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1、,其它静载力学性能,第二章,引言,研究金属材料在常温静载下力学性能： 拉伸、压缩、弯曲、扭转 不同加载方式在试样中产生的应力状态不同，材料所表现出的力学行为不完全相同。,应力状态柔性因数：表示应力状态对材料塑性 变形的影响,式中最大切应力max按第三强度理论计算，即max=(1-3)/2 ，1，3分别为最大和最小主应力,最大正应力max按第二强度理论计算，为泊松比。, 1.应力状态柔性系数,对单向拉伸 0.5 对扭转 0.8 对单向压缩2 值表示材料塑性变形的难易程度： ，切应力分量越大，材料越易塑性变形，不易引起脆断应力状态越“软”；反之则越“硬” 。,图5-18佛里德曼()力学状态图,2
2、压缩试验,一、 单向压缩特点 单向压缩时应力状态的柔度系数大=2，故用于测定脆性材料，如铸铁、轴承合金、水泥和砖石等的力学性能。 由于压缩时的应力状态较软，故在拉伸、扭转和弯曲试验时不能显示的力学行为，而在压缩时有可能获得。,压缩可以看作是反向拉伸。因此，拉伸试验时所定义的各个力学性能指标和相应的计算公式，在压缩试验中基本上都能应用。 塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不断裂,而脆性材料在压缩时产生一定量的塑性变形,压缩断裂面与压缩载荷轴线呈45角。,压缩载荷变形曲线,1-塑性材料，2-脆性材料,1-塑性材料,2-脆性材料,二、压缩试验,试样为圆形或正方形，试样长度为直径或边长的2.53.
3、5倍,根据压缩曲线，可以求出压缩强度和塑性指标。对于低塑性和脆性材料，一般只测抗压强度bc，相对压缩ck和相对断面扩胀率ck。 抗压强度bc bc=Fbc/A0 为试件压缩断裂时的载荷;,相对压缩ck ck=(h0-hk)/h0100 相对断面扩胀率ck ck=(Ak-A0)/A0100 式中h0和hk分别为试件的原始高度和断裂时的高度；A0和Ak分别为试件的原始截面积和断裂时的截面积。,压缩实验时，上下压头与 试样端面间存在很大摩擦力，会影响实验结果并改变断裂形式。因此可将端面加工成凹锥体。,Tan=f f：摩擦系数 :锥面倾角,应力主要为正应力 应力分布不均匀表面最大中心为零 三点弯曲或四
4、点弯曲试验：将圆形或矩形及方形试样放置在一定跨距L的支座上，通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，通常求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和塑性。,3. 弯曲试验,一、弯曲试验的特点 1）试样形状简单、操作方便。同时弯曲试验不存在拉伸试验时的试样偏斜对试验结果影响问题，并可用挠度显示材料的塑性。 2）试验时，试样截面上的应力分布不均匀，表面应力最大，可灵敏的反映材料表面缺陷。常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等机件的质量与性能。 3）试验时不能使塑性较好的材料断裂，故其Ffmax曲线的最后部分可任意延长。,二、弯曲试验,1 弯曲试验方法:圆柱试样: d=545mm,L=10d,矩
5、形试样：hb 为57.5 ， 3040,弯曲应力,三点弯曲,四点弯曲,W=bh2/6,通常用弯曲试件的最大挠度fmax表征材料的变形性能。试验时，在试件跨距的中心测定挠度，绘成P-fmax关系曲线，称为弯曲图。下图表示三种不同材料的弯曲图。,（a）,（b）,（c）,（a）高塑性材料，（b）中等塑性材料，（c）脆性材料,对于脆性材料，可根据弯曲图，用下式求得抗弯强度bb bb=Mb/W 式中Mb为试件断裂时的弯矩，W为截面抗弯系数，对于直径为d的圆形试样， ；对于宽度为b，高为h的矩形试样，W=bh2/6,3 弯曲试验的应用,用于测定灰铸铁的抗弯强度，灰铸铁的弯 曲试件一般采用铸态毛坯圆柱试件。
