第七章金屬產(chǎn)品的力學(xué)性能檢測

第一節(jié)軸向拉伸和壓縮第七章產(chǎn)品的力學(xué)性能檢測本章內(nèi)容金屬材料的力學(xué)基礎(chǔ)外力、內(nèi)力及應(yīng)力；應(yīng)力狀態(tài)理論、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等。*拉伸試驗*壓縮試驗*沖擊試驗*硬度實驗電測應(yīng)力分析基礎(chǔ)電阻應(yīng)變計的工作原理；測試方法。疲勞實驗材料的疲勞極限；金屬材料的疲勞極限的測試方法。應(yīng)力集中與殘余應(yīng)力測試應(yīng)力集中與殘余應(yīng)力的概念；用應(yīng)變計測應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力的方法。電阻應(yīng)變計測力實驗材料的拉伸性能是材料力學(xué)性能中最重要、最基本的性能之一。這些指標(biāo)的高低在很大程度上決定了該種材料的使用。拉伸性能的好壞，可以通過拉伸試驗進行檢驗。如拉伸強度、拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸屈服應(yīng)力、偏置屈服應(yīng)力、拉伸彈性模量。斷裂伸長率等。測試值的高低，可對塑料的拉伸性能作出評價。一、定義（一）拉伸應(yīng)力試樣在計量標(biāo)距范圍內(nèi)，單位初始橫截面上承受的拉伸負(fù)荷。（二）拉伸強度在拉伸試驗中。試樣直到斷裂為止，所承受的最大拉伸應(yīng)力。（三）拉伸斷裂應(yīng)力在拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線上，斷裂時的應(yīng)力。（四）拉仲屈服應(yīng)力在拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線上，屈服點處的應(yīng)力。（五）偏置屈服應(yīng)力應(yīng)力——應(yīng)變曲線偏離直線性達規(guī)定應(yīng)變百分?jǐn)?shù)（偏置）時的應(yīng)力。（六）斷裂伸長率在拉力作用下，試樣斷裂時，標(biāo)線間距離的增加量與初始標(biāo)距之比，以百分率表示。（七）彈性模量在比例極限內(nèi)，材料所受應(yīng)力（拉、壓、查、扭、剪等）與產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變之比。（八）屈服點應(yīng)力——應(yīng)變曲線上，應(yīng)力不隨應(yīng)變增加的初始點。（九）應(yīng)變材料在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的尺寸變化與原始尺寸之比。軸向拉壓的概念及實例一、概念軸向拉壓的外力特點：外力的合力作用線與桿的軸線重合。軸向拉壓的變形特點：桿的變形主要是軸向伸縮，伴隨橫向縮擴。軸向壓縮，對應(yīng)的力稱為壓力。軸向拉伸，對應(yīng)的力稱為拉力。工程實例二、軸向拉伸和壓縮時的內(nèi)力一、內(nèi)力

物體內(nèi)部有外力引起的某一部分與另一部分件相互作用的力二、截面法·軸力1.截面法的基本步驟：①截開：在所求內(nèi)力的截面處，假想地用截面將桿件一分為二。②代替：任取一部分，其棄去部分對留下部分的作用，用作用在截開面上相應(yīng)的內(nèi)力（力或力偶）代替。③平衡：對留下的部分建立平衡方程，根據(jù)其上的已知外力來計算桿在截開面上的未知內(nèi)力（此時截開面上的內(nèi)力對所留部分而言是外力）。根據(jù)力的平衡原理，作力的分析例如：截面法求N。

APP簡圖APPPAN截開：代替：平衡：2.軸力——軸向拉壓桿的內(nèi)力，用N表示。3.軸力的正負(fù)規(guī)定:

N

與外法線同向,為正軸力(拉力)N與外法線反向,為負(fù)軸力(壓力)[例1]圖示桿的A、B、C、D點分別作用著大小為5P、8P、4P、

P

的力，方向如圖，試畫出桿的軸力圖。ABCDPAPBPCPDOABCDPAPBPCPDN1解：求OA段內(nèi)力N1：設(shè)置截面如圖同理，求得AB、BC、CD段內(nèi)力分別為：N2=–3P

N3=5PN4=PBCDPBPCPDN2CDPCPDN3DPDN4橫截面上的應(yīng)力應(yīng)力：分布內(nèi)力集度應(yīng)力與內(nèi)力分量之間的關(guān)系

