材料力學金屬在其他靜載荷下的力學性能

1、會計學1材料力學金屬在其他靜載荷下的力學性材料力學金屬在其他靜載荷下的力學性能能OABCDes (0.2)bp稱為彈性極限s稱為屈服應力0.2規(guī)定殘余應變的0.2%時的工程應力b稱為強度極限線性彈性變形非線性彈性變形加工硬化頸縮階段屈服初始試件彈性變形非線性彈性變形屈服平臺塑性變形斷裂4研究的目的：1）實際的服役工礦下，零部件除了受拉伸之外，還要受其他靜載荷的作用，如：壓縮、彎曲、扭轉以及還有帶缺口的零部件。則必須研究材料在其它載荷作用下的力學性能指標，作為設計和選材的依據(jù)。2）不同的加載方式在零部件中將產生不同的應力狀態(tài)，而金屬材料在不同的應力狀態(tài)下所表現(xiàn)出的力學行為將不一樣。3）金屬硬度實

2、驗方法在工業(yè)生產及科研中應用極為廣泛，其測試方法也屬于靜載壓入實驗。原因：切應力：引起金屬材料產生塑性變形以及韌性斷裂。正應力：引起金屬材料產生脆性斷裂。硬硬 度度扭扭 轉轉彎彎 曲曲壓壓 縮縮應力狀態(tài)軟性系數(shù)應力狀態(tài)軟性系數(shù)缺口試樣靜載荷試驗缺口試樣靜載荷試驗kmaxmaxk材料在受到載荷作用時(單向拉伸)，231 max最大切應力理論：)(321max最大正應變理論：泊松比產生切斷產生正斷在復雜的應力狀態(tài)下（用三個主應力表示成1、2、 3 ） 由上兩式可以看出，受力狀態(tài)不同，1 2 3 不同，max和max會變化，為了表示不同應力狀態(tài)對材料塑性變形的影響，特引入應力狀態(tài)軟性系數(shù) 。max1

3、3max1232() 2-1 應力狀態(tài)軟性系數(shù)25. 0鋼鐵材料取定義：在任何應力狀態(tài)下最大切應力與最大正應力的比值。應力狀態(tài)越軟，金屬易于產生塑性變形和韌性斷裂應力狀態(tài)越硬，金屬不易產生塑性變形，易于產生脆性斷裂注意：的絕對值僅用于比較不同試驗方法應力狀態(tài)的軟硬程度，不能用于定量的評價材料的塑性變形特征。72-1 應力狀態(tài)軟性系數(shù)8&思考：（1）預考查脆性材料的塑性，設計試驗時，應力狀態(tài)軟性系數(shù)取大還是取??？（2）預考查塑性材料的脆性，設計試驗時，應力狀態(tài)軟性系數(shù)取大還是取?。? 1 壓縮試驗的特點壓縮試驗的特點2壓縮可以視為反向拉伸，拉伸試驗時所定義的各個力學性能指標和相應的計算公

4、式，在壓縮試驗中基本上都能應用。1 1 壓縮試驗的特點壓縮試驗的特點2 2 壓縮實驗壓縮實驗壓縮試樣為圓柱體、立方體或棱柱體；試樣的高度和直徑比 應取2.5-3.5；試件的兩端面必須光滑平整，相互平行，并涂潤滑油或石墨粉進行潤滑； 2 2 壓縮實驗壓縮實驗通常在壓縮試驗機上測出壓力F和壓縮量h之間的關系，給出F-h曲線，稱為壓縮圖或壓縮曲線。v塑性材料與脆性材料的 壓縮曲線具有不同的特 點，見右圖。2 2 壓縮實驗壓縮實驗由壓縮曲線可確定壓縮強度指標和塑性指標。 v壓縮強度極限（抗壓強度）： v相對壓縮率：v相對斷面擴展率：其中， 為試件壓縮斷裂時的載荷； 和 為試件的原始高度和斷裂時的高度；

5、 和 為試件的原始截面積和斷裂時的截面積。0F /bcbcA%100)(00hhhKck%100)(00AAAKckFbc0h0h0AkA2 2 壓縮實驗壓縮實驗圓環(huán)試件；試件需保持圓整度；表面無傷痕且壁厚均勻。 壓環(huán)強度：壓環(huán)強度： 試件斷裂時1-1截面上的 最大拉應力 其中， 為試件壓斷時的載荷，D為壓環(huán)外徑，t為試件壁厚，L 為試件寬度。rp2 2 壓縮實驗壓縮實驗管試件；試件需保持圓整度；表面無傷痕且壁厚均勻。H=2D 象足膨脹z應力應力-應變特點：應變特點： 桿件截面上應力分布不均勻，呈線性分布規(guī)律，即：表面最大，中心為零。其整個橫截面上的應力為正應力。 MM中性層 O縱向對稱面zy