6、,用于测定硬质合金的抗弯强度，硬质合金由于硬度高，难以加工成拉伸试件，故常做弯曲试验以评价其性能和质量。常用规格为:5mm5mm30mm,跨距:24mm 陶瓷材料的抗弯强度测定。,扭转试验采用圆柱形(实心或空心)试件, 在扭转试验机上进行。扭转试件如左图所示, 标距为100mm；有时也采用标距为50mm的短试件。,4. 扭转试验及测定的力学性能,1扭转试验的应力应变分析,应力状态: 纵向 受力均匀； 横向 表面最大，心部为0 最大正应力与最大切应力相等。,2.切应力-切应变,在弹性变形范围内，材料力学给出了圆杆表面的切应力计算公式如下 =T/ W,式中T为扭矩；W为截面系数。对于实心圆杆， W
7、d0316； 因切应力作用而在圆杆表面产生的切应变为 =tg=d0/2L0100 （3-2） 式中为圆杆表面任一平行于轴线的直线因的作用而转动的角度,见下 图；为扭转角; L0为杆的长度。,利用扭转图，确定材料的切变模量G，扭转比例极限p, 扭转屈服强度s, 和抗扭强度b,切变模量,扭转比例极限p：,Tp为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩,抗扭强度 b=Tb/W 式中Tb为试件断裂前的最大扭矩。,扭转屈服强度s s = Ts /W 式中Ts为残余扭转切变为0.3%时的扭矩。,3 扭转试验的特点及应用,（1）应力状态柔度因数 0.8（大于拉伸时），易于显示金属的塑性行为（如可评定在拉伸时呈脆性的淬火
8、结构钢和工具钢的塑性）。,（2）扭转试验时试样截面上应力分布不均匀，表面最大，越往心部越小。可对各种表面强化工艺进行研究和检查机件热处理的表面质量。,(3)扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式， 正断或切断。,(4)扭转试验时，试件受到较大的切应力，因而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的非同时性的问题，如弹性后效、弹性滞后以及内耗等。,(5)圆柱试件在扭转试验时，整个长度上的塑性变形始终是均匀的。其截面从标距长度基本保持不变，不会出现静拉伸时试件发生的颈缩现象。因此可用扭转试验精确地测定高塑性材料的变形抗力和变形能力而这在单向拉伸或压缩试验时是难以做到的。,扭转试验可用于测定塑性材料和脆性
9、材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标。 然而，扭转试验的特点和优点在某些情况下也会变为缺点，例如，由于扭转试件中表面切应力大，越往心部切应力越小，当表层发生塑性变形时，心部仍处于弹性状态。因此，很难精确地测定表层开始塑性变形的时刻，故用扭转试验难以精确地测定材料的微量塑性变形抗力。,5.压环强度试验,压环强度：,r=1.908Pr(D-t)/2Lt2,压环强度试验示意图,6 剪切试验,模拟实际服役条件，并提供材料的抗剪强度数据作为设计的依据。 单剪试验 双剪试验 冲孔式剪切试验,1.单剪实验,剪切试验用于测定板材或 线材的抗剪强度，故剪切试件 取自板材或线材。试验时将试 件固定在底座上，然后
10、对上压 模加压。直到试件沿剪切面 m-m剪断。这时剪切面上的最 大切应力即为材料的抗剪强度；,2 双剪试验,名义抗切强度：,双剪试验示意图,双剪试验：试件有两个剪切面,金属薄板的抗剪强度用冲孔式剪切试验法测定。试验装置如下图所示。试件断裂时的载荷为Pb断裂面为一圆柱面。故抗剪强度为,3 冲孔式剪切剪试验,d0：冲孔直径， t：板料厚度。,7.缺口试样静载荷试验,一、缺口效应,1.弹性状态下应力分布,设一薄板的边缘开有缺口，并承受拉应力作用。当板材处于弹性状态，其缺口应力分布如图,最大应力决定于缺口几何参数根部曲率半径影响最大，缺口越尖锐，应力越大。,由图210可见，开有缺口的薄板承受拉伸应力后
11、，缺口根部还出现了横向拉应力x。它是由于材料横向收缩引起的。,假设沿x方向将薄板等分成很多细小的纵向拉伸试样，每一小试样受拉伸用都能自由变形。,每一小试样变形？ 伸长量y=,条件：,有一个变化的拉应力y,结果：,每个试样的拉力不同,小试样所处位值不同，它们所受的人大小也不一样，越靠近缺口根部， y越大，相应的纵向应变y也越大。每一小试样在产生纵向应变y同时，必然要产生横向收缩-x ，如果核向收缩能自由进行，则每个小试样将彼此分离开来。,每个试样变形量大小不同,使各小试样在相邻界面上必然要产生横向应力x，以阻止横向收缩分离,实际：,薄板是弹性连续介质不允许各部分自由收缩变形,约束：,自缺口根部向
