任鵬飛

【摘要】討論圓軸低碳鋼和鑄鐵扭轉(zhuǎn)時(shí)的變形現(xiàn)象及破壞形式。測(cè)定材料的剪切屈服強(qiáng)度點(diǎn)應(yīng)力τs和抗剪強(qiáng)度τb。斷口形狀能反映出材料性能和受力情況，純剪切應(yīng)力環(huán)境，其力學(xué)模型簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果具有明確的物理意義，斷口角度直接顯示材料是拉斷還是剪斷、材料自身抗拉、抗剪能力的強(qiáng)弱由此得到直接地比較。

【關(guān)鍵詞】純剪切應(yīng)力；扭轉(zhuǎn)圖；塑性區(qū)；屈服扭矩

引言

圓軸低碳鋼拉伸試驗(yàn)中進(jìn)入塑性變形階段到破壞的全過(guò)程經(jīng)歷了屈服階段，強(qiáng)化階段和局部變形階段三個(gè)階段，而低碳鋼扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中橫截面的邊緣處先形成環(huán)形塑性區(qū)，再逐漸向圓心擴(kuò)展，直到整個(gè)截面幾乎都是塑性區(qū)，直致斷裂，但沒(méi)有幾個(gè)階段的劃分。

一、純剪切應(yīng)力狀態(tài)

圓軸低碳鋼在扭轉(zhuǎn)時(shí)，橫截面邊緣上任一點(diǎn)處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)，如圖1所示。由于純剪切應(yīng)力狀態(tài)是術(shù)語(yǔ)二向應(yīng)力狀態(tài)，兩個(gè)主應(yīng)力的絕對(duì)值相等，大小等于橫截面上該點(diǎn)處的切應(yīng)力，σ1與軸線成45°角。圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上有最大切應(yīng)力，而45°斜截面上有最大拉應(yīng)力，由此可以分析低碳鋼和鑄鐵扭轉(zhuǎn)時(shí)的破壞原因。

由于低碳鋼強(qiáng)度低于抗拉強(qiáng)度，圓軸橫截面上的最大切應(yīng)力，引起沿橫截面剪切破壞；而鑄鐵抗拉強(qiáng)度低于抗剪強(qiáng)度，試樣與桿軸線成45°的斜截面上的引起拉斷破壞。在低碳鋼試樣受扭過(guò)程中，利用試驗(yàn)機(jī)上的自動(dòng)繪圖器裝置得到曲線，曲線也叫扭轉(zhuǎn)圖，如圖2所示。

二、屈服扭矩

圖2中起始直線段OA表示試樣在這個(gè)階段中的與成比例，截面上的切應(yīng)力是線性分布。此時(shí)截面周邊上的切應(yīng)力達(dá)到了材料的剪切屈服點(diǎn)應(yīng)力，相應(yīng)的扭矩記為。由于這時(shí)截面內(nèi)部的切應(yīng)力小于，故圓軸仍具有承載能力，曲線呈上升的趨勢(shì)。扭矩超過(guò)后，截面上的切應(yīng)力分布不再是線性的，在截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀塑性區(qū)，并隨著T的增長(zhǎng)，塑性區(qū)逐步向中心擴(kuò)展，曲線稍微上升，直至B點(diǎn)趨于平坦，截面上各點(diǎn)材料完全達(dá)到屈服，扭矩度盤上的指針幾乎不動(dòng)或指針擺動(dòng)的最小值即為屈服扭矩。

三、抗剪強(qiáng)度

結(jié)論

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)為例，在低碳鋼扭轉(zhuǎn)變形而又不斷裂的情況下，橫向劃線基本沒(méi)有什么變化，而縱向劃線成為螺旋線，且螺旋線逐漸接近，直至斷裂。鑄鐵與低碳鋼在斷裂時(shí)的斷裂面不同，低碳鋼沿橫截面斷裂，而鑄鐵沿45°螺旋面斷裂。