6、1 1 彎曲實驗的特點彎曲實驗的特點彎曲實驗不受試樣偏斜的影響，可以穩(wěn)定地測定脆不受試樣偏斜的影響，可以穩(wěn)定地測定脆性材料和低塑性材料的抗彎強度性材料和低塑性材料的抗彎強度，并能由撓度明顯地顯示脆性和低塑性材料的塑性。如鑄鐵、工具鋼、陶瓷等。彎曲實驗不能使塑性很好的材料破壞，不能測定其不能使塑性很好的材料破壞，不能測定其斷裂彎曲強度斷裂彎曲強度，但可以比較一定彎曲條件下不同材料的塑性。彎曲實驗時試樣斷面上的應力分布是不均勻的，表表面應力最大面應力最大，依此可以較靈敏地反映材料的表面缺可以較靈敏地反映材料的表面缺陷陷，以檢查材料的表面質量。2 2 彎曲試驗彎曲試驗2 2 彎曲試驗彎曲試驗彎曲試件

7、：矩形截面、圓形截面彎曲試件的最大撓度 表示材料的變形性能加載方式：三點彎曲、四點彎曲maxf2 2 彎曲試驗彎曲試驗v彎曲圖通過彎曲實驗記錄彎曲載荷和最大撓度之間的曲線。v測定斷裂時的抗彎強度 ： 式中： 斷裂載荷 下的最大彎矩。對三點彎曲實驗， ；對四點彎曲實驗， W試樣的彎曲截面系數(shù)另：可通過最大撓度比較不同材料的塑性。 /bbbM WbMbF/4bbMF L/2bbMF k2 2 彎曲試驗彎曲試驗2 2 彎曲試驗彎曲試驗彎曲試驗的應用彎曲試驗的應用（1）灰鑄鐵抗彎強度的測定 采用鑄態(tài)毛坯圓柱試樣，加載速度小于0.1mm/s。（2）測定硬質合金的抗彎強度 采用方形或矩形截面的小尺寸試件，

8、常用規(guī)格：5mm 5mm 30mm，跨距24mm（3）陶瓷材料抗彎強度測定 采用方形或矩形截面的試件。 注意：同一材料多次測量求平均值1 1 應力應力- -應變分析應變分析（1）彈性變形階段，橫截面上各點切應力大小與該點距中心。與試樣軸線成45度角的兩個斜截面上承受最大拉應力。（2）表面產生塑性變形后，各點切應力仍與距中心的距離成正比，但切應力水平卻因塑性變形而降低。2 2 扭轉試驗特點扭轉試驗特點1. 應力狀態(tài)的軟性系數(shù) ?？蔀槔鞂嶒灂r表現(xiàn)為脆性的材料測定有關塑性變形的抗力指標。 2. 圓柱形試樣扭轉實驗時，整個長度上始終是均勻的塑性變形，不產生頸縮現(xiàn)象。故此，可精確評定拉伸實驗時出現(xiàn)頸縮

9、的高塑性金屬材料的變形能力與抗力指標。 3. 扭轉實驗是測定材料切斷抗力的最可靠的方法（因實驗時正應力正應力切應力切應力）。 4. 扭轉實驗可明確區(qū)分金屬材料的最終斷裂方式：正斷與切斷，這是其他試驗方式不能比的。 5. 扭轉實驗可以靈敏地反映材料的表面缺陷。0.83 3 扭轉試驗扭轉試驗v切變模量：切變模量：v扭轉屈服點：扭轉屈服點：v抗扭強度：抗扭強度：式中：式中：W試樣截面系數(shù)，對于圓柱試樣試樣截面系數(shù)，對于圓柱試樣v扭轉實驗一般常用圓柱試樣在扭轉試驗機上進行。扭轉實驗一般常用圓柱試樣在扭轉試驗機上進行。v根據(jù)每一時刻加于試樣上的扭矩根據(jù)每一時刻加于試樣上的扭矩 T和扭轉角和扭轉角 繪制成

