外表面都會呈現(xiàn)不同程度的相對扭轉(zhuǎn)，只是鑄鐵的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象比鑄鐵更為明顯。

2 構(gòu)件破壞原因分析

2.1 低碳鋼拉伸與壓縮及扭轉(zhuǎn)時斷口原因分析

低碳鋼為典型的塑性材料，在受到拉伸、壓縮以及扭轉(zhuǎn)時的其斷口的截面形狀不同，與其力學(xué)性質(zhì)密不可分，塑性材料的抗拉壓能力強(qiáng)，而作用在構(gòu)件上的最大切應(yīng)力主要作用在與軸線成45 度的斜截面上，所以，當(dāng)?shù)吞间摪l(fā)生斷裂時主要是由于受到的切應(yīng)力過大，才會在45 度斜截面上發(fā)生斷裂。而通過扭轉(zhuǎn)實(shí)驗可知，低碳鋼材料的抗剪能力低于抗拉與壓能力，低碳鋼扭轉(zhuǎn)時沿最大切應(yīng)力的作用面發(fā)生斷裂，為切應(yīng)力作用而剪斷，因此，其破壞斷面與軸線垂直。

2.2 鑄鐵拉伸與壓縮及扭轉(zhuǎn)斷口原因分析

鑄鐵的抗壓不抗拉的力學(xué)性質(zhì)決定了鑄鐵在受到的拉應(yīng)力稍微過大時。就會發(fā)生斷裂，拉應(yīng)力最大出現(xiàn)在橫截面上，而在受到壓力時，力度小時，只會發(fā)生變粗變短的現(xiàn)象，壓力較大時，在切應(yīng)力最大的與軸線成45 度的斜截面上發(fā)生斷裂。鑄鐵材料的抗拉強(qiáng)度較低，鑄鐵扭轉(zhuǎn)時沿最大拉應(yīng)力的作用面發(fā)生斷裂，由應(yīng)力狀態(tài)可知，純剪切最大拉應(yīng)力作用的主平面與軸線夾角為45°，因此，鑄鐵圓形試件破壞斷面與軸線成45°螺旋面上。

3 建議

當(dāng)材料作為主要受拉力的構(gòu)件時，優(yōu)先選擇抗拉強(qiáng)度較高的塑性材料，當(dāng)材料主要作為受壓的構(gòu)件時，理論上塑性材料和脆性材料皆可，但在滿足安全性的前提下，又要考慮經(jīng)濟(jì)性時，可優(yōu)先選擇鑄鐵類脆性材料。

構(gòu)件的材料主要分為塑性材料和脆性材料，在不同的變形形式下其破壞形式不盡相同，通過實(shí)驗得出構(gòu)件的破壞形式，并分析了破壞原因，針對不同的受力情況提出了選材的建議，旨在為工程設(shè)計中構(gòu)件材料的選擇提供建議和理論支持。

[1]劉鴻文.材料力學(xué)(第四版)[M].北京:高等教育出版社，2004.

[2]范欽珊.材料力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[3]韓斌，劉海燕，水小平.材料力學(xué).兵器工業(yè)出版社，2009.

[4]劉鴻文主編.簡明材料力學(xué).2版，北京：高等教育出版社，2008.