鑄鐵單向壓縮破壞的最大剪應(yīng)力理論之否定

1、鑄鐵單向壓縮破壞的最大剪應(yīng)力理論之否認(rèn)鑄鐵壓縮是材料力學(xué)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，破裂斷面與加壓軸線構(gòu)成朽“交角.就是這個(gè)習(xí)以為常的問(wèn)題，多年來(lái)困擾著我，百思不解，最近才悟出一點(diǎn)新意，并通過(guò)薄壁鑄鐵管壓縮實(shí)驗(yàn)，得到驗(yàn)證.一、從強(qiáng)度理論本身粉最大剪應(yīng)力理論之誤幾乎所有的材料力學(xué)書(shū)，目前還是認(rèn)為鑄鐵壓縮破裂是剪應(yīng)力過(guò)大所致，即最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論.廣義言之，破壞主要有兩種形式，一種是斷裂破壞，另一種屈從或顯著塑性變形，簡(jiǎn)稱(chēng)屈從破壞.從古典強(qiáng)度理論看，最大拉應(yīng)力理論，最大拉應(yīng)變理論(筆者認(rèn)為首先應(yīng)否認(rèn)的是該理論)，是適用脆性材料的，是斷裂破壞的判據(jù).而最大剪應(yīng)力理論，形狀改變比能等是適用塑性材料的，是屈從破壞的判據(jù)

2、.這是材料力學(xué)書(shū)所公認(rèn)的，同時(shí)也公認(rèn)鑄鐵是脆性材料(在通常的條件下，如常溫，非三向等壓).因此，用適用于塑性材料的最大剪應(yīng)力理論來(lái)解釋脆性材料的斷裂破壞是牛頭不對(duì)馬嘴。二、巖石壓組破壞之啟示巖石壓縮實(shí)驗(yàn)破裂成兩個(gè)錐形體，錐面和軸線約成朽“交角.因此，較早的材料力學(xué)書(shū)上認(rèn)為巖石壓縮破壞是最大剪應(yīng)力所致.后來(lái)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，形成錐形體是由于加壓力的端面有較大的摩擦力.因此，巖石壓縮實(shí)驗(yàn)不是單向受力狀態(tài)，壓應(yīng)力也不是均勻分布的，但定性地可在才點(diǎn)取單元體(圖1).由此可見(jiàn)，裂面不是最大剪應(yīng)力作用面，而是最大拉應(yīng)力作用面.假如減少加壓端面的摩擦力，試件將沿軸線方向斷裂(圖2).因此，較新的材料力學(xué)書(shū)已承受

3、巖石壓縮破壞并非最大剪應(yīng)力所致的觀點(diǎn).三、實(shí)驗(yàn)的掛折巖石壓縮破裂冤案的初步平反，大大鼓舞著鑄鐵的壓縮破裂.我們?cè)O(shè)想，如克制端面摩擦力，鑄鐵壓縮破裂也會(huì)出現(xiàn)圖2所示的軸向裂縫.于是我們作了四組比照實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)至少有兩個(gè)試件.試件為20*302，圓柱體，60t材料試驗(yàn)機(jī)加壓.i組:上、下端面墊低炭鋼塊，在加壓的同時(shí)用游標(biāo)卡尺測(cè)上部(離端部約5)，中部的直徑變化.當(dāng)壓力較大時(shí)，試件端部壓人墊塊內(nèi)，端部限制向外位移的約束最大，鼓形也最嚴(yán)重.ii組:上端直接用試驗(yàn)機(jī)壓頭加壓，下壓頭有刻槽，因此墊校硬的袍刀片.這樣試件不會(huì)壓入墊片內(nèi)，改善了約束條件.iii組:上、下端面墊和試件直徑一樣的紫銅片，進(jìn)一步改

