第二章+材料在其他靜載下的力學(xué)性能.ppt

1、材料在其他靜載下的力學(xué)性能,化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 帥 心 濤,材料性能學(xué)：第二章,2-1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù),材料單向靜拉伸試驗：材料的塑性變形和斷裂方式主要與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān) 正應(yīng)力容易導(dǎo)致脆性的解理斷裂 切應(yīng)人容易導(dǎo)致材料的塑性變形和韌性斷裂， 實際應(yīng)用：材料變形和斷裂方式主要決定于承載條件下的應(yīng)力狀態(tài) 不同的應(yīng)力狀態(tài)對脆性正斷起主要作用的最大正力應(yīng)力max與對塑性變形和韌性斷裂起主要作用的最大切應(yīng)力max的相對大小是不一樣的,2-1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù),材料力學(xué)表明：任何復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)都可用3個主應(yīng)力1、2和3 (123)來表示 按照“最大切應(yīng)力理論”：最大切應(yīng)力 max=(1-3)/2； 按照“

2、相當最大正應(yīng)力理論”：最大正應(yīng)力 max=1(2+3)。 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)： 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 越小，最大正應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越硬，則材料越容易產(chǎn)生脆性斷裂,2-1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù),典型加載方式的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 值,2-1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù),三向等拉伸：應(yīng)力狀態(tài)最硬，因其切應(yīng)力分量為零。在這種應(yīng)力狀態(tài)下，材料最易發(fā)生脆性斷裂，因此對于塑性較好的金屬材料，為了充分揭示其脆性傾向，往往采用應(yīng)力狀態(tài)硬的三向不等拉伸試驗，防止其僅產(chǎn)生塑性斷裂 單向拉伸：正應(yīng)力分量較大，切應(yīng)力分量較小，應(yīng)力狀態(tài)較硬，一般適用于塑性變形抗力與切斷抗力較低的所謂

3、塑性材料的試驗。 扭轉(zhuǎn)和壓縮：應(yīng)力狀態(tài)較軟，材料易產(chǎn)生塑性變形，一般適用于在單向拉伸時易發(fā)生脆斷而不能充分反映其塑性性能的所謂脆性材料(如灰鑄鐵、淬火高碳鋼和陶瓷等) 硬度試驗：屬于三向不等壓縮應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)非常軟，因此硬度試驗可在各種材料上進行,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,扭轉(zhuǎn)試驗一般采用圓柱形試樣在扭轉(zhuǎn)試驗機上進行扭轉(zhuǎn)時試樣表面的應(yīng)力狀態(tài)如圖21(a)所示，在與試樣軸線呈45方向上承受最大正應(yīng)力，與試祥軸線平行或垂直方向上承受最大切應(yīng)力 在彈性變形階段，試祥模截面上的切應(yīng)力和切應(yīng)變沿半徑方向呈線性分布圖2l(b) 當表層產(chǎn)生塑性變形后，切應(yīng)變的分布仍保持線性關(guān)系，切應(yīng)力則因塑性

4、變形而呈非線性變化圖2l(c),2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,扭轉(zhuǎn)圖:在扭轉(zhuǎn)試驗過程中，根據(jù)每一時刻加于試樣上的扭矩M和扭轉(zhuǎn)角(在試樣標距l(xiāng)0上的兩個截面問的相對扭轉(zhuǎn)角)繪制成M-曲線(圖2-2),根據(jù)扭轉(zhuǎn)圖和有關(guān)的材料力學(xué)公式便可計算出材料的扭轉(zhuǎn)強度、剪切彈性模量和剪切應(yīng)變等扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力:指當試件標距部分表面非比例切應(yīng)變p達到規(guī)定值時，按彈性扭轉(zhuǎn)公式算出的應(yīng)力，表示為p，即材料對招轉(zhuǎn)配件變形的抗力 式中，W為試樣截面系數(shù)，圓柱試樣為d03/16；Mp為扭轉(zhuǎn)曲線上某一點對M軸的正切值較扭轉(zhuǎn)曲線上直線部分ON正切值大50時該點對應(yīng)