問題提出：PPPP一般情形下的橫截面上的附加分布內(nèi)力，總可以分解為兩種：作用線垂直于截面的；作用線位于橫截面內(nèi)的。

分布內(nèi)力在一點的集度，稱為應(yīng)力(stresses)。作用線垂直于截面的應(yīng)力稱為正應(yīng)力(normalstress)，用希臘字母表示；作用線位于截面內(nèi)的應(yīng)力稱為切應(yīng)力或剪應(yīng)力(shrearingstress)，用希臘字母表示。應(yīng)力的單位記號為Pa或MPa，工程上多用MPa。一.應(yīng)力應(yīng)力—分布內(nèi)力在一點的集度工程構(gòu)件，大多數(shù)情形下，內(nèi)力并非均勻分布，集度的定義不僅準(zhǔn)確而且重要，因為“破壞”或“失效”往往從內(nèi)力集度最大處開始。應(yīng)力就是單位面積上的內(nèi)力?正應(yīng)力和切應(yīng)力

位于截面內(nèi)的應(yīng)力稱為“切應(yīng)力”(ShearingStress).垂直于截面的應(yīng)力稱為“正應(yīng)力”(NormalStress)；yxzΔAΔFQyΔFQzΔFNDFRFP1FP2變形前1.變形規(guī)律試驗及平面假設(shè)：平面假設(shè)：原為平面的橫截面在變形后仍為平面?？v向纖維變形相同。abcd受載后PP

d′a′c′b′二、拉（壓）桿橫截面上的應(yīng)力第一節(jié)軸向拉伸和壓縮均勻材料、均勻變形，內(nèi)力當(dāng)然均勻分布。2.拉伸應(yīng)力：sN(x)P軸力引起的正應(yīng)力——：在橫截面上均布。3.公式的應(yīng)用條件：直桿、桿的截面無突變、截面到載荷作用點有一定的距離。5.Saint-Venant原理：離開載荷作用處一定距離，應(yīng)力分布與大小不受外載荷作用方式的影響。Saint-Venant原理與應(yīng)力集中示意圖變形示意圖：abcPP應(yīng)力分布示意圖：拉壓桿的變形沿軸向的伸長或縮短橫向尺寸的縮小或增大PPl’laba’b’——Δl——橫向變形Δa,Δb

§5–4軸向拉伸（壓縮）時的變形一、拉壓桿的縱向變形及應(yīng)變線應(yīng)變：單位長度的線變形。PPl’l絕對變形：胡克定律討論：N≠常數(shù)時，N=N(x)，如何求Δl？分析：微段分析dxN(x)N(x)dx+d(Δl)q軸力方程：N=N(x)xdx二、橫向變形泊松比PPl’l例

已知：P1=20kN,P2=P3=35kN,l1=l3=300mm,l2=400mmd1=24mm,d2=16mm,d3=12mm,E=210GPa

求：總伸長Δld1d2d3P1P2P3l1l2l3ABCD解：(1）軸力圖（2）求各段變形(3)總變形N(kN)501520材料拉壓時的力學(xué)性能力學(xué)性能：材料在外力作用下表現(xiàn)的有關(guān)強度、變形方面的特性。1.試驗條件：常溫(20℃)；靜載（及其緩慢地加載）；標(biāo)準(zhǔn)試件。dh一、試驗條件及試驗儀器2、試驗儀器：萬能材料試驗機；變形儀（常用引伸儀）。二、低碳鋼拉伸時的力學(xué)性能C<0.3%試驗結(jié)果：P↑、△l作為有規(guī)律變化拉伸圖P△lσε應(yīng)力應(yīng)變圖(1)彈性階段（OA段）OσεAA’BCDEF鋼：時，線彈性階段E為彈性模量胡克定律彈性：產(chǎn)生變形，卸載變形消失彈性極限：比例極限：OσεAA’BCDEF應(yīng)力不變，應(yīng)變卻不斷增加，產(chǎn)生明顯塑性變形的現(xiàn)象(2)屈服階段（ABCD段）塑性：加載產(chǎn)生變形，卸載變形不消失屈服極限：屈服原因：晶?；频脑?3)

