王 磊，崔保龍

(延安大學建筑工程學院，陜西延安716000)

低碳鋼扭轉(zhuǎn)破壞的力學性能分析

王 磊，崔保龍

(延安大學建筑工程學院，陜西延安716000)

根據(jù)扭轉(zhuǎn)破壞原理，利用扭轉(zhuǎn)破壞實驗對低碳鋼標準試件的力學性能進行了研究，討論了低碳鋼扭轉(zhuǎn)破壞的實質(zhì)，并計算出扭轉(zhuǎn)試件的抗剪強度。結果表明，隨著扭矩的增大，斷裂面偏離試件長度中心位置越遠。提出對受扭試件設定中間臨界面的分析模式，探討端頭約束對試件扭轉(zhuǎn)的影響機制。

扭轉(zhuǎn)試驗；偏離量；臨界面

在材料力學中，研究等直圓桿扭轉(zhuǎn)時橫截面上的應力分布規(guī)律，不僅要根據(jù)靜力平衡公式，還應該從材料的變形入手，利用應力和應變之間的關系進行綜合分析。由金屬材料的單一拉伸與純扭轉(zhuǎn)實驗結果的比較可見，拉伸所測等效應變值僅對不可壓縮材料才成立，對可壓縮材料并不成立，純扭轉(zhuǎn)實驗中所測等效應變值不受壓縮性影響[1-3]。本文在討論低碳鋼的扭轉(zhuǎn)實驗的基礎上，根據(jù)材料力學相關理論，對試驗中出現(xiàn)的破壞斷面偏離中間截面現(xiàn)象進行分析，并提出保證低碳鋼扭轉(zhuǎn)實驗數(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)實驗中，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]。

對于長為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)切應力互等定理，當圓截面桿受扭時，在其表面一點處沿與桿軸成45°角的斜截面上將出現(xiàn)最大正應力，而在其縱、橫截面上將出現(xiàn)最大切應力[5]。對于低碳鋼試件，其抗剪強度低于抗拉強度，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 力學分析

低碳鋼標準件的扭轉(zhuǎn)破壞實驗中出現(xiàn)了斷裂面不在試件的中間，而是在偏離長度中心較遠位置的現(xiàn)象。扭轉(zhuǎn)實驗完成后，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)試驗中，隨著扭轉(zhuǎn)角的增大，除了長度中心的橫截面，低碳鋼試件各橫截面都將變成曲面。在各個橫截面由平面變成曲面的過程中，由于橫向沒有荷載作用，只有縱向存在拉應力，才會使連續(xù)性的金屬材料的纖維產(chǎn)生變形。

為了分析方便，假定在實驗過程中，扭轉(zhuǎn)試驗機兩端的夾具對試件的夾持約束效應相同，那么在試件中心截面處必將存在一個臨界截面，使試件不受拉應力作用。垂直于臨界截面，沿著試件的軸向方向，對稱的存在著朝向兩端的拉應力。

3 實驗及結果討論

根據(jù)國家標準《金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法》的規(guī)定，取直徑d=10 mm，標距l(xiāng)0=100 mm，平行長度le=120 mm的低碳鋼標準試樣五根，利用CTT-1000微機控制電子扭轉(zhuǎn)試驗機，進行常規(guī)扭轉(zhuǎn)破壞實驗。實驗結果如圖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，其較好的實現(xiàn)了彈性階段、屈服階段、強化階段。五根試件的扭轉(zhuǎn)角不一致，但平均值達到17.9，總體上呈現(xiàn)較好的延性，符合塑性材料扭轉(zhuǎn)時的力學性能要求。

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互相平行的平截面，由于實驗期間被夾具固定，未出現(xiàn)任何破損。另外，根據(jù)試驗完成后斷面的對接情況可以看出，低碳鋼的破壞截面為垂直于軸向的平面，這說明低碳鋼的抗拉強度相對抗剪強度更低，與前文理論分析結果一致。試件的斷裂位置并不在相同截面上，所有斷裂面都不在長度中心且與長度方向的中心截面有一定距離。以低碳鋼試件的標距中心為零點，分別測量出五根試件破壞面相對中心點的偏離量D，同時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，計算得到試件扭轉(zhuǎn)時的屈服剪應力均值為τs=453.04 MPa，這比低碳鋼的抗剪強度標準值大一些，主要原因是扭轉(zhuǎn)實驗中，加載速度越大，塑性性能較好的材料受力和變形不同步，導致變形相對受力具有一定的滯后性，最終測定出來的承載力稍大。

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

圖3 D-M關系圖

偏離值具有一定的離散性，說明在扭轉(zhuǎn)實驗中，由于電動機帶動而主動轉(zhuǎn)動的試件一端約束強度對扭矩的影響很大，易于產(chǎn)生內(nèi)力重分布，對于一次性加載直至破壞的試驗而言，內(nèi)力重分布使薄弱部位成為破壞面。

4 結論

(1)根據(jù)低碳鋼的扭轉(zhuǎn)實驗，本文分析了以中間截面為臨界面，試件會在臨界面與試件端部的中間某處產(chǎn)生最大拉應力，從而產(chǎn)生不均勻變形，導致破壞面不一定在長度中心截面。根據(jù)扭轉(zhuǎn)機械對試件端部的約束效應不同，臨界面與端部之間的最大拉應力點難以確定。

(2)低碳鋼的扭轉(zhuǎn)實驗中，低碳鋼試件(包括被夾持端)處于復雜應力狀態(tài)，因此實驗中試件的斷面位置會產(chǎn)生明顯的差異。扭轉(zhuǎn)實驗裝置及試件的邊界條件并不明確，有必要設計出能用具體的約束數(shù)值體現(xiàn)扭轉(zhuǎn)端頭約束程度的實驗裝置，進一步明確斷面位置。

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

[2]張憬，馬文江，尚新春.材料力學扭轉(zhuǎn)實驗的擴展與探討[J].實驗技術與管理，2014，7(31)：209-211.

[3]曹新明，黃質(zhì)宏，蔡長安，等.等直圓桿自由扭轉(zhuǎn)應力分析[J].貴州工業(yè)大學學報(自然科學版)，2007，1(37)：82-89.

[4]王軍，馬慶捷.構件彈塑性扭轉(zhuǎn)的應力分析[J].吉林化工學院學報，2004，2(21)：85-87.

[5]袁海慶.材料力學(第2版)[M].武漢：武漢理工大學出版社，2004：30-36.

[6]張?zhí)锾?，侯曉霞，陳德謙.對構件斷口的分析[J].科技傳播，2014，(11)：88-89.

[7]鄒廣平，沈志強，李昊，等.建筑用鋼筋預扭強化技術研究[J].應用科技，2009，6(36)：63-65.

[8]馮曉九，游文明，杜晉.拉壓實驗與純扭轉(zhuǎn)實驗的互補特性[J].揚州職業(yè)大學學報，2013，3(17)：21-24.

[責任編輯 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

延安大學青年項目資助(YDQ2014-55)

王 磊(1985—)，男，陜西西安人，延安大學助教。

TU513

A

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