材料力學(xué)性能第二章 材料在其他靜載下的力學(xué)性能1a

1、Mechanical properties of materials1第二章 材料在其他靜載下的力學(xué)性能2第二章 材料在其他靜載下的力學(xué)性能本章的意義：材料在實(shí)際服役中的受力形式和受力狀態(tài)十分復(fù)雜，單向拉伸得到的性能數(shù)據(jù)不能完全反映材料的變形、斷裂等特點(diǎn)。為了充分揭示材料的力學(xué)行為和性能特點(diǎn)，常采用扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮以及帶有臺(tái)階、孔洞、螺紋等與實(shí)際受力相似的加載方式進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，為合理選材和設(shè)計(jì)提供充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3第二章 材料在其他靜載下的力學(xué)性能本章的內(nèi)容：介紹扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮以及帶缺口試樣的靜拉伸以及材料硬度試驗(yàn)等試驗(yàn)方法的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍及其所測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)。4第二章 材料在其他靜載下

2、的力學(xué)性能本章涉及到了實(shí)際受力狀態(tài)，必須了解一些物體在受力時(shí)應(yīng)力狀態(tài)分析的力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，因?yàn)榱W(xué)性能是研究材料受力以后的行為，首先要知道材料的受力狀態(tài)已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的一維應(yīng)力狀態(tài)（如單向拉伸），而要擴(kuò)展到二維、三維。一些簡(jiǎn)單的公式、定律也要擴(kuò)展到二維、三維。第 一 節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)一、主應(yīng)力概念對(duì)于任意應(yīng)力狀態(tài)，總可以找到這樣一組互相垂直的平面，在這組平面上，只有正應(yīng)力，沒(méi)有切應(yīng)力，這樣的平面叫主平面，主平面上的應(yīng)力叫主應(yīng)力。用 1, 2 , 3 表示。1 2 35第 一 節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)根據(jù)這三個(gè)主應(yīng)力，按最大切應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論），可以計(jì)算最大切應(yīng)力 max =(1 3)/2按相當(dāng)最

3、大正應(yīng)力理論（第二強(qiáng)度理論），可以計(jì)算最大正應(yīng)力 max =1 ( 2 +3)為泊松比6 max第 一 節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)二、應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)在三向應(yīng)力狀態(tài)下，最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值稱(chēng)為應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，用 表示。1 321 ( 2 + 3) = = max越大，最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，材料越易于產(chǎn)生塑性變形。反之， 越小，表示應(yīng)力狀態(tài)越硬 ，材料越容易產(chǎn)生脆性斷裂。7第 一 節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)不同的加載方式下材料具有不同的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)（v=0.25）8加載方式軟性系數(shù)備注單向拉伸0.5應(yīng)力狀態(tài)較硬，適用于塑性較好的材料三向等拉伸0應(yīng)力狀態(tài)最硬，材料最容易發(fā)生脆性斷裂，

4、用于揭示塑性材料的脆性傾向三向不等拉伸0.1扭轉(zhuǎn)0.8單向壓縮2.0兩向壓縮1.0三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)最軟，硬度實(shí)驗(yàn)屬于此，適用于任何材料9第 一 節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)第 一 節(jié)自原點(diǎn)作不同斜率的直線，可代表應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)抗斷強(qiáng)度以聯(lián)合強(qiáng)度理論建立的力學(xué)狀態(tài)圖10應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)切斷強(qiáng)度斷裂真應(yīng)力線剪切屈服強(qiáng)度11第 一 節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)三向不等壓縮單向壓縮扭轉(zhuǎn)單向拉伸幾種不同材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的表現(xiàn)易于剪斷的材料叫做軟性材料易于拉斷的材料叫做硬性材料12第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能一壓縮及其性能指標(biāo)1壓縮試驗(yàn)通常為圓柱型或正方形，高度h0和直徑（或邊長(zhǎng)）d0之比為2.53.5。試樣端部的摩擦

5、力會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)設(shè)法減小。（兩面必須光滑平整，并涂潤(rùn)滑油或石墨粉進(jìn)行潤(rùn)滑）13第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用1）單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為2，適用于脆性材料和低塑性材料。2）與拉伸試驗(yàn)區(qū)別載荷相反，載荷-變形曲線不同，塑性和斷裂形態(tài)不同。3）多向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)2，此方法適用于脆性更大的材料。還有服役條件為多向壓縮的機(jī)件，如滾珠軸承也可采用多向壓縮試驗(yàn)。14第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果：Fh曲線，如圖所示材料的壓縮曲線1脆性材料； 2塑性材料金屬GB/T7314-1987陶瓷GB/T8489-1987塑料GB/T1041-1992橡膠GB/T1