強化階段（DE段）抗拉強度：卸載定律——在卸載過程中，應(yīng)力與應(yīng)變按直線規(guī)律變化冷作硬化——卸載之后再加載，彈性極限會增加OσεAA’BCDEFE’O’思考：OO’是什么？頸縮：E點之前：變形均勻；E點之后變形集中在某一局部，截面急劇變小OσεAA’BCDEF（4）局部變形階段（EF段）結(jié)論：1.強度指標(biāo)：E，2.兩個塑性指標(biāo)——表征材料塑性變形的程度延伸率：截面收縮率：3.變形彈性變形：卸載后可消失的變形塑性變形：卸載后不消失的變形16Mn,A3,H62:有明顯的塑性階段T10A,20Cr:沒有明顯的屈服階段屈服指標(biāo)：σε0.2%o三、其他塑性材料拉伸時的力學(xué)性能εσo以鑄鐵為例oσε現(xiàn)象：無屈服無頸縮變形小沒有明顯的直線階段結(jié)論：E用割線彈性模量強度指標(biāo)：一般較小四、脆性材料拉伸時的力學(xué)性能試件：金屬：很短的圓柱l=1.5～3.0d混凝土、石料：立方塊一、低碳鋼不一定做壓縮試驗五.材料壓縮時的力學(xué)性能二、鑄鐵斷口：45°～55°σεpp斷口為縱向平面三、石料一、試驗?zāi)康?．測定低碳鋼壓縮屈服點ssc；2．測定灰鑄鐵抗壓強度sbc。二、試驗儀器

萬能材料試驗機。三、試樣標(biāo)準(zhǔn)試樣：d0h0粗短圓柱體：h0=1~3d0壓縮試驗四、試驗原理1．測定低碳鋼壓縮屈服點sscO

FDlFsc壓縮屈服點：拉伸試驗壓縮試驗低碳鋼壓縮試驗現(xiàn)象：低碳鋼壓縮變扁，不會斷裂，由于兩端摩擦力影響，形成“腰鼓形”。壓縮試驗2．測定灰鑄鐵抗壓強度sbcOFDl強度極限：拉伸試驗Fbc灰鑄鐵壓縮試驗現(xiàn)象：tmax引起壓縮試驗已知一材料的彈性極限200MPa，彈性模量為200GPa，

問：此材料做成的試件，其應(yīng)變被拉到

ε=0.0001,0.001,0.002時，其應(yīng)力為多少？思考題解：①軸力：N=P

=25kN②應(yīng)力：③強度校核：④結(jié)論：此桿滿足強度要求，能夠正常工作。例已知一圓桿受拉力P=25kN，直徑d=14mm，許用應(yīng)力[]=170MPa，試校核此桿是否滿足強度要求。指出下列概念的區(qū)別（1）內(nèi)力與應(yīng)力；（2）變形與應(yīng)變；（3）彈性與塑性；思考題第二節(jié)電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及原理一、電阻應(yīng)變效應(yīng)一段金屬電阻絲長度為L，橫截面為S，電阻率記作ρ，材料的泊松系數(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為：

R

=

ρL/S（Ω）

其中：L-金屬導(dǎo)線長度

S-金屬導(dǎo)線橫截面積

ρ-電導(dǎo)率（不同材料電阻率不同）當(dāng)金屬導(dǎo)線兩端受拉力F伸長變形。設(shè)其伸長ΔL，橫截面積則縮小，它的截面圓半徑減少Δr。金屬電阻絲在變形后，電阻率ρ也會有所改變Δρ，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。求出電阻絲伸長后，其電阻值改變了多少，對R

=

ρL/S求全微分ΔR

=

ΔρL/S

+

ΔLρ/S

–ΔSρL/S2

上2式相除，得到ΔR/R

=

Δρ/ρ

+

ΔL/L

–

ΔS/S

導(dǎo)線的橫截面積S=πr2，

Δs

=

2πr*Δr，所以ΔS/S

=

2Δr/r從材料力學(xué)我們知道：

Δr/r

=

-μΔL/L

μ=|ε`/ε|

，μ是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)

ΔR/R

=

Δρ/ρ

+

ΔL/L

+

2μΔL/L=（1

+

2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L=

K

*ΔL/L其中：K

=

1

+

2μ

+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）K靈敏系數(shù)

