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1、第二章材料在其他静载荷下的力学性能研究材料在常温静载荷下的力学性能时，除采用单向 静拉伸试验方法外，有时还选用压缩、弯曲、扭转等试验 方法，目的是： 很多机件在服役过程中常承受弯矩、扭矩或轴向压 力的作用，有必要测定试样在相应承载条件下的力学性能 指标，做为设计和选材的依据；（实际中存在） 不同的加载方式产生不同的应力状态，材料在不同 应力状态中表现的力学性能不完全相同，因此，应选用不 同应力状态的试验方法。（和单向拉伸应力状态不同）本章介绍压缩、弯曲、扭转和剪切等试验方法及测定 的力学性能指标 2.1应力状态柔度因数（软性系数）一、柔度因数塑性变形和断裂是金属材料在静载荷下失效的两种主 要形
2、式，它们是金属所能承受的应力达到其相应的强度极 限而产生的。当金属所受的最大切应力二密达到屈服强度 T时，产生屈服；当T达到切断强度芦时，产生剪切 型断裂；当最大正应力Sma达到正断强度S时，产生正断型 断裂。但同一种金属材料1;在一定承载条件下产生何种失 效方式，除与自身的强度大小有关以外，还与承载条件下 的应力状态有关。不同的应力状态，其最大正应力与最大 切应力的相对大小是不一样的。考虑到三向应力状态下另外两向应力的贡献，因此材 料的最大正应力的计算采用第二强度理论给出：艮即不再采用S =。而采用（第二强度理论）：s =b -vG +b ）称为最大当量正应力最大切应力由第三强度理论给出：b
3、 。T max 1 2 3一般将最大切应力与最大当量正应力的比值定义为应力状态柔度因数（软性系数）aCX max |1/3S21 b v (b +b )maxL 123不同加载方式下的软性系数a值(v =0.25)加载方式主应力软性系数a00 20 3三向等拉伸0000三向不等拉伸0(8/9) 0(8/9) 00.1单向拉伸0000.5扭转0000.8二向等压缩0001.0单向压缩0002.0三向压缩02 02 08二、弗里德曼图与材料的韧脆转变T max侧侧侧侧侧侧a 0.5侧侧侧侧侧侧a侧侧a二 0.8侧侧侧侧a. 0.5Sk弗里德曼考虑了材料在不同状态下的极限条件与失效 形式，用图解的方
4、法把它们的关系做了概括，即力学状态 图。S max从图中可以看出： 三向不等拉伸（Q0.5）时，随着应力的不断加大， 直到与S线相交，即发生正断，它与t线不相交，故无宏 观塑性变形，属正断型脆性断裂； S 单向拉伸（a=0.5）时，先与t线相交，发生塑性变形（屈服），然后与S线相交，发生正断，属正断型的 韧性断裂； 扭转（a=0.8）时，先与t线相交，发生塑性变形（屈服），然后与t线相交，发生切断，属于切断型的 韧性断裂。艮即相同的材料在不同应力状态下表现出不同的断裂 模式，也可称为在不同应力状态条件下的韧脆转变。（材料 在其他外界因素下也会发生韧脆转变，因涉及到具体的试 验测试手段，因此后面
5、讲。） 2.2材料在轴向压缩载荷下的力学行为（单向压缩试验）一、试样型式常用的压缩试样为圆柱体（也可采用立方体或棱柱体）， 为防止压缩时试件失稳，试件的高度与直径之比 h/d=1.52.0，同时h/d越大，抗压强度越低，因此对于 0-0。一 0几何形状的试件，需要保证h/d。为定值。（GB7314-87）二、试验过程 为保证两端面的自由变形，试件的两端面必须光滑 平整（涂润滑油、石墨）；或者将试样的端面加工成圆锥凹 面，使锥面的倾角等于摩擦角，即tanQ=f，f为摩擦因 数，也要将压头改成相应的锥体； 压缩可以看作是反向拉伸，因此，拉伸试验中所定 义的各个力学性能指标和相应的计算公式，在压缩试
6、验中 基本可以应用；1 高塑性材料；2低塑性材料1拉伸；2压缩抗压强度：气=?相对压缩率：e = x 100%ckh相对断面扩胀率：V = 0 X 100% k A（如果在试验时材料发生明显的屈服现象，还可测定 压缩屈服点。）（上图中商曲线2是低塑性材料的压缩曲线，在轴向 压缩时，低塑性材料发生由剪应力引起的剪切时的断裂， 断口表面与压力轴线呈45。角，如灰铸铁；而脆性材料断口 表面和压力轴线平行，如陶瓷材料） 但两者存在差别，如压缩时试件不是伸长而是缩短， 横截面不是缩小而是涨大，另外，塑性材料压缩时不发生 变形而不断裂，压缩曲线一直上升，因此，塑性材料很少 做压缩试验。三、特点及应用单向压
7、缩试验的应力状态柔性系数a =2.0（v=0.25 时），比其他应力状态都软，因此主要用于拉伸时呈脆性的 材料的力学性能测试（例如铸铁、陶瓷、轴承合金、水泥 和砖石），且能显示出一定的塑性变形行为。 2.3材料在扭矩作用下的力学行为一、应力应变分析曲壹区摺转试件中的成力与成变试件我血的应力状志性曳形推桩血上的用T叫点登分在 代：鼻年作多形阶段黄曲上恂顷成山七理城的布I甲扭转角 （相对扭转角）在横截面上无正应力只有切应力作用；弹性变形阶段， 横截面上各点的切应力与径向垂直，其大小与该点距中心 的距离成正比；% =罕（p :距中心距离；I :极惯矩）P对于圆杆表面，有：MT =Wd为外径d1为内径
