材料性能學(xué)：3-金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能

1、第二章 金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能 引言 2.1 應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 2.2 壓縮 2.3 彎曲 2.4 扭轉(zhuǎn) 2.5 硬度 2.6 帶缺口試樣靜載荷試驗(yàn)1引言 主要指： 壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、硬度和帶缺口試樣力學(xué)性能。 原因： 零部件在使用過程中將承受不同類型的外應(yīng)力；零件內(nèi)部存在不同的應(yīng)力狀態(tài)。22.1 應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 材料的塑性或脆性并非絕對(duì)，為了表示外應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料塑性變形的影響，特引入應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 的概念。 以方便選擇檢測(cè)方法。 例如：鑄鐵 壓韌，拉脆31、應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 定義為： 式中 最大切應(yīng)力max按第三強(qiáng)度理論計(jì)算，即 max=1/2(1-3)， 1，3分別為最大和最小主應(yīng)

2、力。 最大正應(yīng)力Smax按第二強(qiáng)度理論計(jì)算，即, 泊松系數(shù)。4 單向拉伸 =1/2 扭轉(zhuǎn) =1/（1+）0.8 單向壓縮 =1/（2） 2 應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)表示材料塑性變形的難易程度。 越大表示在該應(yīng)力狀態(tài)下切應(yīng)力分量越大，材料就越易塑性變形。 把 值較大的稱做軟的應(yīng)力狀態(tài)， 值較小的稱做硬的應(yīng)力狀態(tài)。562、力學(xué)狀態(tài)圖 力學(xué)狀態(tài)圖以第二強(qiáng)度理論和第三強(qiáng)度理論兩者的聯(lián)合為基礎(chǔ)，縱坐標(biāo)為按第三強(qiáng)度理論計(jì)算最大切應(yīng)力，橫坐標(biāo)為按第二強(qiáng)度理論計(jì)算最大正應(yīng)力。 自原點(diǎn)作不同斜率的直線，可代表應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)， 這些直線的位置反映了應(yīng)力狀態(tài)對(duì)斷裂的影響。 72.2 壓縮的力學(xué)性能一、單向壓縮 單向壓縮時(shí)應(yīng)力狀態(tài)

3、的柔度系數(shù)大，故用于測(cè)定脆性材料，如鑄鐵、軸承合金、水泥和磚石等的力學(xué)性能。由于壓縮時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)較軟，故在拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲試驗(yàn)時(shí)不能顯示的力學(xué)行為，而在壓縮時(shí)有可能獲得。壓縮可以看作是反向拉伸。因此，拉伸試驗(yàn)時(shí)所定義的各個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)和相應(yīng)的計(jì)算公式，在壓縮試驗(yàn)中基本上都能應(yīng)用。8二、材料壓縮的特點(diǎn)及應(yīng)用 應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)=2，即應(yīng)力狀態(tài)軟，材料易產(chǎn)生塑性變形。 軟鋼 易壓縮成腰鼓狀、扁餅狀。 鑄鐵 拉伸時(shí)斷口為正斷；壓縮時(shí)沿45o方向切斷。 塑性變形小的材料，或者使用工況為壓縮狀的材料，應(yīng)采用壓縮實(shí)驗(yàn)。 主要用于脆性材料，如：陶瓷、磚等9三、壓縮實(shí)驗(yàn) 曲線與拉伸曲線的形式相同， 力學(xué)性能指標(biāo)：b

4、c，0.01，0.2，E，bc 等10 為了減小試樣在壓縮過程呈腰鼓狀的趨勢(shì)，試樣的兩端需加工成具有角度的凹園錐面，以便使試樣能均勻變形。11壓縮載荷變形曲線,1-塑性材料，2-脆性材料常用的壓縮試件為圓柱體。試件的高度和直徑之比A0d0應(yīng)取1.5-2.0。d0h012根據(jù)壓縮曲線，可以求出壓縮強(qiáng)度和塑性指標(biāo)。對(duì)于低塑性和脆性材料，一般只測(cè)抗壓強(qiáng)度bc，相對(duì)壓縮ck和相對(duì)斷面擴(kuò)脹率ck?？箟簭?qiáng)度bc bc=Pbc/A0 相對(duì)壓縮比ck ck=(h0-hk)/h0100 相對(duì)斷面擴(kuò)脹率ck ck=(Ak-A0)/A0100式中Pbc為試件壓縮斷裂時(shí)的載荷;h0和hk分別為試件的原始高度和斷裂時(shí)的