6、684-1979第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能力學(xué)性能指標(biāo)抗壓強(qiáng)度相對(duì)壓縮率壓縮塑性FbcA0= bc100%h0 h fh0 c =100%15Af A0A0相對(duì)斷面擴(kuò)展率 0 =16矩形 (55mm，3030mm)第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能二、彎曲實(shí)驗(yàn)及其性能指標(biāo)1 彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)圓形 (d=545mm)彎曲試驗(yàn)的試樣方形 (高寬，57.5mm,3040mm)跨距L為直徑d或高度h的16倍三點(diǎn)彎曲加載加載方式四點(diǎn)彎曲加載金屬GB/T14452-1993,陶瓷GB/T6569-1986,塑料GB/T9341-2000第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能a) 集中加載b）等彎矩

7、加載彎曲試樣加載方法參見(jiàn)動(dòng)畫(huà)演示1718第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果：載荷F與試樣最大撓度f(wàn)max之間的關(guān)系圖典型的彎曲圖（a）塑性材料（b）中等塑性材料（c）脆性材料=四點(diǎn)彎曲試樣：Mmax1）彎曲應(yīng)力（抗彎強(qiáng)度）（N.m）（m3）（m3）19第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能測(cè)得的力學(xué)性能：MWFLFK2直徑為d0的圓柱型試樣：d0332W =bh 26寬度為b，高度為h的矩型試樣： W =20第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能2) 材料的塑性可用最大彎曲撓度f(wàn)max（百分表和撓度計(jì)直接讀出）表示。此外，從彎曲撓度曲線上還可得到彎曲彈性模量，規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力，斷裂撓度，斷裂能量等

8、性能。 F Lf第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能對(duì)于矩形試樣，彎曲模量Eb =33 4bh b試樣寬度h試樣高度L試樣跨距21222 彎曲實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用1）彎曲加載時(shí)，受拉的一側(cè)應(yīng)力狀態(tài)與靜拉伸時(shí)基本相同，且不存在拉伸時(shí)試樣偏斜對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響2）彎曲試驗(yàn)時(shí)，截面的應(yīng)力分布也是表面最大，故可以靈敏地反映材料的表面缺陷，因此可以用來(lái)比較和評(píng)定材料表面處理層的質(zhì)量。3）對(duì)塑性材料，彎曲試驗(yàn)不能使之?dāng)嗔?，因此，塑性材料基本不進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能23第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能三、扭轉(zhuǎn)及其性能指標(biāo)1 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)M（扭矩扭轉(zhuǎn)角）曲線是扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到的第一手資

9、料。圓柱型（直徑d0）扭轉(zhuǎn)試樣在扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)的表面受力狀態(tài)。在與試樣軸線呈45方向上承受最大正應(yīng)力，在與試樣軸線平行和垂直方向上承受最大切應(yīng)力。24第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)材料的應(yīng)力狀態(tài)：切應(yīng)力分布在縱向與橫向兩個(gè)垂直的截面內(nèi)，而主應(yīng)力1和3與縱軸成45，并在數(shù)值上等于切應(yīng)力。1為拉應(yīng)力，3為等值壓應(yīng)力，2=0。由此可知，當(dāng)扭轉(zhuǎn)沿著橫截面斷裂時(shí)為切斷，而由最大正應(yīng)力引起斷裂時(shí)，斷口呈螺旋狀與縱軸成45。25第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)試樣的宏觀斷口a）切斷斷口 b）正斷斷口 c）木紋狀斷口26第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能木紋狀斷口：斷裂面順著試樣軸線形成縱向剝層或裂

10、紋。這是因?yàn)榻饘僦写嬖谳^多的非金屬夾雜物或偏析并在軋制過(guò)程中使其沿軸向分布，降低了試樣軸向切斷強(qiáng)度造成的。因此，可以根據(jù)斷口宏觀特征來(lái)判斷承受扭矩而斷裂的機(jī)件的性能。27第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能在扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，加給試樣的載荷為扭矩，（應(yīng)變?yōu)樵谠嚇訕?biāo)距l(xiāng)0上的兩個(gè)截面間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角）。在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中，x-y記錄儀的兩個(gè)坐標(biāo)分別記錄下扭距M和扭轉(zhuǎn)角的變化過(guò)程。點(diǎn)擊演示動(dòng)畫(huà)d010mm，標(biāo)距長(zhǎng)度l050或100mm國(guó)標(biāo)GB/T10128-198828第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能退火低碳鋼的扭轉(zhuǎn)負(fù)荷變形圖第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能根據(jù)該扭轉(zhuǎn)曲線可以獲得材料扭轉(zhuǎn)條件下的力學(xué)性能指標(biāo)：扭轉(zhuǎn)比

11、例極限：P = M P /W扭轉(zhuǎn)屈服極限：S = M S /W扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限：b = Mb /WMs為殘余扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變?yōu)?.3(相當(dāng)于拉伸殘余應(yīng)變0.2)時(shí)的扭矩。真實(shí)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限：29W為試樣截面系數(shù)第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能a) 彈性變形階段的切應(yīng)力與切應(yīng)變沿橫截面的分布b) 彈塑性變形階段的切應(yīng)力與切應(yīng)變的分布30(a)(b)第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能 = d0 /2l0切變模量： G = / ;G = = 4W為試樣截面系數(shù)，實(shí)心圓柱試樣為 d0 3 /163 4 40 1 0d1為內(nèi)徑，d0為外徑。31第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能2 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用1) 特 點(diǎn)：1.

