張強(qiáng)，馬玉龍，謝福航，范志毅

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

經(jīng)典強(qiáng)度理論認(rèn)為,常規(guī)材料的破壞主要分為脆性斷裂與塑性屈服兩種,拉應(yīng)力是影響材料斷裂的主要因素,剪應(yīng)力是影響材料塑性屈服的主要因素。相應(yīng)的強(qiáng)度理論也分為兩類,一是基于拉應(yīng)力為主,解決材料脆性斷裂的理論;二是基于剪應(yīng)力為主,解決材料塑性屈服的理論。著重于剪應(yīng)力作用的強(qiáng)度理論研究較為深入,現(xiàn)有的幾種強(qiáng)度理論的表達(dá)式對(duì)塑性材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞,計(jì)算較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用起來有困難。該研究對(duì)低碳鋼材料拉伸扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷下的破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,研究了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的比值變化對(duì)材料破壞的影響,為工程實(shí)踐中相應(yīng)的問題提供參考。

1 試件尺寸及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用上海某工廠加工制作的低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣，材料為同批次低碳鋼。低碳鋼試件為圓形截面，直徑d=100 mm，試件標(biāo)距1=100 mm，如圖1所示。

圖1 試樣尺寸

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為電子拉扭試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)分3組進(jìn)行，每組10個(gè)試件。第1組進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)量低碳鋼的拉伸屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度極限，繪制正應(yīng)力-正應(yīng)變曲線；第2組進(jìn)行純扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量屈服剪應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限，繪制剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線；第3組進(jìn)行拉伸扭轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)變化拉力和扭矩的比值，測(cè)繪應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 低碳鋼單向拉伸實(shí)驗(yàn)和純扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

第1組試件進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)。該低碳鋼試件拉伸時(shí)經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、頸縮階段，破壞時(shí)延伸率達(dá)到30%，大大超過5%，符合塑性材料的力學(xué)性能[1]。10個(gè)試件拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力均值為σs=265 MPa。

第2組進(jìn)行純扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。該低碳鋼試件純扭轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段，試件有較好的延性，符合塑性材料扭轉(zhuǎn)時(shí)的力學(xué)性能。由于扭轉(zhuǎn)時(shí)試件的屈服是由試件的表面向圓心逐漸屈服，因此屈服現(xiàn)象沒有拉伸時(shí)明顯。10個(gè)試件純扭轉(zhuǎn)時(shí)的屈服剪應(yīng)力均值為τs=172 MPa。

通過上述單向拉伸和純扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，可以確定該批試件屬于典型的塑性材料，同時(shí)測(cè)量了相關(guān)的力學(xué)性能。

3 低碳鋼拉伸扭轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)

第3組試件進(jìn)行拉伸扭轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)，對(duì)試件同時(shí)加載拉力和扭矩，每次實(shí)驗(yàn)改變拉力和扭矩的比值，測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制試件加載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)備會(huì)根據(jù)設(shè)置的拉力扭矩的比值F/T，在加載的過程中不斷地實(shí)時(shí)調(diào)整，使實(shí)際的F/ T比值接近設(shè)置的比值。因此F/T的比值只是一個(gè)參考量，在實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)際的比值與設(shè)置的比值存在一定的差距。

（1）拉力較小，扭矩較大

拉力F單位kN，扭矩T單位kN.m，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)設(shè)置的拉力扭矩的比值F/T在0.4～0.5時(shí)，扭轉(zhuǎn)先出現(xiàn)了屈服，其屈服應(yīng)力與純扭轉(zhuǎn)的屈服應(yīng)力接近，延性較純扭轉(zhuǎn)降低，見圖2。拉伸則沒有屈服階段，也沒有頸縮階段，見圖3。

（2）拉力較大，扭矩較小

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)設(shè)置的拉力扭矩的比值 F/T在0.6～0.8時(shí)，拉伸起主要作用，拉伸先出現(xiàn)了屈服，其屈服應(yīng)力比單向拉伸屈服應(yīng)力小，延性較單向拉伸降低，也有頸縮階段,見圖4。扭轉(zhuǎn)后出現(xiàn)屈服，屈服應(yīng)力與純扭轉(zhuǎn)時(shí)的屈服應(yīng)力接近，見圖5。

圖2 剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線比較

圖3 正應(yīng)力-正應(yīng)變曲線比較

4 結(jié)論

圖4 正應(yīng)力-正應(yīng)變曲線

圖5 剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線

在工程中若根據(jù)第三強(qiáng)度或第四強(qiáng)度理論[2]，計(jì)算第三強(qiáng)度理論相當(dāng)應(yīng)力和第四強(qiáng)度理論相當(dāng)應(yīng)力，由于正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ有無窮多組合，不易操作。通過拉扭組合實(shí)驗(yàn)可以得到，當(dāng)拉力和扭矩的比值F/T在0.4～0.8之間，無論拉伸是否屈服，扭轉(zhuǎn)的屈服應(yīng)力都與純扭轉(zhuǎn)時(shí)的屈服應(yīng)力大小接近。因此拉扭組合，可以把扭轉(zhuǎn)達(dá)到屈服時(shí)，視為材料屈服。

[1]單輝祖.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]張少實(shí).新編材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.