平面應(yīng)力狀態(tài)下低碳鋼的強(qiáng)度

摘 要： 低碳鋼是工程中廣泛應(yīng)用的材料，其強(qiáng)度是重要的力學(xué)指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)中低碳鋼構(gòu)件時(shí)常不是承受單向的應(yīng)力，而處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。構(gòu)件承受拉力和扭矩是比較常見的一種現(xiàn)象。通過拉伸和扭轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)，檢測低碳鋼試件的強(qiáng)度，并進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞： 低碳鋼；拉伸；扭轉(zhuǎn)；強(qiáng)度

中圖法分類號：O341； O348 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號：1671-3362（2013）10-0021-02

低碳鋼是工程中最重要的材料之一，廣泛應(yīng)用于軍用和民用建筑、航空、海洋結(jié)構(gòu)物機(jī)械制造等領(lǐng)域。其強(qiáng)度是重要的力學(xué)指標(biāo)[1，2]。在工程結(jié)構(gòu)中的低碳鋼構(gòu)件常常不是承受單向應(yīng)力，而處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。如機(jī)械與工程結(jié)構(gòu)中的傳動(dòng)軸與高強(qiáng)螺桿等，常處于拉伸和扭轉(zhuǎn)組合變形狀態(tài)，其橫截面上邊緣的點(diǎn)處于平面應(yīng)力狀態(tài)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試件材料與尺寸

實(shí)驗(yàn)采低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣，材料為同批次低碳鋼。根據(jù)國標(biāo)GBl0128《金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法》和《金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法》中的規(guī)定，低碳鋼試件設(shè)計(jì)為圓形截面，直徑 ，試件標(biāo)距 ，如圖2所示。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

分別進(jìn)行單向拉伸破壞實(shí)驗(yàn)、純扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)、拉伸和扭轉(zhuǎn)雙向加載破壞實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。單向拉伸實(shí)驗(yàn)，測得低碳鋼的單拉的正應(yīng)力極限均值。觀測正應(yīng)力-正應(yīng)變曲線，低碳鋼拉伸過程中有明顯屈服現(xiàn)象。斷裂時(shí)有很大的塑性變形，斷口為杯狀，周邊為45o的剪切唇，斷口組織為暗灰色纖維狀。純扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力極限均值，低碳鋼扭轉(zhuǎn)時(shí)有明顯的屈服現(xiàn)象。構(gòu)件沿橫截面破壞，斷口表面平整光滑。

拉伸和扭轉(zhuǎn)雙向加載實(shí)驗(yàn)，采用電子拉伸扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)上對低碳鋼試件同時(shí)加載拉力和扭矩。實(shí)驗(yàn)前設(shè)置拉伸的拉力加載增速或伸長量的增速，扭轉(zhuǎn)可以設(shè)置扭矩的增速或扭轉(zhuǎn)角的增速，還可以設(shè)置正應(yīng)力和切應(yīng)力的比值。每次實(shí)驗(yàn)可通過設(shè)置改變加載速度，觀測應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在拉力和扭矩共同作用下，正應(yīng)力強(qiáng)度極限和切應(yīng)力強(qiáng)度極限不會(huì)同時(shí)達(dá)到。實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)兩種情況：

（1）加載時(shí)正應(yīng)力和切應(yīng)力的比值較大，見圖3。試件在加載的過程中試件有明顯的伸長，出現(xiàn)了明顯的頸縮現(xiàn)象，緊接著低碳鋼試件破壞。其破壞的斷口與拉伸破壞的斷口相似。這種情況下正應(yīng)力對破壞起主要作用

圖3 正應(yīng)力加載速度較快

（2）加載時(shí)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的比值較小，見圖4。在加載的過程中沒有頸縮現(xiàn)象，低碳鋼破壞。其斷口與橫截面成一定角度，斷口表面比較平整。將破壞斷口與純扭轉(zhuǎn)的斷口比較（圖5），可以發(fā)現(xiàn)兩者斷口表面均比較光亮平滑。這種情況下切應(yīng)力對破壞起主要作用。

若按第四強(qiáng)度理論[3]計(jì)算相當(dāng)應(yīng)力，那么相當(dāng)應(yīng)力為。若單向拉伸則相當(dāng)應(yīng)力，若為純扭轉(zhuǎn)則相當(dāng)應(yīng)力。每次實(shí)驗(yàn)得到低碳鋼橫截面邊緣點(diǎn)強(qiáng)度極限數(shù)據(jù)及計(jì)算得到的相當(dāng)應(yīng)力，見表1。不論加載時(shí)正應(yīng)力與切應(yīng)力的比值，得到的相當(dāng)應(yīng)力均要大于單向拉伸時(shí)達(dá)到極限的相當(dāng)應(yīng)力，小于純扭轉(zhuǎn)時(shí)切應(yīng)力達(dá)到極限的相當(dāng)應(yīng)力。從表1可以發(fā)現(xiàn)，正應(yīng)力加載速度快時(shí)，相當(dāng)應(yīng)力相對較小，其破壞的斷口表面形態(tài)也與單向拉伸破壞時(shí)相似，說明起主要作用的是正應(yīng)力。切應(yīng)力加載速度快時(shí)，相當(dāng)應(yīng)力相對較大，其破壞的斷口表面形態(tài)也與純扭轉(zhuǎn)破壞時(shí)相似，說明起主要作用的是切應(yīng)力。

3結(jié)論

（1）拉力和扭矩共同作用下，正應(yīng)力加載速度較快，正應(yīng)力對試件的破壞起主要作用，在加載過程中試件明顯伸長，且有頸縮現(xiàn)象，其斷口以單向拉伸斷口形態(tài)相似。

（2）拉力和扭矩共同作用下，切應(yīng)力加載速度較快，切應(yīng)力對試件的破壞起主要作用，在加載過程中試件沒有頸縮現(xiàn)象，其斷口以純扭轉(zhuǎn)斷口形態(tài)相似。

（3）拉力和扭矩共同作用下，無論加載時(shí)正應(yīng)力與切應(yīng)力比值，計(jì)算其相當(dāng)應(yīng)力，表明其強(qiáng)度較單向拉伸增大，較純扭轉(zhuǎn)減小。

參考文獻(xiàn)

[1] 俞茂宏.強(qiáng)度理論新體系[M].西安：西安交通大版社，1992.

[2] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] 楊桂通.彈塑性力學(xué)引論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

作者簡介：范志毅，講師，研究方向：疲勞損傷。