材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε

所以：ΔR/R

=

Kε

說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率和電阻絲伸長率之間的關(guān)系結(jié)論：1、當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化。2、金屬絲受外力作用而伸長時，長度增加，而截面積減少，電阻值會增大。3、當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小，而截面增加，電阻值會減小。4、阻值變化通常較小。電阻應(yīng)變片及其結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片通常由直徑為0.015～0.05mm高電阻率的金屬電阻絲繞成柵狀，稱為敏感柵。繞成柵狀是為了獲得高的阻值，將其粘貼在絕緣的基體上，電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護用的覆蓋層，如圖1。敏感柵電阻值一般在100Ω以上基底：為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結(jié)劑將它固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。應(yīng)變計工作時，基底起著把彈性體應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作用。為此，基底必須很薄，一般為0.02～0.04mm。引線：它起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑約0.1～0.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接保護蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護層；起著防潮、防蝕、防損等作用。粘結(jié)劑：在制造應(yīng)變計時，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；在使用應(yīng)變計時，用它把應(yīng)變計基底再粘貼在彈性體表面的被測部位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。測量原理：

用應(yīng)變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化檢測電路：

電阻應(yīng)變計把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成ΔR/R后，應(yīng)變電阻變化一般都很微小，這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計的ΔR/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。

惠斯登直流電橋

電橋如圖3所示，U0為供橋電源電壓，R1、R2、R3、R4為橋臂，Usc為電橋輸出電壓。

Usc＝0時電橋平衡，則平衡條件為：

R1\R2=R4\R3

或

R1*R3=R2*R4

這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等或相對兩臂電阻的乘積相等。

將應(yīng)變片作為臂電阻接在電橋電路，當(dāng)彈性體受力變形時，應(yīng)變片電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，使電橋失去平衡，Usc≠0，電橋輸出電壓絕對值與傳感器受力成正比。

惠斯登電橋具有很多優(yōu)點，如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補償方便等。所以惠斯登電橋在電阻應(yīng)變傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。貼片方位和應(yīng)變——應(yīng)力換算1、單向應(yīng)力狀態(tài)2、雙向應(yīng)力狀態(tài),主應(yīng)力方向已知3、應(yīng)變花主應(yīng)力計算公式應(yīng)變花用于主應(yīng)力方向大致知道的情況；

應(yīng)變花用于主應(yīng)力方向完全不知道的情況用于主應(yīng)力方向大致知道的情況；應(yīng)變花應(yīng)變花應(yīng)變花用于主應(yīng)力方向完全不知道的情況第三節(jié)

應(yīng)力集中的概念應(yīng)力集中的概念

彈性力學(xué)中的一類問題﹐指物體中應(yīng)力局部增高的現(xiàn)象﹐一般出現(xiàn)在物體形狀急劇變化的地方﹐如缺口﹑孔洞﹑溝槽以及有剛性約束處。應(yīng)力集中能使物體產(chǎn)生疲勞裂紋﹐也能使脆性材料製成的零件發(fā)生靜載斷裂。

應(yīng)力集中現(xiàn)象度量——理論應(yīng)力集中系數(shù)平均應(yīng)力應(yīng)力集中程度>1PPPPPP應(yīng)力集中系數(shù)表面有缺陷的材料承受載荷時，設(shè)缺陷底部的最大應(yīng)力為σmax,有缺陷時的平均應(yīng)力為σ0，定義兩者之比為應(yīng)力集中系數(shù)α即平均應(yīng)力應(yīng)力集中程度>1有軸向槽的軸受拉、壓或彎曲時，通常不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，即α=1，

有環(huán)狀淺槽的軸受拉伸或彎曲時當(dāng)圓軸的軸向和圓周方向都有淺槽時

ρ：曲率半徑

t：槽深α：應(yīng)力集中系數(shù)（1）有淺槽時的應(yīng)力集中（2）無限平板上有橢圓孔時的應(yīng)力集中ρ：x軸端部的曲率半徑a，b：x，y軸長α：應(yīng)力集中系數(shù)當(dāng)a＝b或a＝ρ時，橢圓孔就成為圓孔α＝3．（3）窄板上有圓孔時的應(yīng)力集中窄板上有一個圓孔時，拉伸和彎曲載荷產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)隨孔徑與窄板寬度之比的變化情況：如果板上有幾個圓孔，各孔之間的間隔、孔徑與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系：

圓孔接近邊緣程度與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系應(yīng)力集中的測量方法電測方法(見電阻應(yīng)變計測量技術(shù))﹑光彈性法﹑散斑干涉法﹑云紋法等實驗手段均可測出物體的應(yīng)力集中。近年來計算機和有限元法以及邊界元法電阻應(yīng)變計測量應(yīng)力集中系數(shù)通過電測法只能測出應(yīng)變，然后通過應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系才能算出應(yīng)力。在彈性體的設(shè)計過程中必須滿足以下兩項要求：

