【释疑解惑】为什么力学试样长这样?

作者: 2021-03-31 09:21 来源:
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《力学园地》编辑部: 

  最近在你们的网页上,看到一篇好文《“奋斗者”号研发的力学花絮》。知道了力学可以为研发潜水器发挥不少作用。我想问问在力学性能试验中,材料试样都有哪些种类?怎样来选定力学试样的种类?谢谢告知! 

一名工厂技术员 

2021年3月15日

为什么力学试样长这样?

李钰  

  小到桌面上的木质书架,大到国家体育场的鸟巢建筑,生活中的物体几乎都在承担着自己的“重任”。木质的小书架看起来“弱不禁风”,上面摆满书籍也不会倒塌,结构奇特的鸟巢看起来好像“瘦骨嶙峋”,却能承担惊人的重量。它们能承担多大的重量?这不仅取决于结构特点,也受到材料本身力学性能的影响。鸟巢建筑能够如此坚强,与使用了高强度钢作为建筑材料是分不开的,试想如果用塑料建造鸟巢,恐怕就没人敢爬到顶层了吧! 

  因此,为了能让每个结构发挥出理想的承载能力,必须要知道其材料有多“强”。材料的强度主要从抗拉、抗压、抗弯、抗扭等方面来判断,顾名思义,也就是材料抵抗拉伸、压缩、弯曲和扭转变形的能力。例如吊车的钢索要能抵抗拉伸,桥墩、桌子腿要能抵抗压缩,桥梁、屋梁要能抵抗弯曲,电机的转轴要能抵抗扭转。想得到这些性能参数,就要进行材料力学性能测试。而同一种材料在不同的应用场景中会有各种各样的形状,比如钢材可能被制成钢丝或圆棒,也可能加工成钢板或空心钢管;用材料做成的构件尺寸也有很大的跨度,小到一颗螺丝钉,大到房屋建筑中的钢架。如果直接取形状、尺寸不同的原材料进行力学测试,得到的结果放到另一种结构上可能就不适用了。因此,为了使测得的材料力学属性有普适性,国家标准中对力学试样的形状和尺寸都做了相关的规定,使测试数据能够广泛应用于各种结构设计。 

  以拉伸试验为例,看看国标中是怎么规定试样形状及尺寸的吧。我们做试验用的试样往往是从原材料或产品中取一部分加工制成的,《GB/T 228.1-2010 金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》规定,横截面恒定的材料可以不进行机加工,而不规则的试样则要机加工成标准形状再进行试验。为什么要保证横截面恒定呢?这主要是因为表征材料力学属性的一个重要参数是材料的强度,用力和面积的比值来表示,也就是应力,如果测试段的横截面积变化,就无法得到准确的强度了。试样的横截面有很多形状可以选择,如圆形、矩形等等,选用哪种自然是根据取样产品或铸件本身的形状和尺寸,毕竟从薄薄的板材里抠出一根圆截面试样也是有些难度的。 

  试样的加工中还有一个非常重要的部分,那就是试样的夹持端。一方面,夹持端的形状要适应力学试验机上的夹具,否则夹具无法夹牢试样。另一方面就是夹持端要与试验段保持足够的距离,机加工试样一般为狗骨形,也就是夹持端比中间试验段要大一些,这样不仅能让夹具更牢固地固定住试样两端,减小了滑动的可能性,也尽可能地回避了圣维南原理的影响。这里提到的圣维南原理,简单用一句话概括,就是载荷的具体分布只影响载荷作用区附近的应力分布。就好像甲拽着乙的手用力拉乙的胳膊,乙的胳膊不会有痛感,只是感觉有拉扯,但他的手却会非常疼。同样的,在拉伸试验中,夹具夹持部分的应力分布受影响较大,不能真实反映材料真正的受拉情况,离夹持处越远的地方,受力越稳定。因此,静态试验为了回避圣维南原理的影响,得到更准确的材料力学性能,试验段与夹持处要保持足够的距离。另外,夹持端与试验段的连接处一般通过光滑的圆弧过渡,而不是直角过渡,这样做是为了防止接口处应力集中发生断裂。 

  “沙漏形”试样与“狗骨形”试样长得非常像,它形似沙漏,截面面积从两侧向中心方向逐渐减小。这种形状的试样在疲劳试验中非常常见。很多构件在实际应用场景下的受载情况都不是简单的静态载荷,而是动态载荷。同一构件在动态载荷下发生失效的可能更大。比如一根铁丝,简单弯折一两次并不会发生断裂,但是反复弯折几十次就可能折断。疲劳试验就是测量材料在循环载荷下的强度,常用的试样形状有“狗骨形”和“沙漏形”。那他们两个有什么区别呢?“沙漏形”试样由于截面面积变化,它的试验有效区只是试样中间横截面积最小部位。而“狗骨形”试样有一定长度的等截面区,试验有效段更长。对于同一种材料,用这两种不同形状的试样测出来的疲劳强度是有差异的,一般来说“沙漏形”试样会比“狗骨形”更强。因为“沙漏形”只有中间面积最小部位应力最大,也就是最危险的;而“狗骨形”却有长长的一段高应力区,导致发生疲劳破坏的可能性更大。“沙漏形”试样一般只用于疲劳试验,而“狗骨形”试样既可以用于疲劳试验也可以用于拉伸试验。 

  在疲劳试验中,除了光滑的试样之外,还会见到一些看似“不完美”的试样。别小瞧这小小的缺口,千里之堤,溃于蚁穴,一个小小的缺口可能会导致整个结构的承载能力大大降低。在尖角、孔洞及缺口等处很容易发生应力集中现象,应力会比其他正常地方更高,所以更容易断裂。在实际使用中,由于加工工艺的缺陷以及后期环境的影响,材料难免会产生缺陷,因此,带缺陷的材料疲劳力学性能也需要进行测试。 

  试样不仅在形状上有各种讲究,其尺寸的选用也有规定。对于拉伸试样,为了尽量避免圣维南原理的影响,试验段要有足够的长度并且与两端夹持端保持距离;对于压缩试样,要做得“短而粗”,如果长细比过长,也就是“又瘦又高”,在压缩过程中会有较大的失稳风险,一不小心就会压弯甚至飞出去。除了试样的“身材比例”,其截面面积也要慎重选择。不同试验机的“力气”是不一样大的,如果想把一个试样拉断,必须要根据试验机的最大拉力和材料的拉伸强度估算一下最大能拉断的截面面积。如果试样截面超出这个估算的面积,那就算试验机使出浑身解数,我们可能也看不到试样断裂的样子。 

  提高结构的整体承载能力一直是行业追求的目标。为了实现这一目的,一方面是要研究多种多样的结构,另一方面就是使用力学性能更好的材料。力学性能试验是材料力学性能研究中不可或缺的重要手段,选取合适的试样形状和尺寸能让试验结果更加准确有效,因此,学习和了解试样形状和尺寸的选用是材料力学性能试验前的必修课。 

   

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