喻 秋，李順才，李川琪

(江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

不同拉扭加載速率下低碳鋼力學(xué)特性試驗研究

喻 秋，李順才，李川琪

(江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

基于拉伸扭轉(zhuǎn)組合變形理論及平面應(yīng)力狀態(tài)理論，推導(dǎo)了低碳鋼試件在軸力及扭矩作用下斷裂時主應(yīng)力及其主方向的計算公式。該文設(shè)計了3種拉扭加載速率的試驗方案，通過試驗得到了相應(yīng)的扭矩、軸力、應(yīng)變及扭轉(zhuǎn)角的時間曲線，觀察了試件破壞時的斷面特征，并將試驗值與理論計算結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，隨著加載速率的增加，低碳鋼的延伸率增加，斷面收縮率減??；抗拉強(qiáng)度、屈服極限和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度提高，斷裂時的主應(yīng)力及主方向值增大，試件破壞時的主方向與理論計算結(jié)果的變化規(guī)律一致。

拉扭實驗；加載速率；主應(yīng)力；主方向；斷裂載荷

金屬材料長期受到拉扭作用會導(dǎo)致材料性能下降，縮短使用壽命，直接降低工作效率和收益。一些學(xué)者研究了材料在拉扭作用下的力學(xué)行為，文獻(xiàn)[1-3]利用掃描電鏡研究拉扭作用下CL60 鋼微動疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)制特征，比較不同應(yīng)力幅值對CL60 鋼拉扭復(fù)合微動疲勞壽命的影響，指出拉扭微動疲勞壽命因不斷增加循環(huán)應(yīng)力幅而一直不停地減少。文獻(xiàn)[4-6]研究了S135鉆桿鋼的拉扭復(fù)合加載疲勞行為，指出一些如疲勞源區(qū)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和快速瞬斷區(qū)等區(qū)域加在一起，最終才會形成疲勞斷口，而金屬最初的疲勞裂紋也是從試樣的表面出現(xiàn)的，再而向內(nèi)部延伸，最終疲勞裂紋布滿金屬內(nèi)外部。文獻(xiàn)[7]研究了拉伸和扭轉(zhuǎn)組合力作用下脆性材料斷裂的一般準(zhǔn)則，提出適用于無機(jī)玻璃(包含陶瓷)等脆性材料在拉伸和扭轉(zhuǎn)組合力下的斷裂準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[8-9]通過試驗研究了拉扭復(fù)合加載下薄壁管件的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性，總結(jié)得到了建立多軸循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變模型的方法，并通過拉扭復(fù)合比例與非比例循環(huán)加載試驗進(jìn)行來驗證。文獻(xiàn)[10-12]用塑性增量理論研究了受拉扭作用下超塑性材料薄壁圓筒的應(yīng)力和應(yīng)變率關(guān)系，導(dǎo)出拉扭問題中拉應(yīng)力與切應(yīng)力之比，得出在拉扭等比例應(yīng)變率加載情況下正應(yīng)力和切應(yīng)力的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[13]-[14]研究了拉扭雙軸疲勞壽命預(yù)測方法，提出了一種新的多軸高度疲勞壽命預(yù)測方法。文獻(xiàn)[15]運用彈塑性有限元法研究了拉扭循環(huán)加載下的鍛鋁合金LD5缺口的壽命預(yù)測和應(yīng)力應(yīng)變分析、計算，結(jié)合壽命預(yù)測模型和累積損傷理論對LD5缺口件的壽命進(jìn)行了較好的預(yù)測。

桿件在單一的軸向拉力或扭矩作用下的應(yīng)力應(yīng)變理論及試驗技術(shù)已經(jīng)很成熟，而組合變形下由于載荷組合種類的差異及變形的復(fù)雜性，桿件相應(yīng)力學(xué)特性的試驗研究尚沒有統(tǒng)一的試驗標(biāo)準(zhǔn)，為了研究金屬材料在拉扭作用下的力學(xué)特性，本文設(shè)計了3種不同拉扭加載速率的試驗方案，利用煙臺力爾公司生產(chǎn)的電子拉扭試驗機(jī)得到低碳鋼在拉伸和扭轉(zhuǎn)作用下的載荷及變形時間曲線，比較了不同加載速率下的抗拉強(qiáng)度、斷裂載荷、屈服極限及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的變化趨勢。