（1）貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系；

（2）貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。測量步驟一、選擇測點位置和確定布片方案單向應(yīng)力狀態(tài)：一個工作片雙向應(yīng)力狀態(tài)：主應(yīng)力方向已知，二個工作片

主應(yīng)力方向未知，三個工作片或者應(yīng)變花二、選擇應(yīng)變片和測量儀器，檢測應(yīng)變片阻值三、現(xiàn)場測量的準(zhǔn)備：應(yīng)變片的安裝、接線、防護和檢查四、測量儀器的調(diào)試和加載測量五、作出測量報告：分析處理測量數(shù)據(jù)，將應(yīng)變換算為應(yīng)力；提交測試結(jié)論。應(yīng)力集中的測試方法（1）外推法工程上常將3—5片應(yīng)變計貼在需要測量應(yīng)力集中的孔或槽附近，測量后再用公式推算，其結(jié)果一般都能夠滿足工程精度要求且計算方便．以用三片應(yīng)變計的測量與計算為例，說明如下：例1已給sin0.32=0.314567,sin0.34=0.333487,sin0.36=0.352274,用拋物插值計算sin0.3367用拋物插值計算sin0.3367時，由公式（2.5）得

==0.330374sin0.3367=

拉格朗日插值

用EXCEL如何求解？（2）內(nèi)插法（3）光彈性測試方法光彈性測試方法簡稱為光彈性法，它是測應(yīng)力集中系數(shù)的最好方法之一。光彈性法測得的一張圖樣相當(dāng)于無限多片應(yīng)變計測得的結(jié)果。用有機玻璃按比例制作一輪齒模型．輪齒模型受力后，在光彈儀的單色光照射下，出現(xiàn)黑白相間的條紋，如圖6—33所示．這些系統(tǒng)稱為等差線，條紋圖稱為應(yīng)力光圖．由于齒輪右上角處的應(yīng)力為零，令不產(chǎn)生應(yīng)力的區(qū)域的條紋為0級．沿著齒邊緣從右到左直至根部可相繼地數(shù)出條紋2，4，6，…級．條紋的疏密與載荷的大小有關(guān)，亦即與模型中的應(yīng)力大小和應(yīng)力梯度有關(guān)．條紋越稀，應(yīng)力變化越??；條紋越密，應(yīng)力變化越大．所以，應(yīng)力集中的部位，條紋密集．因此、對于條墳較密的地方(應(yīng)力集中的部位)應(yīng)予重視和注意．應(yīng)力集中的降低工程上主要采取以下一些措施﹕表面強化﹕對材料表面作噴丸﹑滾壓﹑氮化等處理﹐可以提高材料表面的疲勞強度﹔避免尖角﹕即把棱角改為過渡圓角﹐適當(dāng)增大過渡圓弧的半徑﹐效果更好﹔改善零件外形﹕曲率半徑逐步變化的外形有利于降低應(yīng)力集中系數(shù)﹐比較理想的辦法是﹐采用流線型型線或雙曲率型線﹐后者更便于在工程上應(yīng)用﹔孔邊局部加強﹕在孔邊采用加強環(huán)或作局部加厚均可使應(yīng)力集中系數(shù)下降﹐下降程度與孔的形狀和大小﹑加強環(huán)的形狀和大小以及載荷形式有關(guān)﹔適當(dāng)選擇開孔位置和方向﹕開孔的位置應(yīng)盡量避開高應(yīng)力區(qū)﹐并應(yīng)避免因孔間相互影響而造成應(yīng)力集中系數(shù)增高﹐對于橢圓孔﹐應(yīng)使其長軸平行于外力的方向﹐這樣可降低峰值應(yīng)力﹔提高低應(yīng)力區(qū)應(yīng)力﹕減小零件在低應(yīng)力區(qū)的厚度﹐或在低應(yīng)力區(qū)增開缺口或圓孔﹐使應(yīng)力由低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)的過渡趨于平緩﹔利用殘余應(yīng)力﹕在峰值應(yīng)力超過屈服極限后卸載﹐就會產(chǎn)生殘余應(yīng)力﹐合理地利用殘余應(yīng)力也可降低應(yīng)力集中系數(shù)第四節(jié)疲勞及測試疲勞的概念與材料的疲勞極限

