王 磊，崔保龍

(延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西延安716000)

低碳鋼扭轉(zhuǎn)破壞的力學(xué)性能分析

王 磊，崔保龍

(延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西延安716000)

根據(jù)扭轉(zhuǎn)破壞原理，利用扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)對(duì)低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，討論了低碳鋼扭轉(zhuǎn)破壞的實(shí)質(zhì)，并計(jì)算出扭轉(zhuǎn)試件的抗剪強(qiáng)度。結(jié)果表明，隨著扭矩的增大，斷裂面偏離試件長(zhǎng)度中心位置越遠(yuǎn)。提出對(duì)受扭試件設(shè)定中間臨界面的分析模式，探討端頭約束對(duì)試件扭轉(zhuǎn)的影響機(jī)制。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)；偏離量；臨界面

在材料力學(xué)中，研究等直圓桿扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的應(yīng)力分布規(guī)律，不僅要根據(jù)靜力平衡公式，還應(yīng)該從材料的變形入手，利用應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系進(jìn)行綜合分析。由金屬材料的單一拉伸與純扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較可見(jiàn)，拉伸所測(cè)等效應(yīng)變值僅對(duì)不可壓縮材料才成立，對(duì)可壓縮材料并不成立，純扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中所測(cè)等效應(yīng)變值不受壓縮性影響[1-3]。本文在討論低碳鋼的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論，對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的破壞斷面偏離中間截面現(xiàn)象進(jìn)行分析，并提出保證低碳鋼扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性的合理做法。

1 低碳鋼扭轉(zhuǎn)理論

低碳鋼的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，扭轉(zhuǎn)變形并不像拉伸變形那樣僅僅發(fā)生在局部，而是遍及整個(gè)試件，且從表面的扭轉(zhuǎn)紋路可以看出，變形往往趨于均勻[4]。

對(duì)于長(zhǎng)為l，抗扭截面剛度為GIp，扭矩為Mt的等截面圓桿，扭轉(zhuǎn)角為：

根據(jù)切應(yīng)力互等定理，當(dāng)圓截面桿受扭時(shí)，在其表面一點(diǎn)處沿與桿軸成45°角的斜截面上將出現(xiàn)最大正應(yīng)力，而在其縱、橫截面上將出現(xiàn)最大切應(yīng)力[5]。對(duì)于低碳鋼試件，其抗剪強(qiáng)度低于抗拉強(qiáng)度，扭轉(zhuǎn)破壞首先從桿的外緣沿橫截面發(fā)生剪斷，試件破壞截面與軸線的橫截面垂直[6-8]。含碳量的差異，導(dǎo)致低碳鋼的塑性性能優(yōu)于其他含碳量高的金屬，因此隨著扭轉(zhuǎn)的進(jìn)行，低碳鋼內(nèi)部金屬粒子產(chǎn)生重新排列，抵抗大角度扭轉(zhuǎn)。

2 力學(xué)分析

低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)件的扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了斷裂面不在試件的中間，而是在偏離長(zhǎng)度中心較遠(yuǎn)位置的現(xiàn)象。扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)完成后，試件的橫截面上出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)紋路，桿件橫截面積有所減小。在純扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，隨著扭轉(zhuǎn)角的增大，除了長(zhǎng)度中心的橫截面，低碳鋼試件各橫截面都將變成曲面。在各個(gè)橫截面由平面變成曲面的過(guò)程中，由于橫向沒(méi)有荷載作用，只有縱向存在拉應(yīng)力，才會(huì)使連續(xù)性的金屬材料的纖維產(chǎn)生變形。

為了分析方便，假定在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)兩端的夾具對(duì)試件的夾持約束效應(yīng)相同，那么在試件中心截面處必將存在一個(gè)臨界截面，使試件不受拉應(yīng)力作用。垂直于臨界截面，沿著試件的軸向方向，對(duì)稱(chēng)的存在著朝向兩端的拉應(yīng)力。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法》的規(guī)定，取直徑d=10 mm，標(biāo)距l(xiāng)0=100 mm，平行長(zhǎng)度le=120 mm的低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣五根，利用CTT-1000微機(jī)控制電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行常規(guī)扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 M-φ曲線

低碳鋼試件受扭破壞的M-φ曲線如圖1，其較好的實(shí)現(xiàn)了彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段。五根試件的扭轉(zhuǎn)角不一致，但平均值達(dá)到17.9，總體上呈現(xiàn)較好的延性，符合塑性材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能要求。

