2 金属在其他静载荷下的力学性能

材料力学性能武汉科技大学材料与冶金学院吴志方E-mail：[e-mail]：635963092金属在其他静载荷下的力学性能2.1应力状态软性系数2.2压缩2.3弯曲2.4扭转2.5缺口试样静载荷试验2.6硬度概述主要指：压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样的力学性能。原因：零部件在使用过程中将承受不同类型的外应力；零件内部存在不同的应力状态。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。2.1应力状态软性系数材料的塑性或脆性并非绝对，为了表示外应力状态对材料塑性变形的影响，特引入应力状态系数α的概念，以方便选择检测方法。例如：铸铁，压→韧，拉→脆。应力状态软性系数定义：式中最大切应力τmax按第三强度理论计算，即τmax=1/2(σ1-σ3)，σ1，σ3分别为最大和最小主应力。最大正应力σmax按第二强度理论计算，即σmax=σ1-ν(σ2+σ3)。ν：泊松系数。max13max12320.5（）应力状态软性系数单向拉伸α=1/2扭转α=1/(1+ν)≈0.8单向压缩α=1/(2ν)≈2应力状态系数α表示材料塑性变形的难易程度。α越大，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”。2.2压缩一、压缩试验的特点应力状态系数α=2，即应力状态软，∴材料易产生塑性变形。软钢：易压缩成腰鼓状、扁饼状。铸铁：拉伸时断口为正断；压缩时沿45°方向切断。∴塑性变形小的材料，或者使用工况为压缩状的材料，应采用压缩实验。二、压缩试验试样：截面圆形或正方形，长度为直径或边长的2.5~3.5倍。抗压强度：试样压至破坏过程中的最大应力。压缩屈服点σsc：试验时金属产生明显屈服现象。压缩—脆性压缩—塑性0bcbcFA2.3弯曲一、弯曲试验的特点弯曲试验常用于测定脆性材料的力学性能。1、正应力上表面为压应力，下表面为拉应力；2、表面应力最大，中心的为零；3、力点处的作用力最大；4、对试样的要求比拉伸时的宽松。∴铸铁、工具钢、表面渗碳钢，常作弯曲试验。二、弯曲试验1、抗弯强度M为最大弯矩，W为抗弯截面系数。三点弯曲：M=FLs/4；四点弯曲：M=Fl/2。直径为d的圆形试样，W=(πd3)/32；宽度为b，高度为h的矩形试样，W=bh2/6。MW2、挠度定义：试样断裂之前被压下的最大距离。通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，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。韧性材料一般不作弯曲强度检测。弯曲—脆性弯曲—塑性2.4扭转一、扭转试验的特点1、特点能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能；长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的；能敏感地反映材料表面的性能；断口的特征最明显(正断、切断、层状断口等)。2、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。二、扭转试验切变模量扭转比例极限τp扭转屈服点τs抗扭强度τb04032TLGdbbTWppTWssTWTW002dL2.5缺口试样静载荷试验一、问题的提出材料内部存在裂纹，或体积较大的缺陷。零件上有螺纹、键槽、油孔、退刀槽、焊缝等沟槽。对材料性能的影响：缺口产生应力集中；引起三向拉应力状态，使材料脆化；由应力集中产生应变集中；使缺口附近的应变速率增高。∴标准方式的测试结果，已不能满足实际需要。二、缺口效应1、理论应力集中系数表示缺口引起的应力集中程度(在弹性范围内，与材料性质无关，只决定于缺口几何形状)。Kt=σmax/σσmax、σ分别为缺口净截面上的最大应力与平均应力。2、缺口试样在弹性状态下的应力分布引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，也就是出现了σx(平面应力状态)或σx与σz(平面应变状态)，视板厚而定。使塑性材料强度提高，塑性降低。3、缺口试样在塑性状态下的应力分布塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处。σy，σx，σz均为最大值。随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。试样中心区的σy最大。∴出现“缺口强化”(三向拉应力约束了塑性变形)塑性降低，影响材料的安全使用。二、缺口试样静拉伸试验缺口试样，轴向拉伸和偏斜拉伸两种。通常用缺口强度比NSR(NotchStrengthRatio)作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标：NSR=σbn/σbNSR是安全性的力学性能指标。缺口试样静拉伸试验NSR越大，缺口敏感度越小。脆性材料如铸铁、高碳钢的NSR1，说明这些材料对缺口很敏感。高强度材料的NSR一般也小于1。塑性材料一般NSR大于1。利用缺口拉伸试验还能查明光滑拉伸试样不能显示的力学行为。偏斜拉伸，α=4°和8°，试样承受拉伸和弯曲。三、缺口试样静弯曲试验光滑试样的静弯试验主要用来评定工具钢或一些脆性材料的力学性能，缺口试样的静弯曲试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的应力应变分布的不均匀性较缺口拉伸时更大，但应力应变的多向性则减少。