疲勞構(gòu)件在交變應(yīng)力作用時的破壞，稱為疲勞破壞，簡稱疲勞。

構(gòu)件疲勞與在靜應(yīng)力作用下的破壞決然不同，有以下四個明顯特征：1）破壞時的名義應(yīng)力值遠小于材料的靜強度指標(biāo)（σs

σb，τs，τb

）。2）構(gòu)件需要經(jīng)歷一定次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)后才發(fā)生破壞，即破壞有一個過程。3）破壞是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。既使塑性很好的材料，也是如此。4）構(gòu)件的同一破壞斷面，明顯劃分成光亮區(qū)域與顆粒狀的粗糙區(qū)域。關(guān)于疲勞的原因及過程的解釋斷裂力學(xué)的理論認(rèn)為，微裂紋源是由于位錯運動引起的。金屬原子晶格的某些空穴、缺陷或錯位，稱之為位錯。微觀尺度的塑性變形就能引起位錯在原子晶格間的運動，位錯積聚在一起，便形成了微裂紋。微裂紋集結(jié)、貫通形成宏觀裂紋，宏觀裂紋在交變應(yīng)力作用下繼續(xù)擴展，致使構(gòu)件有效截面逐漸減小，最終，經(jīng)過一定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后，在較低的應(yīng)力水平下脆斷，造成斷面的顆粒狀粗糙區(qū)域。由于應(yīng)力是交變的，在擴展過程中裂紋表面相互擠壓與研磨，致使擴展區(qū)域成光亮狀。典型的疲勞斷面照片

材料的疲勞極限與應(yīng)力-壽命曲線

疲勞時應(yīng)力遠低于靜載下材料的屈服強度或強度極限，因而屈服強度或強度極限已不能作為交變應(yīng)力下的強度指標(biāo)，需重新測定金屬的疲勞強度指標(biāo)。在同一循環(huán)特征r的交變應(yīng)力下，循環(huán)次數(shù)N隨交變應(yīng)力的最大應(yīng)力Smax的減小而增大，當(dāng)Smax減小到某一數(shù)值時，N趨于無限大。材料經(jīng)歷無限次應(yīng)力循環(huán)而不疲勞時的交變應(yīng)力的最大應(yīng)力，稱為材料的疲勞極限，或稱持久極限。材料的疲勞極限是材料本身所固有的性質(zhì)，因循環(huán)特征r、試件變形的形式以及材料所處的環(huán)境等不同而不同，需疲勞試驗測定。材料的疲勞極限用Sr

表示，即意味著對稱循環(huán)下的是S-1，脈動循環(huán)下的是S0

，以此類推。材料的疲勞試驗，首先要制備若干根光滑小試件（圖15-9a），然后裝卡到疲勞試驗機上進行試驗。圖15-9b是對稱循環(huán)彎曲變形疲勞試驗機的示意圖疲勞試驗機試驗過程將試件分成若干組，調(diào)整砝碼，使每組試件承受一定載荷，各組承受的載荷由高到低，即應(yīng)力水平由高到低。計數(shù)器會記錄下第i組第

j根試件承受某一最大應(yīng)力Smax而發(fā)生疲勞破壞時的旋轉(zhuǎn)周數(shù)，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nij

，又稱壽命。每根試件的試驗數(shù)據(jù)Smax與Nij在S-N坐標(biāo)系中對應(yīng)一點，將所有的試驗點作數(shù)據(jù)處理后會得到如圖15-10所示的曲線，稱為應(yīng)力-壽命曲線，簡稱

S-N曲線。應(yīng)力-壽命曲線(

S-N曲線)

S-N曲線上任一點A的縱、橫坐標(biāo)分別用Smax

,A、NA表示，這表明在交變應(yīng)力的最大應(yīng)力為Smax

,A時，試件疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為NA。所以，稱NA是最大應(yīng)力為Smax

