铸铁单向压缩破坏的最大剪应力理论之否定

　　铸铁压缩是材料力学的常规实验，破裂断面与加压轴线构成朽“交角.就是这个习以为常的问题，多年来困扰着我，百思不解，最近才悟出一点新意，并通过薄壁铸铁管压缩实验，得到验证.

　　一、从强度理论本身粉最大剪应力理论之误

　　几乎所有的材料力学书，目前还是认为铸铁压缩破裂是剪应力过大所致，即最大剪应力强度理论.广义言之，破坏主要有两种形式，一种是断裂破坏，另一种屈服或显著塑性变形，简称屈服破坏.从古典强度理论看，最大拉应力理论，最大拉应变理论(笔者认为首先应否定的是该理论)，是适用脆性材料的，是断裂破坏的判据.而最大剪应力理论，形状改变比能等是适用塑性材料的，是屈服破坏的判据.这是材料力学书所公认的，同时也公认铸铁是脆性材料(在通常的条件下，如常温，非三向等压).因此，用适用于塑性材料的最大剪应力理论来解释脆性材料的断裂破坏是牛头不对马嘴。

　　二、岩石压组破坏之启示

　　岩石压缩实验破裂成两个锥形体，锥面和轴线约成朽“交角.因此，较早的材料力学书上认为岩石压缩破坏是最大剪应力所致.后来在实验中发现，形成锥形体是由于加压力的端面有较大的摩擦力.因此，岩石压缩实验不是单向受力状态，压应力也不是均匀分布的，但定性地可在才点取单元体(图1).由此可见，裂面不是最大剪应力作用面，而是最大拉应力作用面.如果减少加压端面的摩擦力，试件将沿轴线方向断裂(图2).因此，较新的材料力学书已接受岩石压缩破坏并非最大剪应力所致的观点.

　　三、实验的挂折

　　岩石压缩破裂‘冤案”的初步平反，大大鼓舞着铸铁的压缩破裂.我们设想，如克服端面摩擦力，铸铁压缩破裂也会出现图2所示的轴向裂缝.于是我们作了四组对比实验，每组实验至少有两个试件.试件为20*30mm2，圆柱体，60t材料试验机加压.

　　i组:上、下端面垫低炭钢块，在加压的同时用游标卡尺测上部(离端部约5mm)，中部的直径变化.当压力较大时，试件端部压人垫块内，端部限制向外位移的约束最大，鼓形也最严重.

　　ii组:上端直接用试验机压头加压，下压头有刻槽，因此垫校硬的袍刀片.这样试件不会压入垫片内，改善了约束条件.

　　iii组:上、下端面垫和试件直径相同的紫铜片，进一步改善约束条件，减小了端面摩擦力.

　　iv组:上、下端面垫摩擦系数特小的聚四氟乙烯薄片，基本仁克服了端面摩擦力.

　　实验记录列于上页表，随着端面条件的改变，上、中部直径的绝对伸长△d的差别逐渐减小，即鼓形逐渐消失，说明端面摩擦力逐渐减小，乃至基本消除.1组破裂面和轴线夹角——破裂角约33-35，ii组约30，有减小趋势;iii组未测，按预计;iv组的破裂角应很小，甚至为零，但实验结果却出现意外，破裂角反而增大.至此，铸铁压缩实验再次失败.

　　四、成功之希扭

　　我们继续重复iv组实验，认真分析破裂角增大原因.后来发现，由于端面摩擦减小，在载荷较大时，由于两端面不平行，也或许沿和轴线斜交45的面上有滑移(屈服)，试件很快歪斜，若此时及时卸载，可观察到中部有斜裂缝而整体　尚完好的歪斜试件(图3).歪 大到惊人的程度.试件中部的应力状态类似于图l端部的应力状态，除压应力外，还有比端面摩擦还大的剪应力.因此，加压过程中，试件歪斜是破裂角增大的原因，实际上，通常的铸铁压缩实验(端面有摩擦)，也多数发生程度不同的歪斜，因此很小出现料交的两组裂缝，而往在只有一个裂面.

　　既要克服端面摩擦力，又要防止加压过程中试件歪斜.我们用铸铁薄壁简作试件，虽不能消除端面摩擦力，但由于薄壁，摩族力影响不大.如果最大剪应力理论成立，则在回柱面上，出现和母线斜交的裂缝，如果出现沿母线方向的裂缝，则最大剪应力理论被否定.如果受端面摩擦力影响，则靠近端部出现沿厚度方向的斜裂缝，如图4所示。

　　试件尺寸:高石h=.80mm，外径d=，壁厚t=1.5-2mm。共四个试件，系下水道铸铁管车制而成.有两个试件(一个是上半部，一个是下半部)部分裂成碎片，残留部分仍为回筒，其中有两条3cm左右的轴向裂缝，碎片为数十平方毫米的矩形碎片，周边和轴线平行或正交(由于爆裂突然发生，碎片飞得很远，实验应注意安全)，只有个别碎片局边和轴线斜交，如图5所示.有一个试件端面垫有聚四氟乙烯薄片，在加压时聚四氯乙烯在外挤出(有朝外的摩擦力)因此，上端面靠外侧首先形成一个破裂圈，破裂圈截面近似于等腰直角三角形，继续加压(聚四氟乙烯全部挤走，不再起作用)，端部内侧一圈也破裂，再加压上半部裂成碎片.

　　余下的两个试件，在加压指针略有后退时，马上卸载，两个试件都完整保存下来，试件的上部(离端面数毫米)，在圆周的1/5左右范围内，有六、七条长10一15mm的轴向裂缝，除个别已穿透外，多数只在外部见到.有裂缝处出现外凸(象失稳)，无裂缝外依然平整，如图6所示.(此外还做过陶瓷厚壁圆管的压缩实验，也全是轴向裂缝).

　　五、结论

　　铸铁和岩石一样，如果宾正实现单向压缩，则试件将沿加压的轴向裂开，因此引起铸铁压缩破坏的原因不是最大剪应力.引起脆性材料压缩破坏的真正原因是什么呢?这就是被现有宏观理论所否定的最大拉应力.