对构件断口的分析

2014-11-17张田田侯晓霞陈德谦

科技传播 2014年21期

张田田，侯晓霞，陈德谦

德州学院，山东德州 253023

建筑物的梁和柱、机床中的轴等的构件，在工程结构或机械工作时，将受到载荷的作用[1，2]。随着，构件应用越来越广泛，大到桥梁、高楼大厦的结构小到支撑架、脚手架，近年来不断有大桥断裂、大厦坍塌以及建筑物施工过程中的脚手架断裂的事故发生，造成人身安全受损和财产损失，构件安全问题越来越引起人们的重视，针对构件的破坏形式，本文展开分析，旨在为以后的构件设计方面提供理论支持和建议，尽量把构件使用过程中的不安全因素降到最低。

构件的材料分为塑性材料和脆性材料[3，4]，针对不同材料的构件，其破坏形式是不同的，因此通过实验对不同材料的破坏形式以及主要破坏的作用力进行分析，对于改进材料和提出使用材料时的注意事项有着重要作用。在这里塑性材料以低碳钢为例，因为低碳钢是典型的塑性材料，应用广泛，低碳钢一般会轧成钢带、钢管、槽钢、角钢、工字钢、或钢板，来用于制作各种容器、箱体、炉体、建筑构件和农机具等，根据掌握的已有实验结论，低碳钢的失效形式主要是屈服。脆性材料的以铸铁为例，而铸铁的分类较多，在此主要研究灰口铸铁，虽然灰口铸铁的力学性能差，但是由于其成本、价格低，主要应用于机械中的机床床身、皮带轮、缸体、底座、齿轮箱、手轮、盖等受力不大、减震、耐磨的零件。而灰口铸铁的失效形式是断裂。

1 构件破坏形式的验证试验

构件在使用过程中主要受到拉伸、压缩及扭转的作用力，因此利用实验室的万能试验机进行塑性材料和脆性材料的拉伸与压缩试验，利用扭转试验机分别测试塑性材料和脆性材料的破坏形式。

1.1 万能试验机测构件拉压时破坏形式

分别取直径d=10mm，长度为10cm 的低碳钢和铸铁试样10根，打开试验机，分别安装准备好的低碳钢和铸铁试样，然后调节万能试验机的夹头位置，根据实验要求先把试样的上端夹住，再升起下夹头，使得试样能够夹牢并使之铅直与夹头，将5 根低碳钢拉伸完毕后，放在事先准备好的盛放器皿中，再将剩余的5 根低碳钢做压缩试验。接下来完成脆性材料铸铁的拉伸和压缩试验，把通过实验得到的受到破坏的试样放在器皿中进行观察。

通过仔细观察比较断口截面，发现在拉伸时，低碳钢的断面截面明显变细且不平整，呈献细小的小刺状，但整体呈现不平整的倾斜的断面，断口呈现有金属光泽，通过多组测量，整体断面相较于轴线方向呈现45 度左右的夹角。相较于低碳钢，铸铁断口较为粗糙没有出现断面截面变细和倾斜的现象，呈现凹凸的颗粒状、灰黑色。但整体断面截面较平整，整体断面主要在与轴线垂直的横截面上。在压缩时，低碳钢和铸铁都会发生变粗变短的现象，只是在同等力度的条件下，铸铁变粗变短的程度远大于低碳钢，在力度小时，低碳钢的变粗变短现象不明显。达到两者都破坏的力度时，铸铁和低碳钢的断面都在与轴线成45 度的斜截面上。

1.2 扭转试验机测构件扭转时的破坏形式

取直径d=10mm，长度为10cm 的圆截面低碳钢和铸铁试样10 根，将准备好的标准试样，置于扭转上进行低碳钢和铸铁的扭转实验，将得到的断裂试样放在准备好的器皿中进行观察实验现象。

通过观察比较，低碳钢的断面截面整体在与轴线垂直的横截面上，而铸铁的端口则呈现不规则的螺旋形状。同时扭转时，铸铁和低碳钢的外表面都会呈现不同程度的相对扭转，只是铸铁的扭转现象比铸铁更为明显。

2 构件破坏原因分析

2.1 低碳钢拉伸与压缩及扭转时断口原因分析

低碳钢为典型的塑性材料，在受到拉伸、压缩以及扭转时的其断口的截面形状不同，与其力学性质密不可分，塑性材料的抗拉压能力强，而作用在构件上的最大切应力主要作用在与轴线成45 度的斜截面上，所以，当低碳钢发生断裂时主要是由于受到的切应力过大，才会在45 度斜截面上发生断裂。而通过扭转实验可知，低碳钢材料的抗剪能力低于抗拉与压能力，低碳钢扭转时沿最大切应力的作用面发生断裂，为切应力作用而剪断，因此，其破坏断面与轴线垂直。

2.2 铸铁拉伸与压缩及扭转断口原因分析

铸铁的抗压不抗拉的力学性质决定了铸铁在受到的拉应力稍微过大时。就会发生断裂，拉应力最大出现在横截面上，而在受到压力时，力度小时，只会发生变粗变短的现象，压力较大时，在切应力最大的与轴线成45 度的斜截面上发生断裂。铸铁材料的抗拉强度较低，铸铁扭转时沿最大拉应力的作用面发生断裂，由应力状态可知，纯剪切最大拉应力作用的主平面与轴线夹角为45°，因此，铸铁圆形试件破坏断面与轴线成45°螺旋面上。