,A時的有限疲勞壽命；而稱NA是有限疲勞壽命為Smax

,A時材料的條件疲勞極限。

S-N曲線有一條水平漸近線，該漸近線的縱坐標(biāo)用S-1表示，即為材料對稱循環(huán)下的疲勞極限。要“經(jīng)歷無限次應(yīng)力循環(huán)”，這個試驗是無法實現(xiàn)的。實際上人為地規(guī)定一個循環(huán)基數(shù)N0，若經(jīng)歷N0次應(yīng)力循環(huán)而不破壞，即認(rèn)為已滿足了“經(jīng)歷無限次應(yīng)力循環(huán)”這一條件。對于S-N曲線有水平漸近線的材料，如結(jié)構(gòu)鋼等，N0=107；而對于像鋁合金等無水平漸近線的材料，N0=108。試驗發(fā)現(xiàn)，鋼材的疲勞極限σ-1與其強度極限σb之間有如下關(guān)系彎曲變形：

拉壓變形：

扭轉(zhuǎn)變形：作業(yè)1.應(yīng)力集中2.疲勞，疲勞極限3.簡述疲勞極限的測試過程4.光彈性測試應(yīng)力集中的原理5.應(yīng)力集中系數(shù)6.應(yīng)力集中的測試方法（內(nèi)插法）7.電阻應(yīng)變片工作原理第五節(jié)殘余應(yīng)力及其測量殘余應(yīng)力的概念

通常講，一個物體，在沒有外力和外力矩作用、溫度達到平衡、相變已經(jīng)終止的條件下，其內(nèi)部仍然存在并自身保持平衡的應(yīng)力叫做內(nèi)應(yīng)力。

按照德國學(xué)者馬赫勞赫提出的分類方法，內(nèi)應(yīng)力分為三類：

第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力是存在于材料的較大區(qū)域（很多晶粒）內(nèi)，并在整個物體各個截面保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)一個物體的第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞時，物體會產(chǎn)生宏觀的尺寸變化。

第Ⅱ類內(nèi)應(yīng)力是存在于較小范圍（一個晶粒或晶粒內(nèi)部的區(qū)域）的內(nèi)應(yīng)力。

第Ⅲ類內(nèi)應(yīng)力是存在于極小范圍（幾個原子間距）的內(nèi)應(yīng)力。在工程上通常所說的殘余應(yīng)力就是第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力。

金屬材料在外力作用下發(fā)生塑性變形后會有殘余應(yīng)力出現(xiàn)!而只發(fā)生彈性變形時卻不會產(chǎn)生殘余應(yīng)力.

金屬在外力作用下的變形是不均勻的,有的部位變形量大,而有的部位小,它們相互之間又是互相牽連在一起的整體,這樣在變形量不同的各部位之間就出現(xiàn)了一定的彈性應(yīng)力-----當(dāng)外力去除后這部分力仍然存在,就是所謂的殘余應(yīng)力.是在一定范圍存在的彈性應(yīng)力.金屬殘留在物體內(nèi)的應(yīng)力是由分子間力的取向不同導(dǎo)致的。外力撤銷后，外力所造成的殘余變形導(dǎo)致了殘余應(yīng)力。通常用熱處理、時效處理來消除殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

在機械制造中，各種工藝過程往往都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但是，如果從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因可以歸結(jié)為：

1.不均勻的塑性變形；

2.不均勻的溫度變化；

3.不均勻的相變。殘余應(yīng)力的作用

機械零部件和大型機械構(gòu)件中的殘余應(yīng)力對其疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著十分重要的影響。

適當(dāng)?shù)摹⒎植己侠淼臍堄鄩簯?yīng)力可能成為提高疲勞強度、提高抗應(yīng)力腐蝕能力，從而延長零件和構(gòu)件使用壽命的因素；不適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力則會降低疲勞強度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，失卻尺寸精度，甚至導(dǎo)致變形、開裂等早期失效事故。殘余應(yīng)力的調(diào)整

針對工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對其使用性能不利的殘余拉應(yīng)力，有時還可以引入有益的殘余壓應(yīng)力分布，這就是殘余應(yīng)力的調(diào)整問題。

通常調(diào)整殘余應(yīng)力的方法有：

1.加熱，即回火處理,利用殘余應(yīng)力的熱松弛效應(yīng)消除或降低殘余應(yīng)力。

2.施加靜載，使工件產(chǎn)生整體或局部、甚至微區(qū)的塑性變形，也可以調(diào)整工件的殘余應(yīng)力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內(nèi)部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發(fā)生微量塑性變形，以減小焊接殘余應(yīng)力。3.振動時效：在國際上，工業(yè)發(fā)達國家起始于上世紀(jì)50年代，我國從70年代研究和推廣。振動消除應(yīng)力主要特點：

