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灰口鑄鐵是一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、用途廣泛的金屬材料，灰口鑄鐵是由碳鋼的基體和片狀石墨夾雜物共同組成。在灰口鑄鐵中，由于碳元素是以片狀石墨的形態(tài)存在，所以材料的抗拉強(qiáng)度較低，但抗壓強(qiáng)度和硬度卻很高，與同類基體的碳鋼接近灰口鑄鐵的缺口敏感性較低，疲勞極限不會(huì)因表面的外加缺口有明顯降低，具有很好的消震性，這是任何鋼材都不能比擬的，對(duì)于提高機(jī)床精度、減少噪音，延長(zhǎng)受震零件壽命都很有好處，同時(shí)還具有良好的耐磨性鑄造加工性和切削加工性因此在機(jī)器制造中廣泛應(yīng)用。在分析灰口鑄鐵受壓構(gòu)件的有限元分析時(shí)，一般都將其簡(jiǎn)為桿件，并認(rèn)為這類桿件受軸向壓力時(shí)，其破壞斷面與桿件橫截面大致成45左右的傾角。其原因是此時(shí)橫截面上的最大工作正應(yīng)力為e而在任意斜截面上的正應(yīng)力eT和剪應(yīng)力，在斜截面上剪應(yīng)力最大，其值為e/2正是此最大剪應(yīng)力使桿件沿其作用面發(fā)生了破壞-剪斷。若設(shè)材料的許用剪應(yīng)力，則其強(qiáng)度條件為上述強(qiáng)度條件在灰口鑄鐵受壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)和計(jì)算問(wèn)題中廣泛應(yīng)用。但大量工程實(shí)例表明，這一強(qiáng)度條件較為粗糙、且過(guò)份偏于安全，使制造出來(lái)的零部件尺寸偏大，既占用過(guò)多空間又浪費(fèi)材料為使設(shè)計(jì)的機(jī)器部件實(shí)用、美觀經(jīng)濟(jì)，有必要進(jìn)一步研究受壓灰口鑄鐵構(gòu)件的強(qiáng)度分析。
為了確定灰口鑄鐵試件受軸向壓力破壞時(shí)，其破壞斷面與試件橫截面夾角T的值，在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)108個(gè)徑長(zhǎng)比為115的灰口鑄鐵小圓柱試件進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)中徑長(zhǎng)比取得較小，以盡可能消除壓彎變形造成的影響。對(duì)試件上、下端部進(jìn)行了研磨平整，以消除傾斜變形的影響；在試件上、下端部與試驗(yàn)機(jī)砧塊間采用了潤(rùn)滑劑，以減少摩擦力的影響；在部分試件的中段加套了10mm高的松配合鋼套，以減少膨脹變形的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表可見(jiàn)，破壞斷面與橫截面夾角T為4C45左右的試件個(gè)數(shù)所占比例很小，T為5C55左右的試件個(gè)數(shù)所占比例很大，為889%。排除各種非理想隨機(jī)因素以及上面提到的諸因素的影響，從實(shí)驗(yàn)力學(xué)的統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)看，可得如下結(jié)論：灰口鑄鐵試件受軸向壓力破壞時(shí)，其破壞斷面與試件橫截面的夾角T一般為5C55左右。
目前工程上普遍認(rèn)定的T應(yīng)為4C45左右的結(jié)論，與上述試驗(yàn)所得的T為5C55左右的結(jié)果存在很大差異，其原因在于目前所沿用的理論分析方法只考慮了破壞斷面上的全應(yīng)力PT的切向分量，而對(duì)法向分量eT的作用則未予考慮。圖為試件任意斜截面上的應(yīng)力分析，設(shè)軸向壓力為P，橫截面上的正應(yīng)力為e材料的內(nèi)摩擦角為b，則任意斜截面上所示的正應(yīng)力eT和剪應(yīng)力，e和h均為常數(shù)，總剪應(yīng)力f僅為斜截面傾角T的函數(shù)，故破壞可能發(fā)生在能使f取得最大值的T斜截面上為此，將式對(duì)Z取導(dǎo)數(shù)并令其等于零，即得破壞斷面與橫截面的夾角T為可見(jiàn)，當(dāng)桿件受軸向壓力時(shí)，如果計(jì)入內(nèi)摩擦力的影響，其最大剪應(yīng)力并非發(fā)生在4045的斜截面上，而是發(fā)生在毛45+h/2的斜截面上。
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