10、的繪制成的T-曲線曲線 稱稱扭轉圖扭轉圖。 3 3 扭轉試驗扭轉試驗04032 TLGd /ssTW/bbTW扭轉試樣的斷口形態(tài)扭轉試樣的斷口形態(tài) 對塑性材料和脆性材料來說，都可在扭轉載荷下發(fā)生斷裂，其斷裂方式有以下幾種：v切斷斷口：是切應力作用下的切斷，斷口平整、垂直于試樣的軸向，斷面上有回旋狀的塑變痕跡。v正斷斷口：是正應力作用下的正斷，斷面與試樣軸線約成 角，斷口呈螺旋狀或斜劈形狀。v混合斷口：一般是由于鍛造或軋制過程中使非金屬夾雜物或偏析物沿軸向分布，降低了軸向切斷抗力，形成縱向和橫向組合的斷口，呈層狀。 45縱臂被左右起縱臂被左右起伏的路面產生伏的路面產生的扭力扭斷。的扭力扭斷。今年

11、以來，有關大眾速騰后懸掛斷裂的車主投訴不絕于耳，在多家媒體的持續(xù)關注下，一汽大眾終于做出妥協(xié)于10月下旬宣布自2015年2月2日起在中國召回裝配了耦合桿式后懸架的563605輛新速騰并安裝金屬襯板。由于缺口的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的應力狀態(tài)將發(fā)生變化，產生“缺口效應”。 拉伸、壓縮、彎曲、扭轉等靜載荷試驗方法，都是采用橫截面均勻的光滑試樣。但在實際生產中的機件，截面上往往存在截面的急劇變化，如鍵槽、油孔、螺紋及焊縫等，這種截面變化的部位可稱為“缺口”。35maxtK應力集中系數(shù)（一）缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應力分布（薄板） 在拉應力的作用下，缺口的存在使橫截面上的應力分布不均勻：l 軸

12、向應力y分布：y在缺口根部最大，隨著距離x ，y ，所以在缺口根部產生了應力集中的現(xiàn)象。l 橫向應力x分布：缺口根部可自由變形，x=0，遠離x軸，變形阻力增大， x，達到一定距離后，由于y導致x 。36 與薄板相比， 厚板在垂直于板厚方向的收縮變形受到約束，即：01()()zzzxyzxyyzxE （一）缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應力分布（厚板）37屈雷斯加的屈服條件為屈雷斯加的屈服條件為: : 所以，當缺口尖端出現(xiàn)塑性變形后，最大應力已不在缺口根部，而在所以，當缺口尖端出現(xiàn)塑性變形后，最大應力已不在缺口根部，而在其塑性變形與彈性變形的交界處其塑性變形與彈性變形的交界處r ry y，該處，該處 y

13、 y最大，所以最大，所以 x x 、 z z也最大。也最大。s = max = y- x在缺口根部在缺口根部 x= 0,0,所以所以max= y= s 遠離缺口根部由于遠離缺口根部由于 x的存在的存在, , max= y - x = s；y = s + x 如果滿足這一條件，屈服將由表面向心部如果滿足這一條件，屈服將由表面向心部擴展。擴展。 z = v(y + x) 并且，隨塑性變形區(qū)尺寸的增加，其最大應力處也將向心部移動，但并且，隨塑性變形區(qū)尺寸的增加，其最大應力處也將向心部移動，但始終在其塑性變形與彈性變形的交界處，以及最大應力值也將增加。始終在其塑性變形與彈性變形的交界處，以及最大應力值

14、也將增加。2-5 2-5 缺口試樣靜載荷試驗缺口試樣靜載荷試驗（一）缺口試樣在塑性狀態(tài)下的應力分布（厚板）39（二）缺口強化2-5 2-5 缺口試樣靜載荷試驗缺口試樣靜載荷試驗（三）缺口試樣靜拉伸實驗通常用缺口強度比作為衡量靜拉伸下缺口敏感度指標： NSR=bn/bNSR屬安全力學性能指標。NSR越大缺口敏感度越小，對于脆性材料如鑄鐵，高碳鋼，其NSR2，幾乎所有的材料都能產生塑性變形。 刻劃法：莫氏硬度。表征材料對切斷的抗力。 回跳法：肖氏硬度。表征金屬彈性變形功的大小。 同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一材料進行標定。刻劃法判斷材料的硬度。世界最大雕琢后的鉆石530ct彈性

15、回跳法判斷材料的硬度。肖氏硬度計適用于測定黑色金屬和有色金屬的肖氏硬度值。用于測定橡膠、塑料、金屬材料等的硬度。在橡膠、塑料行業(yè)中常稱作邵氏硬度。里氏硬度計里氏硬度計采用一定大小的載荷F，把直徑為D的鋼球或硬質合金球壓入被測金屬表面，保持一定時間卸載，然后計算出金屬表面壓痕陷入面積S上的名義平均應力值，記為布氏硬度。符號為HBS（鋼球）或HBW（硬質合金球）。一、布氏硬度一、布氏硬度v可見：在F和D一定時，h大則說明材料的變形抗力低，硬度值小；反之，h小則說明材料變形抗力高，硬度值大。v直觀上，測量壓痕表面圓的直徑d要比測壓痕深度h更方便。由D、d、h三者之間的幾何關系可得： 因此，在一定的F

