低碳钢扭转破坏的力学性能分析

王 磊，崔保龙

(延安大学建筑工程学院，陕西延安716000)

低碳钢扭转破坏的力学性能分析

王 磊，崔保龙

(延安大学建筑工程学院，陕西延安716000)

根据扭转破坏原理，利用扭转破坏实验对低碳钢标准试件的力学性能进行了研究，讨论了低碳钢扭转破坏的实质，并计算出扭转试件的抗剪强度。结果表明，随着扭矩的增大，断裂面偏离试件长度中心位置越远。提出对受扭试件设定中间临界面的分析模式，探讨端头约束对试件扭转的影响机制。

扭转试验；偏离量；临界面

在材料力学中，研究等直圆杆扭转时横截面上的应力分布规律，不仅要根据静力平衡公式，还应该从材料的变形入手，利用应力和应变之间的关系进行综合分析。由金属材料的单一拉伸与纯扭转实验结果的比较可见，拉伸所测等效应变值仅对不可压缩材料才成立，对可压缩材料并不成立，纯扭转实验中所测等效应变值不受压缩性影响[1-3]。本文在讨论低碳钢的扭转实验的基础上，根据材料力学相关理论，对试验中出现的破坏断面偏离中间截面现象进行分析，并提出保证低碳钢扭转实验数据正确性的合理做法。

1 低碳钢扭转理论

低碳钢的扭转实验中，扭转变形并不像拉伸变形那样仅仅发生在局部，而是遍及整个试件，且从表面的扭转纹路可以看出，变形往往趋于均匀[4]。

对于长为l，抗扭截面刚度为GIp，扭矩为Mt的等截面圆杆，扭转角为：

根据切应力互等定理，当圆截面杆受扭时，在其表面一点处沿与杆轴成45°角的斜截面上将出现最大正应力，而在其纵、横截面上将出现最大切应力[5]。对于低碳钢试件，其抗剪强度低于抗拉强度，扭转破坏首先从杆的外缘沿横截面发生剪断，试件破坏截面与轴线的横截面垂直[6-8]。含碳量的差异，导致低碳钢的塑性性能优于其他含碳量高的金属，因此随着扭转的进行，低碳钢内部金属粒子产生重新排列，抵抗大角度扭转。

2 力学分析

低碳钢标准件的扭转破坏实验中出现了断裂面不在试件的中间，而是在偏离长度中心较远位置的现象。扭转实验完成后，试件的横截面上出现明显的扭转纹路，杆件横截面积有所减小。在纯扭转试验中，随着扭转角的增大，除了长度中心的横截面，低碳钢试件各横截面都将变成曲面。在各个横截面由平面变成曲面的过程中，由于横向没有荷载作用，只有纵向存在拉应力，才会使连续性的金属材料的纤维产生变形。

为了分析方便，假定在实验过程中，扭转试验机两端的夹具对试件的夹持约束效应相同，那么在试件中心截面处必将存在一个临界截面，使试件不受拉应力作用。垂直于临界截面，沿着试件的轴向方向，对称的存在着朝向两端的拉应力。

3 实验及结果讨论

根据国家标准《金属室温扭转试验方法》的规定，取直径d=10 mm，标距l0=100 mm，平行长度le=120 mm的低碳钢标准试样五根，利用CTT-1000微机控制电子扭转试验机，进行常规扭转破坏实验。实验结果如图1、图2所示。

图1 M-φ曲线

低碳钢试件受扭破坏的M-φ曲线如图1，其较好的实现了弹性阶段、屈服阶段、强化阶段。五根试件的扭转角不一致，但平均值达到17.9，总体上呈现较好的延性，符合塑性材料扭转时的力学性能要求。

图2 试件破坏图

从图2中可以看出，五根低碳钢试件标距范围内的表面均出现与纵轴呈45°的斜向纹路，靠近两边夹持端部分(过渡区域)，扭转产生的纹路明显减弱。夹持部位主要承压面为两个互相平行的平截面，由于实验期间被夹具固定，未出现任何破损。另外，根据试验完成后断面的对接情况可以看出，低碳钢的破坏截面为垂直于轴向的平面，这说明低碳钢的抗拉强度相对抗剪强度更低，与前文理论分析结果一致。试件的断裂位置并不在相同截面上，所有断裂面都不在长度中心且与长度方向的中心截面有一定距离。以低碳钢试件的标距中心为零点，分别测量出五根试件破坏面相对中心点的偏离量D，同时列出了五根试件的扭转角极限值，如表1。

表1 破坏截面偏离值及扭矩

根据前述的扭转公式，计算得到试件扭转时的屈服剪应力均值为τs=453.04 MPa，这比低碳钢的抗剪强度标准值大一些，主要原因是扭转实验中，加载速度越大，塑性性能较好的材料受力和变形不同步，导致变形相对受力具有一定的滞后性，最终测定出来的承载力稍大。

根据表1中破坏面偏离量与扭矩的数值，绘出了D-M关系曲线，如图3。可以看出，扭转破坏的扭矩值随着断口偏离值的增大，呈增大趋势。偏离量的不均匀性也导致了扭矩的量值并不均匀，但为正相关关系。

图3 D-M关系图

偏离值具有一定的离散性，说明在扭转实验中，由于电动机带动而主动转动的试件一端约束强度对扭矩的影响很大，易于产生内力重分布，对于一次性加载直至破坏的试验而言，内力重分布使薄弱部位成为破坏面。

4 结论

(1)根据低碳钢的扭转实验，本文分析了以中间截面为临界面，试件会在临界面与试件端部的中间某处产生最大拉应力，从而产生不均匀变形，导致破坏面不一定在长度中心截面。根据扭转机械对试件端部的约束效应不同，临界面与端部之间的最大拉应力点难以确定。

(2)低碳钢的扭转实验中，低碳钢试件(包括被夹持端)处于复杂应力状态，因此实验中试件的断面位置会产生明显的差异。扭转实验装置及试件的边界条件并不明确，有必要设计出能用具体的约束数值体现扭转端头约束程度的实验装置，进一步明确断面位置。

[1]张强，马玉龙，谢福航，等.拉伸扭转组合作用下低碳钢力学性能[J].江苏建材，2014，(2)：22-23.

[2]张憬，马文江，尚新春.材料力学扭转实验的扩展与探讨[J].实验技术与管理，2014，7(31)：209-211.

[3]曹新明，黄质宏，蔡长安，等.等直圆杆自由扭转应力分析[J].贵州工业大学学报(自然科学版)，2007，1(37)：82-89.

[4]王军，马庆捷.构件弹塑性扭转的应力分析[J].吉林化工学院学报，2004，2(21)：85-87.

[5]袁海庆.材料力学(第2版)[M].武汉：武汉理工大学出版社，2004：30-36.

[6]张田田，侯晓霞，陈德谦.对构件断口的分析[J].科技传播，2014，(11)：88-89.

[7]邹广平，沈志强，李昊，等.建筑用钢筋预扭强化技术研究[J].应用科技，2009，6(36)：63-65.

[8]冯晓九，游文明，杜晋.拉压实验与纯扭转实验的互补特性[J].扬州职业大学学报，2013，3(17)：21-24.

[责任编辑 贺小林]

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

延安大学青年项目资助(YDQ2014-55)

王 磊(1985—)，男，陕西西安人，延安大学助教。

TU513

A

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