浅析圆轴扭转现象

任鹏飞

【摘要】讨论圆轴低碳钢和铸铁扭转时的变形现象及破坏形式。测定材料的剪切屈服强度点应力τs和抗剪强度τb。断口形状能反映出材料性能和受力情况，纯剪切应力环境，其力学模型简单，测试结果具有明确的物理意义，断口角度直接显示材料是拉断还是剪断、材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接地比较。

【关键词】纯剪切应力；扭转图；塑性区；屈服扭矩

引言

圆轴低碳钢拉伸试验中进入塑性变形阶段到破坏的全过程经历了屈服阶段，强化阶段和局部变形阶段三个阶段，而低碳钢扭转试验中横截面的边缘处先形成环形塑性区，再逐渐向圆心扩展，直到整个截面几乎都是塑性区，直致断裂，但没有几个阶段的划分。

一、纯剪切应力状态

圆轴低碳钢在扭转时，横截面边缘上任一点处于纯剪切应力状态，如图1所示。由于纯剪切应力状态是术语二向应力状态，两个主应力的绝对值相等，大小等于横截面上该点处的切应力，σ1与轴线成45°角。圆轴扭转时横截面上有最大切应力，而45°斜截面上有最大拉应力，由此可以分析低碳钢和铸铁扭转时的破坏原因。

由于低碳钢强度低于抗拉强度，圆轴横截面上的最大切应力，引起沿横截面剪切破坏；而铸铁抗拉强度低于抗剪强度，试样与杆轴线成45°的斜截面上的引起拉断破坏。在低碳钢试样受扭过程中，利用试验机上的自动绘图器装置得到曲线，曲线也叫扭转图，如图2所示。

二、屈服扭矩

图2中起始直线段OA表示试样在这个阶段中的与成比例，截面上的切应力是线性分布。此时截面周边上的切应力达到了材料的剪切屈服点应力，相应的扭矩记为。由于这时截面内部的切应力小于，故圆轴仍具有承载能力，曲线呈上升的趋势。扭矩超过后，截面上的切应力分布不再是线性的，在截面上出现了一个环状塑性区，并随着T的增长，塑性区逐步向中心扩展，曲线稍微上升，直至B点趋于平坦，截面上各点材料完全达到屈服，扭矩度盘上的指针几乎不动或指针摆动的最小值即为屈服扭矩。

三、抗剪强度

结论

扭转试验为例，在低碳钢扭转变形而又不断裂的情况下，横向划线基本没有什么变化，而纵向划线成为螺旋线，且螺旋线逐渐接近，直至断裂。铸铁与低碳钢在断裂时的断裂面不同，低碳钢沿横截面断裂，而铸铁沿45°螺旋面断裂。