12、内部发展，收缩变形阻力增大，因此久逐渐增加，当增大到一定数值后，随着y的不断减小， x也随之下降。,远离缺口先增后减,x的分布：,这是由于在缺口根部金属能自由收缩，所以根部的x0,对于薄板，在垂直于板面方向可以自由收缩变形,z0,其中心部分是两向拉伸的平面应力状态,缺口根部仍为单向拉伸应力状态。,如果在厚板上开有缺口，在受拉伸力作用后在垂直于板厚方向的收缩变形受到约束,z=0,在缺口根部为两向拉伸应力状态，缺口内侧为三向拉伸的平面应变状态，yz x,缺口的第一个效应：引起应力集中，改变了缺口根部的应力状态,2.缺口试样在塑性状态下的应力分布,对于塑性较好的金属材料，若缺口根部产生塑性变形，应力
13、将重新分布，并随载荷的增大塑性区逐渐扩大，直至整个截面上都产生塑性变形,以厚板为例，缺口截面上应力重新分布,根据屈雷斯加判据，金属屈服的条件,缺口根部：,当外力增加,缺口根部先屈服,一旦屈服缺口部位y被松弛到s,缺口内部x0,根据屈雷斯加判据,必须增加纵向应力y，心部才能产生屈服,y、z 随x的增加而增大,塑性变形时，y引起的收缩比弹性阶段大一倍，x增加,塑性变形直到弹塑性变形的交界,缺口的第二个效应：使塑性材料的强度升高，塑性下降,二、缺口试祥静拉伸试验,用带切口的拉伸试件测定其断裂时的名义应力(净断面平均应力)， 记为bN，,切口强度对抗拉强度的比值定义为切口强度比NSR (notch s
14、ensitivity ratio)又叫切口敏感度： NSR=bNb 若NSR1.0，表示材料对切口不敏感，或者说材料是切口韧性的； 若NSR1.0，则材料对切口敏感，材料是切口脆性的。,6.硬度,古时，利用固体互相刻划来区分材料的软硬 硬度仍用来表示材料的软硬程度。 硬度测定简便，造成的表面损伤小，基本上属于“无损”检测的范畴。 测定硬度的方法很多，主要有压入法，回跳法和刻划法三大类。 硬度定义:是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。,压入法,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV,1 布氏硬度测定的原理和方法 压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面
15、留下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。,一 、布氏硬度,布氏硬度测试原理,布氏硬度测试示意,压痕几何相似,公式表明，当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。,(1),由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，压入角应相等。 布氏硬度相同时，要保证压入角相等，则F/D2应为常数。,(2),(3),国标GB231-84根据材料的种类及布氏硬度范围， 规定了7种F/D2之值，见下表。,压头
16、直径选定: 试件的厚度应大于压痕深度的10倍。尽可能选用大直径的压头。根据材料及其硬度范围，参照表4-1选择P/D2。 测试加载压力与试件表面垂直，均匀平稳，无冲击。 压力作用下的保持时间有规定，对黑色金属应为10秒，有色金属为30秒，对HB35的材料为60秒。压痕直径d不在0.25 0.6 D 范围无效。,符号表示：压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBW(淬火钢球作压头，测定HB450的材料的硬度；硬质合金球作压头，测定的硬度可达650HB) HBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。 例：150HBSl0300030表示用10mm直径淬火钢球，加压3