12、2.3.4.扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8，拉伸時(shí)為脆性的金屬或陶瓷有可能產(chǎn)生塑性變形；塑性變形始終均勻，尺寸基本不變，不會(huì)出現(xiàn)靜拉伸時(shí)發(fā)生的縮頸現(xiàn)象，可精確測(cè)定易縮頸或高塑性材料的形變能力和形變抗力；可從斷口明顯區(qū)分?jǐn)嗔逊绞剑◤脑嚇拥氖芰顟B(tài)可知，45斷口為正斷，平行截面斷口為切斷）；應(yīng)力分布為表面最大，心部最小。故此法對(duì)表面硬度及表面缺陷的反應(yīng)十分敏感?？捎脕?lái)研究表面強(qiáng)化工藝。3233第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能2) 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用根據(jù)特點(diǎn)2，扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用在多數(shù)情況下是研究材料在大應(yīng)變范圍時(shí)的力學(xué)行為，生產(chǎn)上的金屬加工成型工藝正是在大的塑性變形情況下進(jìn)行的，因此扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用在

13、（1）用熱扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)確定材料在熱加工（軋制、鍛造、擠壓）時(shí)的最佳溫度；（2）對(duì)單相合金，用熱扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)確定材料在高溫時(shí)發(fā)生的動(dòng)態(tài)恢復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程；（3）對(duì)多相合金，用熱扭轉(zhuǎn)研究不穩(wěn)定組織的轉(zhuǎn)變，或者模擬某種熱加工成形方式研究其組織特點(diǎn)。3435第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲三種試驗(yàn)方法適用于哪些材料或哪些工作條件下的構(gòu)件？拉伸：一般來(lái)說(shuō)，適用于結(jié)構(gòu)鋼常溫下的力學(xué)性能測(cè)定。脆性材料為什么不能用拉伸？扭轉(zhuǎn)：結(jié)構(gòu)材料的熱變形性能。硬度大的材料（HRC5253）不宜進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)？試樣兩端有應(yīng)力集中和表面缺陷，裝夾試樣時(shí)稍有不對(duì)中，就會(huì)引起附加彎曲應(yīng)力，這都會(huì)造成拉伸數(shù)據(jù)的散亂。試樣會(huì)

14、脆斷出現(xiàn)飛裂。36第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能彎曲：工具鋼常溫下的力學(xué)性能。鑄鐵、硬質(zhì)合金和陶瓷（彎曲強(qiáng)度仍然較分散，應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)方法處理測(cè)量數(shù)據(jù)）的性能也常用此法。彎曲試驗(yàn)方法的應(yīng)力狀態(tài)介于拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法之間，常用于測(cè)定脆性材料的力學(xué)性能。對(duì)高碳釩鋼(T10V)進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，如圖所示。37原處理工藝是淬火+180回火，但在使用時(shí)常出現(xiàn)花鍵崩齒，桿部折斷等現(xiàn)象38第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能模擬實(shí)際服役條件，并提供材料的抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。（諸如鉚釘、銷(xiāo)子之類(lèi)的零件）單剪試驗(yàn)雙剪試驗(yàn)沖孔式剪切試驗(yàn)四剪切及其性能指標(biāo)39第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能單剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度：b

15、 = Fb / A0Fb：最大載荷A0：試件的原始截面面積FF試件在單剪試驗(yàn)時(shí)受力和變形示意圖第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能雙剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度：b = Fb /2A0試件在雙剪試驗(yàn)時(shí)受力和變形示意圖40FF/2F/241沖孔式剪切試驗(yàn)裝置t為板料厚度。第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能沖孔式剪切試驗(yàn) （測(cè)薄板的抗剪強(qiáng)度）F抗剪強(qiáng)度：b = Fb /(dt)d為沖孔直徑；第二節(jié)扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能已知淬火200回火的CrMnSi鋼的正斷強(qiáng)度k3236MPa，屈服強(qiáng)度 s745MPa。試問(wèn)它在三向拉伸( 1 2+S， 30.8S)，單向拉伸，扭轉(zhuǎn)，三向壓縮( 1 2-0.3S, 3-S)狀態(tài)下各發(fā)生何種形式破壞？(泊松比0.25)42= = 0.23= = 0.1S第二節(jié)壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能7453236 sk1 32S 0