拉伸扭转组合作用下低碳钢力学性能

张强，马玉龙，谢福航，范志毅

（上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620）

0 引言

经典强度理论认为,常规材料的破坏主要分为脆性断裂与塑性屈服两种,拉应力是影响材料断裂的主要因素,剪应力是影响材料塑性屈服的主要因素。相应的强度理论也分为两类,一是基于拉应力为主,解决材料脆性断裂的理论;二是基于剪应力为主,解决材料塑性屈服的理论。着重于剪应力作用的强度理论研究较为深入,现有的几种强度理论的表达式对塑性材料在复杂应力状态下的破坏,计算较为复杂，实际应用起来有困难。该研究对低碳钢材料拉伸扭转复合载荷下的破坏实验结果进行分析,研究了复杂应力状态下拉应力和剪应力的比值变化对材料破坏的影响,为工程实践中相应的问题提供参考。

1 试件尺寸及实验设备

实验采用上海某工厂加工制作的低碳钢标准试样，材料为同批次低碳钢。低碳钢试件为圆形截面，直径d=100 mm，试件标距1=100 mm，如图1所示。

图1 试样尺寸

实验设备为电子拉扭试验机。实验分3组进行，每组10个试件。第1组进行单向拉伸实验，测量低碳钢的拉伸屈服应力和拉伸强度极限，绘制正应力-正应变曲线；第2组进行纯扭转实验，测量屈服剪应力和扭转强度极限，绘制剪应力-剪应变曲线；第3组进行拉伸扭转组合实验，每次实验时变化拉力和扭矩的比值，测绘应力-应变曲线。

2 低碳钢单向拉伸实验和纯扭转实验

第1组试件进行单向拉伸实验。该低碳钢试件拉伸时经历了弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段，破坏时延伸率达到30%，大大超过5%，符合塑性材料的力学性能[1]。10个试件拉伸时的屈服应力均值为σs=265 MPa。

第2组进行纯扭转实验。该低碳钢试件纯扭转时，经历了弹性阶段、屈服阶段、强化阶段，试件有较好的延性，符合塑性材料扭转时的力学性能。由于扭转时试件的屈服是由试件的表面向圆心逐渐屈服，因此屈服现象没有拉伸时明显。10个试件纯扭转时的屈服剪应力均值为τs=172 MPa。

通过上述单向拉伸和纯扭转实验，可以确定该批试件属于典型的塑性材料，同时测量了相关的力学性能。

3 低碳钢拉伸扭转组合实验

第3组试件进行拉伸扭转组合实验，对试件同时加载拉力和扭矩，每次实验改变拉力和扭矩的比值，测量实验数据，绘制试件加载时的应力-应变曲线。实验时设备会根据设置的拉力扭矩的比值F/T，在加载的过程中不断地实时调整，使实际的F/ T比值接近设置的比值。因此F/T的比值只是一个参考量，在实验时实际的比值与设置的比值存在一定的差距。

（1）拉力较小，扭矩较大

拉力F单位kN，扭矩T单位kN.m，实验开始时设置的拉力扭矩的比值F/T在0.4～0.5时，扭转先出现了屈服，其屈服应力与纯扭转的屈服应力接近，延性较纯扭转降低，见图2。拉伸则没有屈服阶段，也没有颈缩阶段，见图3。

（2）拉力较大，扭矩较小

实验开始时设置的拉力扭矩的比值 F/T在0.6～0.8时，拉伸起主要作用，拉伸先出现了屈服，其屈服应力比单向拉伸屈服应力小，延性较单向拉伸降低，也有颈缩阶段,见图4。扭转后出现屈服，屈服应力与纯扭转时的屈服应力接近，见图5。

图2 剪应力-剪应变曲线比较

图3 正应力-正应变曲线比较

4 结论

图4 正应力-正应变曲线

图5 剪应力-剪应变曲线

在工程中若根据第三强度或第四强度理论[2]，计算第三强度理论相当应力和第四强度理论相当应力，由于正应力σ和剪应力τ有无穷多组合，不易操作。通过拉扭组合实验可以得到，当拉力和扭矩的比值F/T在0.4～0.8之间，无论拉伸是否屈服，扭转的屈服应力都与纯扭转时的屈服应力大小接近。因此拉扭组合，可以把扭转达到屈服时，视为材料屈服。

[1]单辉祖.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]张少实.新编材料力学[M].北京：机械工业出版社，2010.