4、善約束條件，減小了端面摩擦力.iv組:上、下端面墊摩擦系數(shù)特小的聚四氟乙烯薄片，根本仁克制了端面摩擦力.實(shí)驗(yàn)記錄列于上頁(yè)表，隨著端面條件的改變，上、中部直徑的絕對(duì)伸長(zhǎng)d的差異逐漸減小，即鼓形逐漸消失，說(shuō)明端面摩擦力逐漸減小，乃至根本消除.1組破裂面和軸線夾角破裂角約33-35，ii組約30，有減小趨勢(shì);iii組未測(cè)，按預(yù)計(jì);iv組的破裂角應(yīng)很小，甚至為零，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻出現(xiàn)意外，破裂角反而增大.至此，鑄鐵壓縮實(shí)驗(yàn)再次失敗.四、成功之希扭我們繼續(xù)重復(fù)iv組實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真分析破裂角增大原因.后來(lái)發(fā)現(xiàn)，由于端面摩擦減小，在載荷較大時(shí)，由于兩端面不平行，也或許沿和軸線斜交45的面上有滑移(屈從)，試件很快歪

5、斜，假設(shè)此時(shí)及時(shí)卸載，可觀察到中部有斜裂縫而整體尚完好的歪斜試件(圖3).歪大到驚人的程度.試件中部的應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)似于圖l端部的應(yīng)力狀態(tài)，除壓應(yīng)力外，還有比端面摩擦還大的剪應(yīng)力.因此，加壓過(guò)程中，試件歪斜是破裂角增大的原因，實(shí)際上，通常的鑄鐵壓縮實(shí)驗(yàn)(端面有摩擦)，也多數(shù)發(fā)生程度不同的歪斜，因此很小出現(xiàn)料交的兩組裂縫，而往在只有一個(gè)裂面.既要克制端面摩擦力，又要防止加壓過(guò)程中試件歪斜.我們用鑄鐵薄壁簡(jiǎn)作試件，雖不能消除端面摩擦力，但由于薄壁，摩族力影響不大.假如最大剪應(yīng)力理論成立，那么在回柱面上，出現(xiàn)和母線斜交的裂縫，假如出現(xiàn)沿母線方向的裂縫，那么最大剪應(yīng)力理論被否認(rèn).假如受端面摩擦力影響，那么

6、靠近端部出現(xiàn)沿厚度方向的斜裂縫，如圖4所示。試件尺寸:高石h=.80，外徑d=56.9-57.l，壁厚t=1.5-2。共四個(gè)試件，系下水道鑄鐵管車(chē)制而成.有兩個(gè)試件(一個(gè)是上半部，一個(gè)是下半部)局部裂成碎片，殘留局部仍為回筒，其中有兩條3左右的軸向裂縫，碎片為數(shù)十平方毫米的矩形碎片，周邊和軸線平行或正交(由于爆裂突然發(fā)生，碎片飛得很遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意平安)，只有個(gè)別碎片局邊和軸線斜交，如圖5所示.有一個(gè)試件端面墊有聚四氟乙烯薄片，在加壓時(shí)聚四氯乙烯在外擠出(有朝外的摩擦力)因此，上端面靠外側(cè)首先形成一個(gè)破裂圈，破裂圈截面近似于等腰直角三角形，繼續(xù)加壓(聚四氟乙烯全部擠走，不再起作用)，端部?jī)?nèi)側(cè)一圈也破裂，再加壓上半部裂成碎片.余下的兩個(gè)試件，在加壓指針略有后退時(shí)，馬上卸載，兩個(gè)試件都完好保存下來(lái)，試件的上部(離端面數(shù)毫米)，在圓周的1/5左右范圍內(nèi)，有六、七條長(zhǎng)10一15的軸向裂縫，除個(gè)別已穿透外，多數(shù)只在外部見(jiàn)到.有裂縫處出現(xiàn)外凸(象失穩(wěn))，無(wú)裂縫外仍然平整，如圖6所示.(此外還做過(guò)陶瓷厚壁圓管的壓縮實(shí)驗(yàn)，也全是軸