5、的扭矩，單位為Nm,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,扭轉(zhuǎn)屈服強度:表示為s 式中，Ms為殘余扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變?yōu)?.3%（相當于拉伸殘余應(yīng)變?yōu)?.2%）時的扭矩(Nm)。 扭轉(zhuǎn)強度極限:表示為b 式中，Mb為試樣斷裂前的最大扭矩(Nm)。,條件強度極限：上式中的b是按彈性力學(xué)公式計算的，由圖2-l(c)可知，由于試樣表面層的塑性變形，使其切應(yīng)力有所降低，這是因為形變強化模數(shù)D較彈性模數(shù)G小，使應(yīng)力曲線下降的結(jié)果所以，用上述彈性公式(2-3)計算的b值與真實情況不符，故稱b為條件強度極限。 除了松脆材料外，b不能代表真實扭轉(zhuǎn)強度極限，只能用作標準試樣條件下的相對比較為了求得真實扭轉(zhuǎn)強度極限，應(yīng)運用塑

6、性力學(xué)理論，按圓柱形試樣產(chǎn)生大量塑性變形條件下的扭轉(zhuǎn)真應(yīng)力來計算,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,真實扭轉(zhuǎn)強度極限tf: 式中，Mf為試樣斷裂時的最大扭矩(Nm)；f為試樣斷裂時單位長度上的相對扭轉(zhuǎn)角。,(dM/d)f為M-扭轉(zhuǎn)曲線上f點處的切線相對于軸的夾角的正切值(Nm/rad)，可用圖解微分法求出，即根據(jù)計算出的各及對應(yīng)的各M值，畫出臨近斷裂部分的M-曲線，曲線上Mf處的斜率tan即為(dM/d)f ，如圖2-3所示,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,當(dM/d)f =0: 這是在完全理想塑性條件下的表達式。前式中的第二項則代表存在彈性變形和形

7、變強化時應(yīng)有的校正。 剪切彈性模量:表示為G M、分別為彈性變形階段的扭矩和相對扭轉(zhuǎn)角。,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,扭轉(zhuǎn)相對殘余切應(yīng)變:表示為f 對于塑性材料，因塑性變形很大，彈性切應(yīng)變可以忽略不計，用上式求出的總切應(yīng)變可看作殘余切應(yīng)變對脆性材料和低塑性材料，因塑性變形很小，彈性變形不能忽略，須把從上式中所得的總切應(yīng)變值減去彈性切應(yīng)變p才是殘余切應(yīng)變 彈性切應(yīng)變:表示為p,扭轉(zhuǎn)試驗應(yīng)用：扭轉(zhuǎn)試驗及其測定的性能指標除可作為扭轉(zhuǎn)條件下服役的機件設(shè)計和選材的依據(jù)外，在材料的試驗研究中，也是一種重要測試手段。 扭轉(zhuǎn)試驗特點1：扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)(=0.8)較拉伸的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)(=0.

8、5)高，故可用來測定那些在拉伸時呈現(xiàn)脆性的材料(ts/c=0.50.8)的強度和塑性。 扭轉(zhuǎn)試驗特點2：扭轉(zhuǎn)試驗時試樣截面的應(yīng)力分布為表面最大，愈往心部愈小故此法對材料表面硬化及表面缺陷的反映十分敏感利用這一特性，可對各種表面強化工藝進行研究和對機件的熱處理表面質(zhì)量進行檢驗,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,扭轉(zhuǎn)試驗特點3：圓柱形試樣在扭轉(zhuǎn)試驗時，整個試樣長度上始終不產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，塑性變形始終是均勻的，其截面及標距長度也基本上保持原尺寸不變，故可用來精確評定那些拉伸時出現(xiàn)頸縮的高塑性材料的形變能力和形變抗力 扭轉(zhuǎn)試驗特點4：扭轉(zhuǎn)試驗時正應(yīng)力與切應(yīng)力大致相等，而生產(chǎn)中所使用的大部分金屬結(jié)構(gòu)材料

9、的ctf，所以扭轉(zhuǎn)試驗是測定這些材料的切斷強度的最可靠方法。根據(jù)試樣的斷口特征還可區(qū)分材料最終的斷裂方式是正斷還是切斷,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,扭轉(zhuǎn)試驗特點4：切斷斷口、斷面和試樣軸線垂直，有回旋狀塑性變形痕跡，這是切應(yīng)力作用的結(jié)果。塑性材料常為 這種斷口，如圖2-4(a) 所示。正斷斷口，斷面 和試樣軸線約成45角， 呈螺旋狀或斜劈狀，這 是正應(yīng)力作用的結(jié)果， 脆性材料常為這種斷口， 如圖2-4(b)所示,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,彎曲試驗用圓柱試樣或方形試樣在萬能試驗機上進行加載方式一般有兩種： 三點彎曲加載：最大彎矩MmaxFL/