16、和D下，布氏硬度值只與壓痕直徑d有關。 221/ 22()FHBSHBWD DDd或/HBSHBWF SFDh或2-5 材料的硬度材料的硬度一、布氏硬度一、布氏硬度)2sin11 (2HBW2DFHBS 或2/F D2-5 材料的硬度材料的硬度一、布氏硬度一、布氏硬度問題：選擇多大的 ？v 大，那么壓痕深；否則，壓痕淺。v 對于布氏硬度測量，希望硬度不要太深，也不要太淺。因此對硬的材料， 大一些，對軟的材料， 小一些。v 試驗表明，壓痕太深、太淺測量結果穩(wěn)定性都不好，大量試驗表明，在下面的試驗條件下，測量結果最為穩(wěn)定：v 當2DF2DF2DF2DFODdD6029, 5 . 0sin25. 0

17、,5 . 025. 0O即即時，測試效果最好。O5 .442-5 材料的硬度材料的硬度一、布氏硬度一、布氏硬度v載荷、壓頭直徑、保持時間是布氏硬度試驗三要素。v150HBS10/1000/30表示：硬度150，S表示采用淬火鋼球；10表示壓頭直徑10mm，1000表示載荷為1000Kg，30表示載荷保持時間為30sv200HBW10/3000/10表示：硬度200，硬質合金鋼球；壓頭直徑10mm，載荷3000Kg，載荷保持時間10s。2-5 材料的硬度材料的硬度一、布氏硬度一、布氏硬度優(yōu)點：v壓痕面積大，反映較大范圍內材料的硬度性能v試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性好，應用廣泛v適用于晶粒粗大、相組成復雜

18、、相尺寸較大的材料缺點：v為保證數(shù)據(jù)可靠，需根據(jù)材料的種類和試樣的厚薄更換壓頭。d=0.240.6D，h小于1/8厚度。v屬有損檢測，壓痕較大，不能在成品表面進行檢測v試驗操作和壓痕測量費時，工作效率低，不能連續(xù)檢測，在大批量生產檢驗時不宜使用一、布氏硬度一、布氏硬度誤差小于8%1200F1F01FFF2-5 材料的硬度材料的硬度二、洛氏硬度二、洛氏硬度0.002khHR2-5 材料的硬度材料的硬度不同壓頭和施加不同的總壓力，組成不同的洛氏硬度標尺。常用A、B和C三種標尺，C標尺最普遍。用這三種標尺的硬度記為HRA、HRB和HRC。61缺點: 1）不同標尺的洛氏硬度值無法相互比較。 2）由于壓

19、痕小，所以洛氏硬度對材料組織不均勻性很敏感，測試結果比較分散，重復性差. 3）試驗力較大，不能用來測定極薄試樣、滲氮層及金屬鍍層。洛氏硬度的表示方法洛氏硬度的表示方法: : 60HRC60HRC62001. 0ekHR 1)載荷小。預載荷為3kgf(29.42N)，總載荷分別為15kgf，30kgf和45kgf(441.3N)。 2)計算公式為： 3)表示方法：硬度值HR表面硬度標尺符號 與洛氏硬度試驗的主要不同點： 如：70HR30N。表示用294.2N(30公斤)的總載荷、金剛石圓錐壓頭測得的表面洛氏硬度值為70。64洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕三、維氏硬度三、維氏硬度則相應的維氏硬度值為：式中：d壓痕對角線的長度，mm。注意：此式中F的單位為kgf。 22/2sin68/1.8544Sdd22/1.8544 /(/)HVF SF d kgf mm 根據(jù)材料種類、硬度選擇合適的載荷載荷、保壓時間。保壓時間。 測試壓痕對角線直徑。 計算維氏硬度。注意壓痕形狀需要在下圖a中為最佳維氏硬度測試方法維氏硬度測試方法2-5 材料的硬度材料的硬度操作不如洛氏硬度簡便，不適宜成批生產的質操作不如洛氏硬度簡便，不適宜成批生產的質量檢驗。量檢驗。2-5 材料的硬度材料的硬度顯微維氏硬度顯微維氏硬度2-5 材料的硬度材料的硬度熱軋后表面的脫碳層按GB/T3077