2020-03-31 06:35:34 佚名

扣板

物理是个锅，什么都可以往里装，但其实钢锯锯断铁管属于力学问题。这种类型的锯断，与钢锯的力学性能确实有很大的关系，但是另一个重要因素在于两者的相对运动速度。请跟随我的思路，一起了解下断裂的神奇之处。

1、断裂有哪几种类型？

与人的直观理解一样，物体由于外力作用，而分成两份或两份以上，就是断裂。根据不同的受力形式，学者们把裂纹分成三类，分别为张开型、错开型和撕开型。世间所有的断裂类型，无外乎这三种。钢锯铁管的断裂就是第二种，错开型裂纹。

2、钢锯铁管为什么是错开型断裂？

上图，我们可以清晰地看清楚裂纹面与外载的相互关系，对于错开型裂纹，载荷的方向与裂纹面平行，裂纹的扩展方向与载荷的方向同向。在钢锯铁管的过程中，锯齿来回摩擦铁管的表面，铁管表面被磨损后，形成凹槽。如下图所示。

图中可见，锯齿对铁管的表层施加力的作用，锯齿的三个面（底面和2个侧面）与铁管接触，形成三个裂纹面。在这个载荷的作用下，表层的铁随着载荷方向运动，裂纹也同方向扩展，从而形成凹槽。由此可见，载荷方向与裂纹面平行，裂纹扩展方向与载荷方向同向，典型的错开型断裂。

3、不同的材料是如何影响断裂的？

锯条之所以能够锯开铁管，最本质的因素在于锯条的材料，它具有较高的表面硬度，从而耐磨性较好。它也具有较强的刚度，从而不容易发生变形。一般的钢锯，其材料为高速钢，含碳量一般在0.7～1.65%，含钨5.5～19%，600摄氏度下工作时，硬度能保持在HRC60以上，这表明其有较好的耐磨性。高速钢的刚度依靠弹性模型衡量，其值约200GPa。实际上，锯铁的锯条，其材料至少也得是同类的铁。显然，软软的橡胶材料，尽管有锯齿存在，是无法有效锯断铁管的。

4、锯条的齿数对锯断性能有何影响？

生活常识告诉我们，对于容易锯断的材料，如木头、塑料，可以选择齿数较少的锯条，而对于难锯的硬材料，如铁，则需要细齿锯条。为什么会出现这种情况呢？

这要从锯齿的受力说起。仔细观察锯齿，每个齿都呈错开排列，而非在同一个平面上，这样可以充分发挥每个锯齿的作用，不然躲在后面的锯齿基本”无用“了。锯条较薄，错开的锯齿就会容易绷断。如果是齿数少的锯条，其锯齿的形状也必然变大。错开的锯齿在锯的过程中，存在侧向的力，这对大齿很不利，会造成更大的力矩，从而蹦断锯齿。而难锯的硬材料，这个侧向力更大，所以必须用细齿。此外，而且细齿前进方向的力更小一些，方便操作。

4、锯齿的速度是如何影响锯断效果的？

速度是影响锯断效果的另一个因素。用一个静止的力和一个运动的力，同样左右与另一个物体，其作用效果是完全不同的。锯齿的运动提升了锯齿材料的力学性能。

这里面，有一个效应，力学上称之为”应变率效应。就是说，动态的载荷下，材料会偏硬。学过材料力学的同学，都知道应力应变曲线基本上可以用来描述材料的力学性能。但是，通常的应力应变曲线都是准静态载荷下得到的。如果加载的速度增加，那么这根曲线就会被抬高，从而表现出硬而脆的特性。如上图。

纸本来是非常弱的一种材料，但是把它做成圆形，装到电钻上后，高速运动的纸片，可以轻松地切断木板，这就是速度的影响。

5、两者相互作用，为何是铁管被锯断，而不是锯齿被磨掉？

看到这里，可能有些同学要问了，如果是两个一样的材料，一个是锯条，另一个是被锯。力学性能完全一样，并且是手锯，加载速度也可忽略。按照前面的分析，应该是无法判断谁被谁锯断。所以，前面少了一个锯齿形状的分析。

这其实就是集中力的作用。锯齿齿尖尺寸小，作用于物体上后，物体就是受到集中力的作用，在这个集中力的作用下，作用点附近的应力急剧增大，很快超过了材料的承受极限，从而发生破坏。而对于锯齿来讲，尽管两者的力是属于作用力和反作用力，但是锯齿这个尺寸来讲，这个力就不属于集中力了，是整个齿尖受力，其应力分布很可能是齿根的应力更大。上图是齿轮的受力，仅供参考。锯齿的横向力更大，因此根部的应力可能更大。