10、4（圖2-5(a)） 四點彎曲加載：最大彎矩MmaxFK/2 （圖2-5(b)），L段為等彎矩。,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,彎曲圖:指記錄 載荷F(或彎矩M) 與試樣最大撓度 fmax之間的關(guān)系 曲線（圖2-6）， 可籍此來確定材 料在彎曲載荷下 的力學(xué)性能,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,試樣彎曲時，受拉一側(cè)表面的最大正應(yīng)力: 式中，W為試樣抗彎截面系數(shù)。 對于直徑為do的圓柱試樣 對于寬度為b，高度為h 的矩形試樣,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,脆性材料可根據(jù)彎曲圖2-6(c)計算抗彎強度: 式中，Mb為試樣斷裂時的彎矩（Nm）。 材料的塑性可用最大彎曲撓度fmax表示

11、 fmax值可由百分表或撓度計直接讀出此外，從彎曲一撓度曲線上還可測算彎曲彈性模數(shù)Eb規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力pb、斷裂撓度fb、斷裂能量等性能指標。,彎曲試驗特點1：彎曲加載時受拉一側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)基本與靜拉伸相同，但不存在所謂的試樣偏斜影響故常用于測定因太硬而難于加工成拉伸試樣的脆性材料的斷裂強度，并能顯示它們的塑性差別 彎曲試驗特點2：彎曲試驗時截面上的應(yīng)力分布也是表面上應(yīng)力最大，故可靈敏反映材料的表面缺陷故常用來比較和評定材料表面處理層的質(zhì)量 彎曲試驗特點3：塑性材料F-fmax曲線的最后部分可任意延長圖2-6(a)，表明彎曲試驗不能使這些材料斷裂此時雖可測定規(guī)定非比例和彎曲應(yīng)力，但實際上很少應(yīng)

12、用，應(yīng)采用拉伸試驗,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,壓縮試驗：指對試樣施加軸向壓力，在其變形和斷裂過程中測定材料的強度和塑性等力學(xué)性能指標的試驗方法。壓縮試驗用的試樣通常為圓柱形 壓縮試驗的影響因素： 為防止試樣的縱向失穩(wěn)，脆性材料和低塑性材料的試樣高度h0和直徑d0之比不應(yīng)大于2，最好為12 由于試樣端面摩擦的作用，試樣尺寸h0/d0對壓縮變形量及其形變抗力有很大影響為排除這種影響，必須采用相同h0/d0的試樣 試樣端部的摩擦力不僅影響試驗結(jié)果，而且會改變斷裂形式，因此應(yīng)盡量設(shè)法減小。,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,壓縮曲線: 壓縮試驗時，材料抵

13、抗外力變形和斷裂情況也可用壓力和變形的關(guān)系曲線來表示（圖2-7）。 1為脆性材料酌壓縮曲線，斷裂點f的應(yīng)力即為抗壓強度bc； 2為塑性材料酌壓縮曲線，其上部虛線表示材料被壓扁但并不斷裂。,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,脆性材料的抗壓強度及壓縮塑性指標如下： 規(guī)定非比例壓縮應(yīng)力: 抗壓強度: 相對壓縮率: 相對斷面擴展率: 式中，F(xiàn)bc為壓縮斷裂載荷；ho、hf分別為試樣原始和斷裂時的高度(m)；Ao、Af分別為試樣原始和斷裂時的截面積(m2)。,壓縮試驗特點1：單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=2因此，壓縮試驗主要用于脆性材料，以顯示其在靜拉伸時韌性狀態(tài)下所不能反映的力學(xué)行為例如絕大多數(shù)無機非

14、金屬材料和鑄鐵等脆性材料在拉伸時為脆性正斷，而在壓縮時則發(fā)生一定塑性變形，并有沿著與軸線成45的切斷特征。 壓縮試驗特點2：壓縮與拉伸的受力方向相反，且所得的載荷一變形曲線、塑性及斷裂形態(tài)也存在較大差別，特別是壓縮試驗不能使塑性材料斷裂故塑性材料一般不采用壓縮方法檢驗 壓縮試驗特點3： 多向不等壓縮試驗的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)2 此方法適用于脆性更大的材料，它可以反映此類材料的微小塑性差異。,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,硬度：衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能。其值表征材料表面上不大體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力 硬度試驗方法按加載方式可分為： 壓入法：其值表征材料表面抵抗另一物體局部壓入時所引起的

