金属材料扭转过载试验的应力分布与断裂特征分析

圆形截面扭转情况下，受力状态如图2-4 所示，最大正应力位于与轴成45°的平面，最大切应力与轴线成90°，最大切应力与最大正应力比值为0.8。

图2-4　最大切应力示意图

断裂可以呈韧性或脆性方式断裂，导致两种不同形式的断口。

（1）90°切断断口：如果材料以韧性方式断裂，说明材料屈服强度相当低，材料切断抗力tk 较低，因此在切应力作用下则发生明显塑性变形，外加应力达到tk 时样品发生断裂。因为最大切应力与轴线垂直，所以断口与轴线成 90°。因为在切应力下发生塑性变形，所以如果在圆柱表面做一条平行轴线得到标线，变形后该线就要围绕表面做螺旋运动。图2-5 是铝合金材料进行扭转试验后由于塑性变形留下的痕线，有时可以采用腐蚀方法显示扭转塑性变形留下的痕迹。

(www.xing528.com)

图2-5　铝合金扭转后表面出现与轴线成45°的变形条纹照片

图2-6 是铝合金样品扭转断裂后，表面变形线的激光共聚焦形貌照片，从图中可以更清楚地看到变形线与轴成45°角。

（2）45°正断断口：对于脆性材料（如铸铁），由于材料本身正断抗力SOT 较低，而切断抗力tk 较高，所以在正应力作用下断裂。由于 45°位向的正应力最大，所以破断面与轴线成 45°角。

圆柱样品在拉伸载荷作用下，最大拉应力在垂直轴线平面上，最大剪应力在与轴线成 45°的平面上。而在扭转载荷作用下，却是最大剪应力在垂直轴线平面上，最大拉应力在与轴线成 45°的平面上。因此，破断面的位向也会发生变换。韧性材料在拉伸过载断裂情况下，其破断面与轴线成 45°，而在扭转过载断裂情况下，破断面与轴线成 90°。脆性材料在拉伸过载断裂情况下，其破断面与轴线成90°，而在扭转过载断裂情况下，破断面与轴线成45°。

图2-6　铝合金样品扭转断裂后表面激光共聚焦照片