1 拉扭組合變形理論分析

圖1 桿件拉扭示意圖

圖2 單元體應(yīng)力分析圖

桿件承受軸向拉力F與外力偶矩M的共同作用，如圖1所示，則拉扭作用下構(gòu)件表面A點的單元體應(yīng)力分布如圖2所示。

根據(jù)材料力學(xué)理論，可知，圖2中σy=0；拉力F作用下，橫截面上的正應(yīng)力[16]為：

(1)

在力偶矩M的作用下，扭矩T=M，橫截面上A點的剪應(yīng)力[16]為：

(2)

其中

(3)

Wt為抗扭截面系數(shù)，D為圓形截面的直徑。

復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力的計算公式如下：

(4)

(5)

主方向的計算公式如下：

(6)

則可以計算得到低碳鋼在拉扭聯(lián)合作用下斷裂時的主應(yīng)力及主方向：

(7)

(8)

式中，α0為主應(yīng)力與橫截面法線的夾角。

2 試驗系統(tǒng)及試驗方案

試驗設(shè)備為電子拉扭試驗機(jī)，如圖3所示，該試驗機(jī)可以進(jìn)行金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、拉扭等試驗，低碳鋼試件如圖4所示。

圖3 拉扭電子試驗機(jī)

圖4 實驗試件

如表1所示，取相同批量生產(chǎn)的相同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)低碳鋼試件3個，量取其標(biāo)距L0及直徑D0。根據(jù)試件尺寸及試驗機(jī)的使用要求，對低碳鋼1、低碳鋼2和低碳鋼3分別設(shè)置軸向位移加載速率v為0.8 mm/min、1.2 mm/min和1.6 mm/min，扭轉(zhuǎn)的角位移加載速率γ相同，均為0.8°/min，觀察低碳鋼在拉伸扭轉(zhuǎn)變形過程中的力學(xué)性能變化。

表1 試驗方案

3 試驗步驟

1)安裝試件。

先安裝好試驗機(jī)的拉扭夾頭，然后調(diào)整兩夾頭的位置至適合安裝試件的距離后，將試件安裝到拉扭試驗機(jī)的夾頭內(nèi)。

2)按照試驗方案進(jìn)行實驗。

按表1試驗方案設(shè)置3種不同的加載速率分別對低碳鋼試件進(jìn)行加載。

3)采集數(shù)據(jù)。

通過電腦查看有關(guān)實驗曲線圖，保存試驗數(shù)據(jù)，觀察并記錄金屬試件被拉扭破壞后其形狀及尺寸的變化情況。

4)觀察斷面形狀、測量試件斷裂后的尺寸，測量破壞面主方向。

從試驗臺上取下被拉斷的低碳鋼試件，觀察斷口形狀并測量實驗后的標(biāo)距L和直徑D，用以計算延伸率及斷面收縮率。將斷裂后的兩端試件拼裝起來，量取破壞面與橫截面的夾角，以便于與理論計算得到的主方向進(jìn)行比較。試驗后的斷裂試件如圖5所示，桿件斷口形狀如圖6所示。

圖5 斷裂后試件

圖6 試件斷口圖

4 試驗結(jié)果及分析

試驗過程中，系統(tǒng)可以實時采集試件的載荷及位移，并繪制在相應(yīng)加載速率下的載荷時間曲線及變形時間曲線。作為代表，如圖7、圖8所示，分別給出了低碳鋼1、低碳鋼3的軸力F及扭矩T、扭轉(zhuǎn)角θ及軸向應(yīng)變ε的時間曲線。

利用上述低碳鋼的載荷-時間曲線及位移-時間曲線，可得到低碳鋼試件斷裂后尺寸L、D及延伸率δ、斷面收縮率ψ,如表2所示，試件破壞前承受的最大軸力Fb、最大扭矩Tb、斷裂時的軸力F及扭矩T、屈服應(yīng)力σs、抗拉強(qiáng)度σb及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度τb，如表3所示。

(a)低碳鋼1

(b)低碳鋼3圖7 軸力及扭矩時間曲線

(a)低碳鋼1

(b)低碳鋼3圖8 扭轉(zhuǎn)角及應(yīng)變時間曲線

表2 斷裂后試件尺寸

表3 拉伸與扭轉(zhuǎn)載荷及強(qiáng)度

根據(jù)表2可知：1)拉扭作用下，試件變得細(xì)而長；2)隨著加載速率的增加，低碳鋼的延伸率增加，斷面收縮率減小。

根據(jù)表3可知：隨著加載速率的增加，低碳鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服極限和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度提高。