缺口试样静弯曲曲线曲线下所包围的面积表示试样从变形到断裂的总功(包括弹性变形功I、塑性变形功II、断裂功III)。在这3部分功中以断裂功最为重要，通常以断裂功的大小或者Fmax/F1的大小来表示缺口敏感度。断裂功或Fmax/F1大，缺口敏感性小。2.6硬度一、金属硬度的意义及硬度试验的特点1、硬度：表征材料软硬程度的一种性能。随试验方法的不同，其物理意义不同。2、硬度的种类压入法：布氏、洛氏、维氏硬度等。表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力。应力状态软性系数最大，α2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。2、硬度的种类刻划法：莫氏硬度。表征金属对切断的抗力。回跳法：肖氏硬度等。表征金属弹性变形功的大小。同一类方式的硬度可以换算；不同类方式的硬度则只能采用同一材料进行标定。二、硬度试验1、布氏硬度试验(1)原理用一定直径D的硬质合金球为压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，试样表面留下压痕。力除以压痕球形表面积的商就是布氏硬度。220.1020.204()FFHBWADDDd(2)试验规程要保证所得压入角相等，必须使F/D2为一常数，只有这样才能保证对同一材料得到相同的HB值。压痕直径d和钢球直径D：0.24Dd0.5D。直径D有10、5、2.5、和1mm四种。F/D2的比值有30、15、10、5、2.5和1六种。(3)表示方法硬度值；符号HBW；球直径；试验力；试验力保持时间(10~15s不标注)。其中后三项之间各用斜线隔开。500HBW5/750，表示用硬质合金球，压头直径5mm，加压750kgf，保持10~15s，测得的布氏硬度值为500。(4)优缺点优点：能较大范围的反映材料的平均性能。试验数据稳定，重复性好，应用广泛。缺点：属有损检测；不能连续检测。为保证数据可靠，需根据材料的种类和试样的厚薄更换压头。2、洛氏硬度试验(1)原理以压头留下的压痕深度来表示材料的硬度值。压痕深度h越大，硬度值越低。规定：不同的压头，k值不同。圆锥角α=120°的金刚石圆锥体k=0.2mm；淬火钢球或硬质合金球k=0.26mm。0.002khHR(2)种类HRA、HRB、HRC最常用，改变压力和压头，可适用于不同的测试范围。表面洛氏HR15N，HR30N，HR45N，HR15T用来测定极薄试样及渗氮层的硬度。(3)优缺点优点：1)因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题；2)压痕小，不伤工件表面；3)操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。缺点：1)压痕较小，代表性差；2)所测硬度值重复性差，分散度大；3)用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。3、维氏硬度试验(1)原理与布氏硬度相同。区别在于压头采用锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体，压痕为四方锥形，测量压痕对角线的平均长度d。220.1020.204sin(136/2)0.1891oFFFHVAdd(2)表示硬度值、符号HV、试验力、试验力保持时间(10~15s不标注)。例：640HV30，表示在试验力为30kgf下保持10~15s测得的显微维氏硬度值为300。(3)优缺点优点：载荷可任选(49~980N)(采用四方角锥，当负荷改变时压入角不变)；压痕测量精度高，数据精确。和洛氏一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)的硬度。缺点：硬度值需通过测量对角线后才能计算(或查表)出来，因此生产效率没有洛氏高。4、其他硬度试验方法(1)努氏硬度试验采用四棱锥，对面角分别为172°30’和130°。力F除以压痕投影面积之商。它比四等角锥测量值精确。试样的表面不一定是很平整，而且组织不均匀，尤其是回旋体的表面。220.10214.231.451FFHKll努氏硬度试验努氏硬度试验法无国家标准，测试载荷通常为1~50N。按金相试样的要求制备试件。压痕浅而细长，较维氏法优越。适于测定极薄层或极薄零件，丝、带等细长件以及硬而脆的材料(如玻璃、玛瑙、陶瓷等)的硬度。测量精度和对表面状况的敏感度也更高。(2)肖氏硬度试验和里氏硬度试验1)肖氏硬度将一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定的高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值的大小。∴也称为回跳硬度。原理：重锺从一定高度落下，使材料产生弹性变形和塑性变形。塑性变形功被试样吸收；弹性变形功使重锤回跳一定的高度。肖氏硬度材料的屈服强度越高，弹性变形功越大，则金属越硬。优点：操作简便，测量迅速，压痕小，携带方便，可到现场进行测试等。缺点：测定精度较低，重复性差。应用：主要用于检验大型工件：轧辊、机床床面、导轨，曲轴、大齿轮等的硬度。在弹性模量相同时才可进行比较。2)里氏硬度原理：用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头(碳化钨球)的回弹速度表征金属的硬度值。