對構件斷口的分析

張田田，侯曉霞，陳德謙

德州學院，山東德州 253023

建筑物的梁和柱、機床中的軸等的構件，在工程結構或機械工作時，將受到載荷的作用[1，2]。隨著，構件應用越來越廣泛，大到橋梁、高樓大廈的結構小到支撐架、腳手架，近年來不斷有大橋斷裂、大廈坍塌以及建筑物施工過程中的腳手架斷裂的事故發生，造成人身安全受損和財產損失，構件安全問題越來越引起人們的重視，針對構件的破壞形式，本文展開分析，旨在為以后的構件設計方面提供理論支持和建議，盡量把構件使用過程中的不安全因素降到最低。

構件的材料分為塑性材料和脆性材料[3，4]，針對不同材料的構件，其破壞形式是不同的，因此通過實驗對不同材料的破壞形式以及主要破壞的作用力進行分析，對于改進材料和提出使用材料時的注意事項有著重要作用。在這里塑性材料以低碳鋼為例，因為低碳鋼是典型的塑性材料，應用廣泛，低碳鋼一般會軋成鋼帶、鋼管、槽鋼、角鋼、工字鋼、或鋼板，來用于制作各種容器、箱體、爐體、建筑構件和農機具等，根據掌握的已有實驗結論，低碳鋼的失效形式主要是屈服。脆性材料的以鑄鐵為例，而鑄鐵的分類較多，在此主要研究灰口鑄鐵，雖然灰口鑄鐵的力學性能差，但是由于其成本、價格低，主要應用于機械中的機床床身、皮帶輪、缸體、底座、齒輪箱、手輪、蓋等受力不大、減震、耐磨的零件。而灰口鑄鐵的失效形式是斷裂。

1 構件破壞形式的驗證試驗

構件在使用過程中主要受到拉伸、壓縮及扭轉的作用力，因此利用實驗室的萬能試驗機進行塑性材料和脆性材料的拉伸與壓縮試驗，利用扭轉試驗機分別測試塑性材料和脆性材料的破壞形式。

1.1 萬能試驗機測構件拉壓時破壞形式

分別取直徑d=10mm，長度為10cm 的低碳鋼和鑄鐵試樣10根，打開試驗機，分別安裝準備好的低碳鋼和鑄鐵試樣，然后調節萬能試驗機的夾頭位置，根據實驗要求先把試樣的上端夾住，再升起下夾頭，使得試樣能夠夾牢并使之鉛直與夾頭，將5 根低碳鋼拉伸完畢后，放在事先準備好的盛放器皿中，再將剩余的5 根低碳鋼做壓縮試驗。接下來完成脆性材料鑄鐵的拉伸和壓縮試驗，把通過實驗得到的受到破壞的試樣放在器皿中進行觀察。

通過仔細觀察比較斷口截面，發現在拉伸時，低碳鋼的斷面截面明顯變細且不平整，呈獻細小的小刺狀，但整體呈現不平整的傾斜的斷面，斷口呈現有金屬光澤，通過多組測量，整體斷面相較于軸線方向呈現45 度左右的夾角。相較于低碳鋼，鑄鐵斷口較為粗糙沒有出現斷面截面變細和傾斜的現象，呈現凹凸的顆粒狀、灰黑色。但整體斷面截面較平整，整體斷面主要在與軸線垂直的橫截面上。在壓縮時，低碳鋼和鑄鐵都會發生變粗變短的現象，只是在同等力度的條件下，鑄鐵變粗變短的程度遠大于低碳鋼，在力度小時，低碳鋼的變粗變短現象不明顯。達到兩者都破壞的力度時，鑄鐵和低碳鋼的斷面都在與軸線成45 度的斜截面上。

1.2 扭轉試驗機測構件扭轉時的破壞形式

取直徑d=10mm，長度為10cm 的圓截面低碳鋼和鑄鐵試樣10 根，將準備好的標準試樣，置于扭轉上進行低碳鋼和鑄鐵的扭轉實驗，將得到的斷裂試樣放在準備好的器皿中進行觀察實驗現象。

通過觀察比較，低碳鋼的斷面截面整體在與軸線垂直的橫截面上，而鑄鐵的端口則呈現不規則的螺旋形狀。同時扭轉時，鑄鐵和低碳鋼的外表面都會呈現不同程度的相對扭轉，只是鑄鐵的扭轉現象比鑄鐵更為明顯。

2 構件破壞原因分析

2.1 低碳鋼拉伸與壓縮及扭轉時斷口原因分析

低碳鋼為典型的塑性材料，在受到拉伸、壓縮以及扭轉時的其斷口的截面形狀不同，與其力學性質密不可分，塑性材料的抗拉壓能力強，而作用在構件上的最大切應力主要作用在與軸線成45 度的斜截面上，所以，當低碳鋼發生斷裂時主要是由于受到的切應力過大，才會在45 度斜截面上發生斷裂。而通過扭轉實驗可知，低碳鋼材料的抗剪能力低于抗拉與壓能力，低碳鋼扭轉時沿最大切應力的作用面發生斷裂，為切應力作用而剪斷，因此，其破壞斷面與軸線垂直。

2.2 鑄鐵拉伸與壓縮及扭轉斷口原因分析

鑄鐵的抗壓不抗拉的力學性質決定了鑄鐵在受到的拉應力稍微過大時。就會發生斷裂，拉應力最大出現在橫截面上，而在受到壓力時，力度小時，只會發生變粗變短的現象，壓力較大時，在切應力最大的與軸線成45 度的斜截面上發生斷裂。鑄鐵材料的抗拉強度較低，鑄鐵扭轉時沿最大拉應力的作用面發生斷裂，由應力狀態可知，純剪切最大拉應力作用的主平面與軸線夾角為45°，因此，鑄鐵圓形試件破壞斷面與軸線成45°螺旋面上。

3 建議

當材料作為主要受拉力的構件時，優先選擇抗拉強度較高的塑性材料，當材料主要作為受壓的構件時，理論上塑性材料和脆性材料皆可，但在滿足安全性的前提下，又要考慮經濟性時，可優先選擇鑄鐵類脆性材料。

構件的材料主要分為塑性材料和脆性材料，在不同的變形形式下其破壞形式不盡相同，通過實驗得出構件的破壞形式，并分析了破壞原因，針對不同的受力情況提出了選材的建議，旨在為工程設計中構件材料的選擇提供建議和理論支持。

[1]劉鴻文.材料力學(第四版)[M].北京:高等教育出版社，2004.

[2]范欽珊.材料力學[M].北京:清華大學出版社，2004.

[3]韓斌，劉海燕，水小平.材料力學.兵器工業出版社，2009.

[4]劉鴻文主編.簡明材料力學.2版，北京：高等教育出版社，2008.