材料力学性能第二章1a.

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1、Mechanical properties of materials1 第二章 材料在其他静载下的力学性能 2 第二章 材料在其他静载下的力学性能 本章的意义： 材料在实际服役中的受力形式和受力 状态十分复杂，单向拉伸得到的性能数 据不能完全反映材料的变形、断裂等特 点。为了充分揭示材料的力学行为和性 能特点，常采用扭转、弯曲、压缩以及 带有台阶、孔洞、螺纹等与实际受力相 似的加载方式进行性能实验，为合理选 材和设计提供充分的实验依据。 3 第二章 材料在其他静载下的力学性能 本章的内容： 介绍扭转、弯曲、压缩 以及带缺 口试样 的静拉伸以及材料硬度试验 等试验 方法的特点、应用范围及其 所测

2、定的力学性能指标。 4 第二章 材料在其他静载下的力学性能 本章涉及到了实际受力状态，必须了解一些 物体在受力时应力状态分析的力学基础知 识，因为力学性能是研究材料受力以后的行 为，首先要知道材料的受力状态已经不是简 单的一维应力状态（如单向拉伸），而要扩 展到二维、三维。一些简单的公式、定律也 要扩展到二维、三维。 第 一 节应力状态软性系数 一、主应力概念 对于任意应力状态，总可以找到这样 一 组互相垂直的平面，在这组 平面上，只 有正应力，没有切应力，这样 的平面叫 主平面，主平面上的应力叫主应力。 用 1, 2 , 3 表示。 1 2 3 5 第 一 节应力状态软性系数 根据这三个主应

3、力， 按最大切应力理论（第三强度理论），可以计算 最大切应力 max =(1 3)/2 按相当最大正应力理论（第二强度理论），可 以计算最大正应力 max =1 ( 2 +3) 为泊松比 6 max 第 一 节应力状态软性系数 二、应力状态软性系数 在三向应力状态下，最大切应力与最大正应力的比 值称为应力状态软性系数，用 表示。 1 3 21 ( 2 + 3) = = max 越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软， 材料越易于产生塑性变形。反之， 越小，表示应 力状态越硬 ，材料越容易产生脆性断裂。 7 第 一 节应力状态软性系数 不同的加载方式下材料具有不同的应力状态软性系数 （v=0

4、.25） 8 加载方式软性系 数 备注 单向拉伸0.5应力状态较 硬，适用于塑性较好的材 料 三向等拉伸0 应力状态最硬，材料最容易发生脆性 断裂，用于揭示塑性材料的脆性倾向 三向不等拉伸 0.1 扭转0.8 单向压缩2.0 两向压缩1.0 三向压缩 应力状态最软，硬度实验 属于此，适 用于任何材料 9 第 一 节应力状态软性系数 第 一 节 自原点作 不同斜率 的直线， 可代表应 力状态系 数 抗断强度 以联合强度理论建立的力学状态图 10 应力状态软性系数 切断强度 断裂真应力线 剪切屈服强度 11 第 一 节应力状态软性系数 三向不等压缩 单向压缩 扭转 单向拉伸 几种不同材料在不同应力

5、状态下的表现 易于剪断 的材料叫 做软性材 料 易于拉 断的材 料叫做 硬性材 料 12 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 一压缩 及其性能指标 1压缩试验 通常为圆 柱型或正方形，高度h0和 直径（或边长 ）d0之比为2.53.5。 试样 端部的摩擦力会影响试验结 果，应设 法减小。 （两面必须光滑平整，并涂润滑油或 石墨粉进行润滑） 13 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 压缩试验 的特点及应用 1）单向压缩的应力状态软性系数为2，适用于脆性 材料和低塑性材料。 2）与拉伸试验区别载荷相反，载荷-变形曲线不 同，塑性和断裂形态不同。 3）多向压缩试验 的应力状态软性系数2，此方法 适用于脆

6、性更大的材料。还有服役条件为多向压 缩的机件，如滚珠轴承也可采用多向压缩试验 。 14 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 试验结 果：Fh曲线，如图所示 材料的压缩 曲线 1脆性材料； 2塑性材料 金属GB/T7314-1987 陶瓷GB/T8489-1987 塑料GB/T1041-1992 橡胶GB/T1684-1979 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 力学性能指标 抗压强度 相对压缩 率 压缩塑性 Fbc A0 = bc 100% h0 h f h0 c = 100% 15 Af A0 A0 相对断面扩展率 0 = 16 矩形 (55mm，3030mm) 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能

7、 二、弯曲实验 及其性能指标 1 弯曲实验测 定的力学性能指标 圆形 (d=545mm) 弯曲试验 的试样 方形 (高宽，57.5mm,3040mm) 跨距L为直径d或高度h的16倍 三点弯曲加载 加载方式 四点弯曲加载 金属GB/T14452-1993,陶瓷GB/T6569-1986,塑料GB/T9341-2000 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 a) 集中加载b）等弯矩加载 弯曲试样加载方法 参见动 画演示 17 18 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 试验结 果： 载荷F与试样最大挠度fmax之间的关系图 典型的弯曲图 （a）塑性材料 （b）中等塑性材料 （c）脆性材料 = 四点弯曲试

8、样 ：Mmax 1）弯曲应力（抗弯强度） （N.m） （m3） （m3） 19 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 测得的力学性能： M W FL FK 2 直径为d0的圆柱型试样 ： d03 32 W = bh 2 6 宽度为b，高度为h的矩型试样 ： W = 20 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 2) 材料的塑性可用最大弯曲挠度fmax（百分 表和挠度计直接读出）表示。 此外，从弯曲挠度曲线上还可得到弯 曲弹性模量，规定非比例弯曲应力，断裂 挠度，断裂能量等性能。 F L f 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 对于矩形试样 ，弯曲模量 Eb = 3 3 4bh b试样宽 度 h试样 高度