8、W为抗扭截面模量（系数），有：w =凹3 （实心）或w =叩! 1 -生（空心）1616 I d 4 ）0 /因切应力作用而在圆杆中产生切应变为：平yp=p 厂圆杆表面： 丫=异0当表层发生塑性变形后，各点的切应变仍同该点距中 心的距离成正比，但切应力则由于塑性变形而降低。二、扭转试验及测定的力学性能（GB10128-88）1. 扭转试样扭转试验主要采用直径d=10mm，标距长度分别为 100mm和50mm的圆柱形试样，在扭转试验机上进行。扣转忒件2. 试验过程随着扭矩M的增大，试件标距两端截面不断发生相对 转动，使扭转角6增大，可得M6关系曲线，称为扭转 图。直至试件断裂。扭转图（像单向拉伸
9、的真应力一真应变曲线，均匀变形，即 使是在塑性变形阶段，无缩颈）3. 性能指标切变模量Mp的确定可以 参考单向拉伸试 验中Pp的确定 方法G _t _ 32 Ml0 y 兀甲d 4 0 扭转比例极限Mt =Pp W扭转屈服强度MT =0.30.3 W（确定扭转屈服强度的残余切应变取0.3%，是为了和确定屈服强度时取残余正应变的0.2%相当单向拉伸：Yl 。)=8E1， Yi v八-8 = eb -vb +b )J = = -0.5ey = 8 8 = 1.588 = 0.2% y = 1.58 = 0.3% )抗扭强度M 16 MC = b bb W 兀 d 30称为条件抗扭强度（因其按照弹性
10、变形公式计算，比 真实的为大）。真实抗扭强度：4T k 兀d 303M +0kk若：I d0 )、Jk则:12 MT k Tk 兀 d 3 b0Tk Tb均为试件 扭断前所承受 的最大扭矩；0为单位长度上 的相对扭转角，即：0 dQ dl简单可以写做：0 - Q. 7 0圈扭转断口形态时切断断nn ii-断断口 I槌J层花卧口扭断时的塑性变形（残余扭转相对切应变）: d Y k =Xt xlOO%0七为试件断裂后标距长度l0上的相对扭转角。三、扭转试验的特点及应用软性系数Q=0.8,较大，故可测定那些在拉伸时 表现为脆性的材料的塑性行为（如淬火回火钢）； 塑性变形均匀，截面和标距尺寸不变，无缩
11、颈，因 此可用此精确测定高塑性材料的变形能力和变形 抗力；最大正应力与最大切应力在数值上相当，而生产中所用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度，因此，扭转试验是测定这些材料切断强度的最可靠的方法； 可通过扭转试样的宏观断口特征，还可明确区分金属材料的最终断裂方 式是正断还是切断。（塑性材料的断裂面与试样轴线垂直，断口平整，有 回旋状塑变痕迹；脆性材料的断裂面 与试样轴线呈45。，呈螺旋状）2.4材料在弯曲载荷作用下的力学行为一、弯曲试验方法（GB14452-93）四点弯曲两加，图3 E 弯曲忒验加戴方式3J集中Mfti等/炳部裁采用矩形或圆柱型形试样 曲。可三点弯曲，也可四点弯载点之间等弯矩
12、,试件通常具有组织缺陷处断裂，能较好地反映材料试验称为鼻I 3 ?禽型的毫曲闰31 m性材料：cb） 尊塑性材程：tfij 96性甘胴二、性能指标用弯曲试件的最大挠度f表征材料的变形性能 时，在试件的中心测定挠度fTx绘成pf关系曲线 弯曲图。（对于高塑性材料，弯曲试验不能使试件断裂，其曲线 的最后部分可以延伸很长，因此其力学性能不能由弯曲试 验获得）对于脆性材料，抗弯强度定义为：q泌=MJW其中，试件断裂时的弯矩PT, 、 P K 一 . 、 Mb= 3-（三点弯曲）；Mb= -2-（四点弯曲）抗弯截面模量（系数）W = （圆棒）；W =牛 （矩形截面）三、特点及应用主要用于脆性材料的抗弯性
13、能（陶瓷、铸铁、硬质 合金）（试件加工、装卡简单，试验操作方便）侦(b)图3.11取点话瞳装置压式薜即器Hbl试件骨敕情探可用来比较和鉴定经表面强化处理的机件的表面 质量及检测表面缺陷（因其截面应力分布不均匀， 表面应力最高） 2.5材料抗剪切性能试验制造承受剪切载荷或进行剪切加工的材料，通常要进 行剪切试验。（铆钉、销子）一、单剪试验试件取自板材或线材材料的抗剪强度（假设切应力在整个截 面内均匀分布）PT = -b- b A 0（剪切试验不能确定剪切比例极限和剪 切屈服强度，因其截面内应力分布复杂，不 仅有剪切，而且有挤压和弯曲） 二、双剪试验试件为圆柱体（线材）抗剪强度PT bb2 A0（被剪部分的长度（l。）与试件直径（d。）之比不能超授课：XXX过1.5 ；加载速度110mm/min，以防止出现弯曲变形，如 出现明显的弯曲变形，结果无效）三、冲孔式剪切试验试件为金属薄板抗剪强度:本章总结0、柔度因数，力学状态图（韧脆转变）一、试验方法二、力学性能指标（区别）（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