圖2 試件破壞圖

從圖2中可以看出，五根低碳鋼試件標(biāo)距范圍內(nèi)的表面均出現(xiàn)與縱軸呈45°的斜向紋路，靠近兩邊夾持端部分(過(guò)渡區(qū)域)，扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的紋路明顯減弱。夾持部位主要承壓面為兩個(gè)互相平行的平截面，由于實(shí)驗(yàn)期間被夾具固定，未出現(xiàn)任何破損。另外，根據(jù)試驗(yàn)完成后斷面的對(duì)接情況可以看出，低碳鋼的破壞截面為垂直于軸向的平面，這說(shuō)明低碳鋼的抗拉強(qiáng)度相對(duì)抗剪強(qiáng)度更低，與前文理論分析結(jié)果一致。試件的斷裂位置并不在相同截面上，所有斷裂面都不在長(zhǎng)度中心且與長(zhǎng)度方向的中心截面有一定距離。以低碳鋼試件的標(biāo)距中心為零點(diǎn)，分別測(cè)量出五根試件破壞面相對(duì)中心點(diǎn)的偏離量D，同時(shí)列出了五根試件的扭轉(zhuǎn)角極限值，如表1。

表1 破壞截面偏離值及扭矩

根據(jù)前述的扭轉(zhuǎn)公式，計(jì)算得到試件扭轉(zhuǎn)時(shí)的屈服剪應(yīng)力均值為τs=453.04 MPa，這比低碳鋼的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大一些，主要原因是扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，加載速度越大，塑性性能較好的材料受力和變形不同步，導(dǎo)致變形相對(duì)受力具有一定的滯后性，最終測(cè)定出來(lái)的承載力稍大。

根據(jù)表1中破壞面偏離量與扭矩的數(shù)值，繪出了D-M關(guān)系曲線，如圖3?？梢钥闯?，扭轉(zhuǎn)破壞的扭矩值隨著斷口偏離值的增大，呈增大趨勢(shì)。偏離量的不均勻性也導(dǎo)致了扭矩的量值并不均勻，但為正相關(guān)關(guān)系。

圖3 D-M關(guān)系圖

偏離值具有一定的離散性，說(shuō)明在扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，由于電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)而主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的試件一端約束強(qiáng)度對(duì)扭矩的影響很大，易于產(chǎn)生內(nèi)力重分布，對(duì)于一次性加載直至破壞的試驗(yàn)而言，內(nèi)力重分布使薄弱部位成為破壞面。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)低碳鋼的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，本文分析了以中間截面為臨界面，試件會(huì)在臨界面與試件端部的中間某處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生不均勻變形，導(dǎo)致破壞面不一定在長(zhǎng)度中心截面。根據(jù)扭轉(zhuǎn)機(jī)械對(duì)試件端部的約束效應(yīng)不同，臨界面與端部之間的最大拉應(yīng)力點(diǎn)難以確定。

(2)低碳鋼的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，低碳鋼試件(包括被夾持端)處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，因此實(shí)驗(yàn)中試件的斷面位置會(huì)產(chǎn)生明顯的差異。扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)裝置及試件的邊界條件并不明確，有必要設(shè)計(jì)出能用具體的約束數(shù)值體現(xiàn)扭轉(zhuǎn)端頭約束程度的實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)一步明確斷面位置。

[1]張強(qiáng)，馬玉龍，謝福航，等.拉伸扭轉(zhuǎn)組合作用下低碳鋼力學(xué)性能[J].江蘇建材，2014，(2)：22-23.

[2]張憬，馬文江，尚新春.材料力學(xué)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展與探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，7(31)：209-211.

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[責(zé)任編輯 賀小林]

Analysis of the Mechanical Properties of Low Carbon Steel Torsion Failure

WANG LEI,CUI Bao-long

(Architectural Engineering Institute,Yan′an University,Yan′an 716000,China)

According to the principle of torsion failure,we study the mechanical properties through torsion failure experiments of low carbon steel standard specimen,and discuss the substance of torsion failure of low carbon steel,and calculate the shear strength of the specimen. The result shows that the fracture surface deviates from the length central position with the increasing torque of the specimen. The analysis mode of middle critical plane was proposed for torsion specimens and the effects of the end constraints on the torsion were discussed in the present paper.

torsion test; deviation; critical plane

2015-04-10

延安大學(xué)青年項(xiàng)目資助(YDQ2014-55)

王 磊(1985—)，男，陜西西安人，延安大學(xué)助教。

TU513

A

1004-602X(2015)02-0082-03