（1）處理時間短；

（2）適用范圍廣；

（3）能源消耗少；

（4）設(shè)備投資小，操作簡便。

4.錘擊、噴丸、滾壓等：噴丸強化是行之有效、應(yīng)用廣泛的強化零件的手段，噴丸的同時也改變了表面殘余應(yīng)力狀態(tài)和分布，而噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力又是強化機理中的重要因素。？

熱時效是將工件加熱、保溫、冷卻，消除工件內(nèi)應(yīng)力，一般情況下每爐工件加熱時間為16小時，保溫、冷卻時間為8小時，能耗大。

振動時效工藝是通過專用的激振設(shè)備使工件產(chǎn)生振動，振動產(chǎn)生的動應(yīng)力與工件內(nèi)部原有的殘留應(yīng)力相疊加，達到均化內(nèi)應(yīng)力，減少工件變形的效果，其耗能設(shè)備僅為振動機械（電機），且一般處理一個工件僅需30分鐘左右，時間短、能耗小。

振動時效處理現(xiàn)場圖噴丸處理噴丸又分為噴丸和噴砂。噴丸還用于提高表面硬度和降低表面粗糙度噴丸處理一般應(yīng)用在汽車的彈簧鋼板的加工上.是為了減少被加工材料的塑性變形.噴丸強化分為一般噴丸和應(yīng)力噴丸.一般處理時,鋼板在自由狀態(tài)下,用高速鋼丸打擊鋼板的里面,使其表面產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力.以減少工作中鋼板表面的拉應(yīng)力,增加使用壽命.應(yīng)力噴丸處理是將鋼板在一定的作用力下的預(yù)先彎曲,然后進行噴丸處理.噴丸除銹的原理與應(yīng)用:

1.原理:以壓縮空氣帶動鐵丸通過專門工具,高速噴射于金屬表面,利用鐵丸的沖擊和摩擦作用,清除金屬表面的鐵銹及其他污染,并得到有一定粗糙度的,顯露金屬本色的表面.

2.應(yīng)用:為了提高防護層的結(jié)合力.噴丸硬化原理與應(yīng)用:

1.原理:將淬硬鋼丸以壓縮空氣噴出或離心式噴丸機借離心力甩到金屬表面,利用鋼丸對金屬表面的沖擊作用使零件表面硬化.

鋼丸沖擊金屬表面:第一使零件表面生成0.1-0.4mm深的硬化層,增加零件表面對塑性變形和斷裂的抵抗能力,并使表層產(chǎn)生壓應(yīng)力,提高其疲勞強度;第二使零件表面上的缺陷和由于機械加工所帶來的損傷減少,從而降低應(yīng)力集中.

2.應(yīng)用:用在承受交變應(yīng)力下工作的零件噴丸處理后可以大大提高其疲勞強度,使壽命提高幾倍.殘余應(yīng)力的測量方法

殘余應(yīng)力的測量方法可以分為有損和無損兩大類。

有損測試方法就是應(yīng)力釋放法，也可以稱為機械的方法；無損方法就是物理的方法。

機械方法目前用得最多的是切割法和套環(huán)法，鉆孔法（盲孔法）等。

物理方法中用得最多的是X射線衍射法，其它主要物理方法還有中子衍射法、磁性法和超聲法。X射線衍射法X射線衍射法依據(jù)X射線衍射原理，即布拉格定律。布拉格定律把宏觀上可以準(zhǔn)確測定的衍射角同材料中的晶面間距建立確定的關(guān)系。材料中的應(yīng)力所對應(yīng)的彈性應(yīng)變必然表征為晶面間距的相對變化。當(dāng)材料中有應(yīng)力σ存在時，其晶面間距d必然隨晶面與應(yīng)力相對取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也會相應(yīng)改變。因此有可能通過測量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來求得應(yīng)力σ。該法可以在實驗室進行研究，可且可以應(yīng)用到各種實際工件，包括大型工件的現(xiàn)場測量。

磁性法

磁性法測量殘余應(yīng)力是利用鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。即在應(yīng)力作用下。鐵磁材料的各方向上的導(dǎo)磁率發(fā)生不同的變化，從而產(chǎn)生磁各向異性。通過對導(dǎo)磁率變化的測定來確定殘余應(yīng)力的方法。

切割法切割法：在欲測部位劃線：劃出20m