2020-03-31 06:35:34 佚名

扣板

物理是個鍋，什麼都可以往裡裝，但其實鋼鋸鋸斷鐵管屬於力學問題。這種類型的鋸斷，與鋼鋸的力學性能確實有很大的關係，但是另一個重要因素在於兩者的相對運動速度。請跟隨我的思路，一起了解下斷裂的神奇之處。

1、斷裂有哪幾種類型？

與人的直觀理解一樣，物體由於外力作用，而分成兩份或兩份以上，就是斷裂。根據不同的受力形式，學者們把裂紋分成三類，分別為張開型、錯開型和撕開型。世間所有的斷裂類型，無外乎這三種。鋼鋸鐵管的斷裂就是第二種，錯開型裂紋。

2、鋼鋸鐵管為什麼是錯開型斷裂？

上圖，我們可以清晰地看清楚裂紋面與外載的相互關係，對於錯開型裂紋，載荷的方向與裂紋面平行，裂紋的擴展方向與載荷的方向同向。在鋼鋸鐵管的過程中，鋸齒來回摩擦鐵管的表面，鐵管表面被磨損後，形成凹槽。如下圖所示。

圖中可見，鋸齒對鐵管的表層施加力的作用，鋸齒的三個面（底面和2個側面）與鐵管接觸，形成三個裂紋面。在這個載荷的作用下，表層的鐵隨著載荷方向運動，裂紋也同方向擴展，從而形成凹槽。由此可見，載荷方向與裂紋面平行，裂紋擴展方向與載荷方向同向，典型的錯開型斷裂。

3、不同的材料是如何影響斷裂的？

鋸條之所以能夠鋸開鐵管，最本質的因素在於鋸條的材料，它具有較高的表面硬度，從而耐磨性較好。它也具有較強的剛度，從而不容易發生變形。一般的鋼鋸，其材料為高速鋼，含碳量一般在0.7～1.65%，含鎢5.5～19%，600攝氏度下工作時，硬度能保持在HRC60以上，這表明其有較好的耐磨性。高速鋼的剛度依靠彈性模型衡量，其值約200GPa。實際上，鋸鐵的鋸條，其材料至少也得是同類的鐵。顯然，軟軟的橡膠材料，儘管有鋸齒存在，是無法有效鋸斷鐵管的。

4、鋸條的齒數對鋸斷性能有何影響？

生活常識告訴我們，對於容易鋸斷的材料，如木頭、塑料，可以選擇齒數較少的鋸條，而對於難鋸的硬材料，如鐵，則需要細齒鋸條。為什麼會出現這種情況呢？

這要從鋸齒的受力說起。仔細觀察鋸齒，每個齒都呈錯開排列，而非在同一個平面上，這樣可以充分發揮每個鋸齒的作用，不然躲在後面的鋸齒基本”無用“了。鋸條較薄，錯開的鋸齒就會容易繃斷。如果是齒數少的鋸條，其鋸齒的形狀也必然變大。錯開的鋸齒在鋸的過程中，存在側向的力，這對大齒很不利，會造成更大的力矩，從而蹦斷鋸齒。而難鋸的硬材料，這個側向力更大，所以必須用細齒。此外，而且細齒前進方向的力更小一些，方便操作。

4、鋸齒的速度是如何影響鋸斷效果的？

速度是影響鋸斷效果的另一個因素。用一個靜止的力和一個運動的力，同樣左右與另一個物體，其作用效果是完全不同的。鋸齒的運動提升了鋸齒材料的力學性能。

這裡面，有一個效應，力學上稱之為”應變率效應。就是說，動態的載荷下，材料會偏硬。學過材料力學的同學，都知道應力應變曲線基本上可以用來描述材料的力學性能。但是，通常的應力應變曲線都是準靜態載荷下得到的。如果加載的速度增加，那麼這根曲線就會被抬高，從而表現出硬而脆的特性。如上圖。

紙本來是非常弱的一種材料，但是把它做成圓形，裝到電鑽上後，高速運動的紙片，可以輕鬆地切斷木板，這就是速度的影響。

5、兩者相互作用，為何是鐵管被鋸斷，而不是鋸齒被磨掉？

看到這裡，可能有些同學要問了，如果是兩個一樣的材料，一個是鋸條，另一個是被鋸。力學性能完全一樣，並且是手鋸，加載速度也可忽略。按照前面的分析，應該是無法判斷誰被誰鋸斷。所以，前面少了一個鋸齒形狀的分析。

這其實就是集中力的作用。鋸齒齒尖尺寸小，作用於物體上後，物體就是受到集中力的作用，在這個集中力的作用下，作用點附近的應力急劇增大，很快超過了材料的承受極限，從而發生破壞。而對於鋸齒來講，儘管兩者的力是屬於作用力和反作用力，但是鋸齒這個尺寸來講，這個力就不屬於集中力了，是整個齒尖受力，其應力分佈很可能是齒根的應力更大。上圖是齒輪的受力，僅供參考。鋸齒的橫向力更大，因此根部的應力可能更大。