15、塑性變形能力，由加載速率不同分為 動載壓入法：包括超聲波硬度、肖氏硬度和錘擊式布氏硬度 靜載壓入法：包括布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度 刻劃法：其值表征材料表面對局部切斷破壞的抗力，包括莫氏硬度順序法和挫刀法等,2-3 硬度,2-3 硬度,布氏硬度試驗的原理:用一定大小的載荷F(kgf)，把直徑為D(mm)的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入試樣表面(圖2-17)，保持規(guī)定時間后卸除載荷，測量試樣表面的殘留壓痕直徑d，求壓痕的表面積S將單位壓痕面積承受的平均壓力(F/S)定義為布氏硬度， 用HB表示,布氏硬度值的符號： 當壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度值為450650的材料

16、； 當壓頭為淬火鋼球時，用符號HBS表示，適用于布氏硬度值低于450的材料 布氏硬度值的表示方法：一般記為“數(shù)字+硬度符號(HBS或HBW)+數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字”的形式，符號前面的數(shù)字為硬度值，符號后面的數(shù)字依次表示鋼球直徑、載荷大小及載荷保持時間等試驗條件當保持時間為1015s時可不標注 用10mm淬火鋼球，在3000kgf載荷作用下保持30s測得的硬度值為280，則記為280 HBS10/3000/30,2-3 硬度,2-3 硬度,在實際生產(chǎn)中進行布氏硬度檢驗時，需要使用大小不同的載荷F和壓頭直徑D那么當對同一種材料采用不同的F和D進行試驗時能否得到同一布氏硬度值？ 壓痕相似原理：從圖中 可

17、以看出d和壓入角的 關(guān)系，即 代入布氏硬度公式可得,壓痕相似原理： 由上式可知，要保持在不同試驗條件下同一材料測得的布氏硬度值相同，必須滿足 壓入角為常數(shù):即獲得幾何形狀相似的壓痕； F/D2為常數(shù):試驗表明，當F/D2等于常數(shù)時所得壓痕的壓入角保持不變因此，為了使同一材料用不同F(xiàn)和D測得的HB值相同，應(yīng)使F/D2保持常數(shù) 布氏硬度值的F/D2比值：有30、15、10、5、2.5、1.25和1共7種對軟硬不同的材料，為了獲得統(tǒng)一的、可比較的硬度值，應(yīng)選用不同的F/D2比值，以便將壓入角限制在2874范圍內(nèi)，壓痕直徑d控制在(0.240.6)D之間,2-3 硬度,布氏硬度試驗的F/D2比值的選擇

18、 布氏硬度試驗的具體操作及試驗規(guī)范可按GB 6270-86的規(guī)定進行,2-3 硬度,布氏硬度試驗的優(yōu)點：布氏硬度試驗的優(yōu)點是壓痕面積較大，其硬度值能反映材料在較大區(qū)域內(nèi)各組成相的平均性能因此，布氏硬度檢驗最適合測定灰鑄鐵、軸承合金等材料的硬度壓痕大的另一優(yōu)點是試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性高 布氏硬度試驗的缺點：布氏硬度試驗的缺點是因壓痕直徑較大，一般不宜在成品件上直接進行檢驗；此外，對硬度不同的材料需要更換壓頭直徑D和載荷F，同時壓痕直徑的測量也比較麻煩,2-3 硬度,2-3 硬度,洛氏硬度測定原理:洛氏硬度也是一種壓入硬度試驗方法但其原理不是通過測壓痕面積求得硬度值，而是以測量壓痕深度值的大小來表示

19、材料的硬度值 試驗所用的壓頭為圓錐角=120的金剛石圓錐或直徑為1.588mm、3.175mm的淬火鋼球載荷分先后兩次施加，先加初載荷F1，再加主載荷F2，其總載荷為F(FF1+ F2),2-3 硬度,洛氏硬度試驗的原理: 圖2-19中0-0為金剛石壓頭沒有和試樣接觸時的位置；1-1為壓頭受到初載荷 F1后壓人試樣深度為h1的位置；2-2為壓頭受到主載荷F2后壓入試樣深度 為h2的位置；3-3為 壓頭卸除主載荷F2， 且只保留初載荷F1時 的位置由于試樣彈 性變形部分的恢復(fù)， 使壓頭提高了h3，此 時壓頭受主載荷作用 實際壓人的深度為h,2-3 硬度,洛氏硬度測定原理:以h的大小計算硬度值h值

