圆柱样品扭转过载断裂断口分析

2.1 节中论述了圆柱样品在纯扭转情况下的应力状态。最大正应力与轴线成45°，最大切应力与轴成90°，最大切应力与最大正应力比值为0.8。因为这个比值高于拉伸载荷下最大切应力与最大正应力比值0.5，所以更容易在切应力作用下断裂。

与拉伸断口有类似之处，由于材料性能不同可以分成韧性断裂与脆性断裂，即断裂面与试样轴线可以成45°与90°两种角度，实质上反映出不同材料有不同的正断抗力与切断抗力的大小。

韧性扭转断裂：断口与轴线成90°。图2-34 是Al-4%Cu 合金样品扭转断裂断口照片。众所周知，该合金有良好的韧性，实质上材料的屈服强度与切断抗力均很低，所以在外载荷引起的切应力作用下发生韧性断裂。因为最大剪应力与轴线垂直，导致断口与轴线垂直，断口常表现出“漩涡”状。

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图2-34　铝合金样品扭转断裂断口照片

由于扭转载荷下断口往往非常平滑，宏观上难以观察到明显的辐射线。在共聚焦显微镜下可以观察到断口上变形条纹，这些条纹均呈现沿着圆柱体成圆弧状形态，即所谓的“漩涡状”。根据扭转载荷样品的受力状态不难分析，裂纹源应该在圆柱表面。扭转载荷下圆柱样品沿周向切应力最大，所以当裂纹在表面形成后沿圆周方向扩展，当最外层形成圆周裂纹后，在次外层又形成裂纹逐步向圆心扩展，裂纹扩展留下的痕迹成为圆弧状形态，这就是“漩涡状”痕迹的来源。因此，断口上的“漩涡状”形貌就表明裂纹源在表面。

脆性扭转断裂：断口与轴线成45°。脆性材料正断抗力非常低，且低于切断抗力，在最大拉应力作用下断裂。承受扭转载荷的轴件，由于最大拉应力在与轴线成45°的平面上，所以断口平面与轴线成 45°。铸铁材料属于脆性材料，在扭转载荷作用下断裂，其断口一般与轴线成 45°，而拉伸载荷作用下断裂断口与轴线垂直。因此，可以根据扭转断口特点判断材料断裂方式，进一步推断材料的正断抗力与切断抗力的相对大小值。