9、L试样 跨距 21 22 2 弯曲实验 的特点及应用 1）弯曲加载时，受拉的一侧应力状态与静拉伸时 基本相同，且不存在拉伸时试样 偏斜对实验结 果 的影响 2）弯曲试验时 ，截面的应力分布也是表面最大， 故可以灵敏地反映材料的表面缺陷，因此可以用 来比较和评定材料表面处理层的质量。 3）对塑性材料，弯曲试验不能使之断裂，因此， 塑性材料基本不进行弯曲试验。 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 23 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 三、扭转及其性能指标 1 扭转实验测 定的力学性能指标 M（扭矩扭转角）曲线是扭转试验 得 到的第一手资料。 圆柱型（直径d0）扭转试样 在扭转实验时 的表面受力状态

10、。在与试样轴线 呈45方 向上承受最大正应力，在与试样轴线 平行 和垂直方向上承受最大切应力。 24 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 扭转试验时 材料的应力状态：切应力分布在纵向与横向两个 垂直的截面内，而主应力1和3与纵轴成45，并在数值 上等于切应力。1为拉应力，3为等值压应 力，2=0。由 此可知，当扭转沿着横截面断裂时为切断，而由最大正应力 引起断裂时，断口呈螺旋状与纵轴成45。 25 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 扭转试样 的宏观断口 a）切断断口 b）正断断口 c）木纹状断口 26 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 木纹状断口：断裂面顺着试样轴线 形成纵 向剥层或裂纹。这是因

11、为金属中存在较多 的非金属夹杂 物或偏析并在轧制过程中 使其沿轴向分布，降低了试样轴 向切断强 度造成的。 因此，可以根据断口宏观特征来判断承受 扭矩而断裂的机件的性能。 27 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 在扭转实验 中，加给试样 的载荷为扭矩，（应 变为 在试样标 距l0上的两个截面间的相对扭转 角）。在扭转过 程中，x-y记录仪 的两个坐标 分别记录 下扭距M和扭转角的变化过程。 点击演示动画 d010mm，标距长度l050或100mm 国标GB/T10128-1988 28 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 退火低碳钢的扭转负 荷变形图 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 根据该扭转

12、曲线可以获得材料扭转条件下的 力学性能指标： 扭转比例极限：P = M P /W 扭转屈服极限：S = M S /W 扭转强度极限：b = Mb /W Ms为残余扭转切应变为 0.3(相当于拉伸残余应 变0.2)时的扭矩。 真实扭转强度极限： 29 W为试样 截面系数 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 a) 弹性变形阶段的切应力与切应变沿横截面的分布 b) 弹塑性变形阶段的切应力与切应变的分布 30 (a)(b) 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 = d0 /2l0 切变模量： G = / ; G = = 4 W为试样 截面系数，实心圆柱试样为 d0 3 /16 3 4 4 0 1 0 d1为

13、内径，d0为外径。 31 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 2 扭转实验 的特点及应用 1) 特 点： 1. 2. 3. 4. 扭转时应 力状态软性系数为0.8，拉伸时为脆性的金属 或陶瓷有可能产生塑性变形； 塑性变形始终均匀，尺寸基本不变，不会出现静拉伸时 发生的缩颈现 象，可精确测定易缩颈或高塑性材料的形 变能力和形变抗力； 可从断口明显区分断裂方式（从试样的受力状态可知， 45断口为正断，平行截面断口为切断）； 应力分布为表面最大，心部最小。故此法对表面硬度及 表面缺陷的反应十分敏感。可用来研究表面强化工艺。 32 33 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 2) 扭转实验 的实际应 用 根

14、据特点2，扭转实验 的应用在多数情况下是研究材 料在大应变 范围时 的力学行为，生产上的金属加工成 型工艺正是在大的塑性变形情况下进行的，因此扭转 实验 主要应用在（1）用热扭转实验 确定材料在热加工 （轧制、锻造、挤压 ）时的最佳温度；（2）对单 相合 金，用热扭转实验 确定材料在高温时发 生的动态 恢复 和动态 再结晶过程；（3）对多相合金，用热扭转研究 不稳定组织 的转变 ，或者模拟某种热加工成形方式研 究其组织 特点。 34 35 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 拉伸、扭转、弯曲三种试验方法适用于哪些材料 或哪些工作条件下的构件？ 拉伸：一般来说，适用于结构钢常温下的力学性 能测定。

15、脆性材料为什么不能用拉伸？ 扭转：结构材料的热变形性能。硬度大的材料 （HRC5253）不宜进行扭转试验 ？ 试样 两端有应力集中和表面缺陷，装夹试样时 稍有不 对中，就会引起附加弯曲应力，这都会造成拉伸数据 的散乱。 试样 会脆断出现飞 裂。 36 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 弯曲：工具钢常温下的力学性能。铸铁、硬质合金 和陶瓷（弯曲强度仍然较分散，应采用统计方法处 理测量数据）的性能也常用此法。 弯曲试验方法的应力状态介于拉伸和扭转试验 方法 之间，常用于测定脆性材料的力学性能。 对高碳钒钢 (T10V)进行弯曲和扭转试验 ，如图所示。 37 原处理工艺是淬火 +180回火，但在 使用时常出现花键 崩齿，杆部折断等 现象 38 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 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。（诸如铆钉 、销 子之类的零件） 单剪试验 双剪试验 冲孔式剪切试验 四剪切及其性能指标 39 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 单剪试验 抗剪强度： b = Fb / A0 Fb：最大载荷 A0：试件的原始截面面积 F F 试件在单剪试验时 受力和变形示意图 第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能 双剪试验 抗剪强度： b = Fb /2A0