20、越大，硬度愈低. 為了適應(yīng)習(xí)慣上數(shù)值愈大硬度越高的概念，故用一常數(shù)k減去h來表示硬度值，并規(guī)定每0.002mm為一個硬度單位,用符號HR表示： k當壓頭為金剛石時為0.2，為淬火鋼球時為0.26 洛氏硬度標尺：為了能用一種硬度計測定不同軟硬材料的硬度，常采用不同的壓頭與總載荷組合成幾種不同的洛氏硬度標尺，每一種標尺用一個字母在洛氏硬度符號HR后注明，有9種之多。常用HRA、HRB及HRC 3種.,2-3 硬度,洛氏硬度的試驗規(guī)范 洛氏硬度的試驗規(guī)范參考國標GB/T230-91 洛氏硬度試驗的特點：優(yōu)點是操作簡便迅速，壓痕小，可進行直接檢驗；依據(jù)不同標尺可測定軟硬不同和薄厚不一的試樣硬度缺點是因

21、壓痕較小，以及材料中的偏析及組織不均勻等情況，使所測硬度值的重復(fù)性差、分散度大，用不同標尺測得的硬度值既不能直接進行比較又不能彼此互換,2-3 硬度,2-3 硬度,維氏硬度試驗的原理:用一定大小的載荷F(kgf)，把兩相對面夾角為136的金剛石四棱錐體壓入試樣表面(圖2-20)，保持規(guī)定時間后卸除載荷，測量壓痕的對角線長度分別為d1和d2，取其平均值d，用以計算壓痕的表面積S，F(xiàn)/S即為試樣的硬度值（HV）,2-2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能,當載荷單位為kgf，壓痕對角線長度單位為mm時， 當載荷的單位為N時， 維氏硬度值的表示方法：為“數(shù)字+HV+數(shù)字/數(shù)字”的形式，HV前面的數(shù)字為硬度值

22、，HV后面的數(shù)字表示試驗所用載荷和載荷持續(xù)時間。當載荷持續(xù)時間為1015s時可不標注 例如，640HV30/20表明在載荷30kgf昨用下，持續(xù)20s測得的維氏硬度為640,2-3 硬度,維氏硬度試驗的載荷:有49.1(5)、98.1(10)、196.2(20)、294.3(30)、490.5(50)、981(100)N(kgf)共6種。根據(jù)硬化層深度、材料的厚度和預(yù)期的硬度，盡可能選用較大栽荷，以減少測量壓痕對角線長度的誤差。當測定薄件或表面硬化層硬度時所選擇的載荷應(yīng)保證試驗層厚度大于1.5d 顯微維氏硬度試驗:其試驗原理一樣，所不同的是負荷以gf計量，壓痕對角線長度以m計量主要用來測定各種

23、組成相的硬度以及研究金屬化學(xué)成分、組織狀態(tài)與性能的 關(guān)系,符號仍用HV表示,2-3 硬度,顯微硬度試驗的載荷: 一般為2、5、10、50、100及200gf，由于壓痕微小，試樣必須制成金相樣品，在磨制與拋光試樣時應(yīng)注意，不能產(chǎn)生較厚的金屬擾亂層和表面形變硬化層，以免影響試驗結(jié)果 在可能范圍內(nèi)，盡量選用較大的負荷，以減少因磨制試樣時所產(chǎn)生的表面硬化層的影響，從而提高測量的精確度。 維氏硬度及顯微硬度的試驗規(guī)范參考GB 4340-84和GB 4342-84,維氏硬度試驗的特點： 優(yōu)點：由于角錐壓痕清晰，采用對角線長度計量，精確可靠；壓頭為四棱錐體，當載荷改變時，壓入角恒定不變，因此可以任意選擇載荷，而不存在布氏硬度那種載荷F與壓球直徑D之間 的關(guān)系約束。 優(yōu)點：不存在洛氏硬度那種不同標尺的硬度無法統(tǒng)一的問題，而且比洛氏硬度所測試件厚度更薄。 缺點：其測定方法比較麻煩，