5、高度；A0和Ak分別為試件的原始截面積和斷裂時(shí)的截面積。132.3 彎曲的力學(xué)性能一、彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用 彎曲試驗(yàn)常用于測(cè)定脆性材料的力學(xué)性能。 （1）正應(yīng)力 上表面為壓應(yīng)力，下表面為拉應(yīng)力； （2）表面應(yīng)力最大，中心的為零； （3）力點(diǎn)處的作用力最大； （4）對(duì)試樣的要求比拉伸時(shí)的寬松。鑄鐵、工具鋼、表面滲碳鋼，常作彎曲試驗(yàn)。 測(cè)定難以加工成拉伸試樣的脆性材料 評(píng)定材料的表面質(zhì)量1415二、彎曲試驗(yàn) （1）抗彎強(qiáng)度 或pc0.01、pc0.2 M為最大彎矩彎矩，W為抗彎截面系數(shù)。16通常用彎曲試件的最大撓度fmax表征材料的變形性能。試驗(yàn)時(shí)，在試件跨距的中心測(cè)定撓度，繪成P-fmax關(guān)系曲

6、線，稱為彎曲圖。下圖表示三種不同材料的彎曲圖。典型的彎曲圖（a）塑性材料（b）中等塑性材料（c）脆性材料abc17 三點(diǎn)彎曲 彎矩 M=PL/4 直徑為d的圓形試樣,抗彎截面系數(shù) W=（d3）/32 對(duì)于寬度為b，高為h的矩形試樣，抗彎截面系數(shù) W=bh2/6 ； 四點(diǎn)彎曲 M=PL/2 （2）撓度 試樣斷裂之前被壓下的最大距離。 通過記錄彎曲力F和試樣撓度f之間的關(guān)系，求出斷裂時(shí)的抗彎強(qiáng)度和最大撓度，以表示材料的強(qiáng)度和朔性。 韌性材料一般不作彎曲強(qiáng)度檢測(cè)。182.4 扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能一、應(yīng)力應(yīng)變分析縱向：受力均勻；橫向：表面最大，心部為0；最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力相等。1920二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)

7、1、特點(diǎn)（1）能檢測(cè)在拉伸時(shí)呈脆性的材料的塑性性能。（2）長(zhǎng)度方向，宏觀上的塑性變形始終是均勻的。 （3）能敏感地反映材料表面的性能（4）斷口的特征最明顯（正斷、切斷、層狀斷口等）21三、切應(yīng)力 切應(yīng)變?cè)趶椥宰冃畏秶鷥?nèi)，材料力學(xué)給出了圓桿表面的切應(yīng)力計(jì)算公式如下 = M / W式中M為扭矩；W為截面系數(shù)。對(duì)于實(shí)心圓桿，Wd0316；對(duì)于空心圓桿,W=d03(1-d14/d04)16,其中d0為外徑，d1為內(nèi)徑。因切應(yīng)力作用而在圓桿表面產(chǎn)生的切應(yīng)變?yōu)?=tg=d0/2L0100 式中為圓桿表面任一平行于軸線的直線因的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；為扭轉(zhuǎn)角; L0為桿的長(zhǎng)度。22四、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)及測(cè)定的力學(xué)性能

8、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)采用圓柱形(實(shí)心或空心)試件, 在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。利用扭轉(zhuǎn)圖，確定材料的切變模量G，扭轉(zhuǎn)比例極限p, 扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度0.3, 和抗扭強(qiáng)度23切變模量扭轉(zhuǎn)比例極限pp=Mp/W 式中Mp為扭轉(zhuǎn)曲線開始偏離直線時(shí)的扭矩。扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度0.30.3 = M0.3 /W 式中M0.3為殘余扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變?yōu)?.3%時(shí)的扭矩。24抗扭強(qiáng)度 b=Mb/W 式中Mb為試件斷裂前的最大扭矩。扭轉(zhuǎn)殘余切應(yīng)變：25五、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)和應(yīng)用評(píng)定扭轉(zhuǎn)服役條件下的材料力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)較大，因而可用于測(cè)定那些在拉伸時(shí)表現(xiàn)為脆性的材料，如淬火低溫回火工具鋼的塑性。圓柱試件在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)度上的塑性變形始

9、終是均勻的，其截面及標(biāo)距長(zhǎng)度基本保持不變，不會(huì)出現(xiàn)靜拉伸時(shí)試件上發(fā)生的頸縮現(xiàn)象。因此，可用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)精確地測(cè)定高塑性材料的變形抗力和變形能力，而這在單向拉伸或壓縮試驗(yàn)時(shí)是難以做到的。26扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以明確地區(qū)分材料的斷裂方式，正斷或切斷。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，試件截面上的應(yīng)力應(yīng)變分布表明，它將對(duì)金屬表面缺陷顯示很大的敏感性因此，可利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究或檢驗(yàn)工件熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，試件受到較大的切應(yīng)力，因而還被廣泛地應(yīng)用于研究有關(guān)初始塑性變形的非同時(shí)性的問題，如彈性后效、彈性滯后以及內(nèi)耗等測(cè)定高塑性材料測(cè)定材料的切斷強(qiáng)度27綜上所述，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可用于測(cè)定塑性材料和脆性材料的剪切變形和斷裂的全部力學(xué)性能指標(biāo)，并且還有著其它力學(xué)性能試驗(yàn)方法所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，扭