根據(jù)斷裂時的軸力F、扭矩T，利用式(7)和式(8)可以依次計算出對應(yīng)的最大主應(yīng)力σ及主應(yīng)力與x軸的夾角α。將拉斷后的兩段試件拼裝起來，量取或計算破壞面與橫截面的夾角αtest，得到斷裂后試件主應(yīng)力方向與x軸的夾角αtest，如表4所示。

表4 主應(yīng)力及主方向

由表4可知，隨著加載速率的增加，主應(yīng)力及主方向的數(shù)值增加，試驗與理論計算得到的變化規(guī)律一致，但數(shù)值上還存在一定誤差。主要原因：1)裝夾試件時施加一定的初始載荷固定試件，再按設(shè)定速率加載并記錄數(shù)據(jù)，使得各試件在正式加載前的初始變形有一定差異；2)3個試件材料內(nèi)部的構(gòu)成存在差異。3)斷裂后因截面不平整，量取相關(guān)尺寸并計算傾角時存在一定的誤差。

此外，由圖6可知，拉扭聯(lián)合作用下試件斷裂端口與單一的拉伸或扭轉(zhuǎn)破壞時不同。低碳鋼單一的拉伸破壞端口一般呈典型的杯錐狀，錐狀傾斜面與試樣軸線約成45°角。單一的扭轉(zhuǎn)試驗時低碳鋼是沿著橫截面破壞的，此破壞是由橫截面面切應(yīng)力引起的，斷口截面平整；而拉扭聯(lián)合作用下，試件破壞斷口與橫截面的夾角在0～45°之間，扭矩越大，夾角也越大。

5 結(jié)束語

目前關(guān)于拉扭組合變形理論比較成熟，但是由于復(fù)合加載條件的限制，相關(guān)的實驗成果較少。本文利用力爾拉扭試驗系統(tǒng)，研究低碳鋼在不同的拉伸扭轉(zhuǎn)加載速率下的力學(xué)特性，得到低碳鋼在不同加載速率下的軸力-時間曲線及扭矩-時間曲線、軸向應(yīng)變時間曲線、扭轉(zhuǎn)角時間曲線，計算得到了試件斷裂時的主應(yīng)力及主方向，并和試驗結(jié)果進(jìn)行了比較。由于試驗中加載的扭矩較小，產(chǎn)生的切應(yīng)力小，因而拉扭組合變形破壞面和橫截面的夾角較小。當(dāng)扭矩增加，該夾角增大，破壞斷口不同于單一拉伸破壞的杯狀纖維組織斷口或扭轉(zhuǎn)破壞時的平截面斷口。這對于我們研究工程中構(gòu)件在組合變形作用下的破壞原因及分析具有比較重要的指導(dǎo)意義。

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StudyontheMechanicalPropertiesofLowCarbonSteelunderDifferentTension-torsionLoadingRate

YU Qiu,LI Shuncai，LI Chuanqi

(School of Mechanical & Electrical Engineering，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China)

Based on the tension-torsion composite deformation theory and plane stress state theory，the calculation formulas of the principal stress and its main direction of corresponding to failure of low carbon steel specimen under axial force and torque were deduced.We designed three kinds of experimental programs with different tension-torsion loading rates.By experiments，we had got the time curves of torsion moment of axial force，strain and twist angle.We observed the section characteristics corresponding of the specimen failure and we compared the calculated solution with the experimental results.The reslults indicate that with the increase of loading rate，the elongation of low carbon steel increases and the shrinkage rate decrease；the tensile strength，yield limit and torsional strength are improved；and the principal stress and principal direction value at the time of fracture are also increased.The principal direction of the specimen failure is consistent with the theoretical calculation result.

tension-torsion test；loading rate；principal stress；main direction；breaking load

2016-07-08；修改日期:2016-08-25

2015年江蘇省高等教育教改研究課題(2015JSJG621)；江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201510320040Z)。

喻秋(1994-)，女，本科生，機(jī)械設(shè)計制造與自動化專業(yè)。

李順才，教授，主要從事非線性動力學(xué)方面的工作，zsclsc@263.net

TG142.31

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.012