2 金属在其他静载荷下的力学性能1

第二章金属在其他静载荷下的力学性能2、研究不同应力状态下材料的变形、断裂行为。内容：1、应力状态软性系数；2、压缩、弯曲、扭转或缺口试样拉伸等试验方法的特点、应用范围及其所测定的力学性能指标。3、硬度试验方法。目的：1、模拟实际服役情况。测定相应承载条件下的力学性能指标，作为设计和选材的依据单向拉伸、压缩、弯曲、扭转或缺口试样拉伸等第一节应力状态软性系数塑性变形和断裂是金属材料在静载荷下失效的主要形式。1、产生屈服现象:当金属所承受的最大切应力τmax达到塑性变形抗力τs时。τmax达到切断抗力τk时3、产生正断:当最大正应力σmax达到正断抗力σk时。2、产生切断:是金属所承受的应力达到其相应的强度极限而产生的。应力状态可用三个主应力σ1、σ2和σ3来表示（σ1＞σ2＞σ3）。最大切应力（最大切应力理论）最大正应力（相当最大正应力理论）塑性变形抗力τs、切断抗力τk、正断抗力σk是固定的应力状态不同，则最大正应力σmax与最大切应力τmax比值不同，金属变形和断裂性质也就不同。τmax=（σ1-σ3）/2σmax=σ1-υ（σ2+σ3）υ—泊松比α=τmax/σmaxα=τmax/σmax=（σ1-σ3）/2（σ1-υ（σ2+σ3））α=（σ1-σ3）/（2σ1–0.5（σ2+σ3））应力状态软性系数α：表示它们的相对大小可用α。=（σ1-σ3）/（2σ1-2υ（σ2+σ3））对于金属材料，取υ=0.25,则单向拉伸时σ1=σ、σ2=σ3=0=（σ-0）/（2σ–0.5（0+0））单向压缩时σ1=σ2=0、σ3=-σ=（0-(-σ)）/（0–0.5（0+(-σ)）=σ/0.5σ=2应力状态软性系数:α=（σ1-σ3）/（2σ1–0.5（σ2+σ3））=σ/2σ=0.5应力状态软性系数:α=（σ1-σ3）/（2σ1–0.5（σ2+σ3））加载方式主应力ασ1σ2σ3三向不等拉伸σ8σ/9σ8σ/90.1单向拉伸σ000.5扭转σ0-σ0.8二向等压缩0-σ-σ1单向压缩00-σ2三向不等压缩-σ-7σ/3-7σ/34不同加载方式的应力状态软性系数υ=0.25α的意义:α越大的试验方法，最大切应力分量越大，表示应力状态越“软”，金属越易产生塑性变形和韧性断裂。α越小的试验方法，最大正应力分量越大，表示应力状态越“硬”，金属越不易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。静拉伸试验的α软小，适用塑性变形与切断抗力较低的塑性材料正断抗力较低的脆性材料，金属材料产生脆性断裂，难以反映这类材料塑性变形能力。为研究脆性材料的塑性，需用扭转、压缩等应力状态较软的加载方式,。为研究塑性较好材料的脆性倾向，常用三向不等拉伸等较硬的状态下考查其脆性。第二节压缩一、压缩试验的特点用于测试压缩服役条件下的力学指标。1、特点应力状态软性系数大单向压缩α=2多向不等压缩α＞2三向不等压缩：σ1=-σ,σ2=-7σ/3,σ3=-7σ/3时,α=42、用途用于显示脆性材料的塑性。二、压缩试验1、试样圆形或方形低碳钢拉伸应力应变曲线s(MPa)200400e0.10.2O低碳钢压缩应力应变曲线dLL/d=2.5~3.52、压缩试验低碳钢压缩试验seOsbL灰铸铁的拉伸曲线sby灰铸铁的压缩曲线sbysbL，铸铁抗压性能远远大于抗拉性能，断裂面为与轴向大致成45o～55o的滑移面破坏。铸铁压缩实验：轴向拉伸和压缩3、压缩性能指标O(s)AFpcFbcΔL(e)epcL0低碳钢拉伸应力应变曲线s(MPa)200400e0.10.2O低碳钢压缩应力应变曲线σsc1)、规定非比例压缩应力（σpc）：σpc0。01、σpc0。02等2)、抗压强度（σbc）3)、压缩杨氏模量（Ec）4)、压缩屈服强度（σsc）第三节弯曲一、弯曲试验的特点及应用MM弯曲应力m2n2sysLyyEsO1O2a2'dxn2m2n1m1O曲率中心a2a1ydqdldqxe2e1esyEE3)试样简单、操作方便、不存在试样偏斜的影响、用挠度显示塑性1特点：1)应力分布不均匀表面最大，心部为0；方向发生变化。2)力学行为与拉伸或压缩不同如弹性模量大小发生变化2)、用于反映材料的表面质量和表面缺陷。3)、用于反映脆性或低塑性材料的强度和塑性（挠度）。2用途1)、测定弯曲力学性能指标尺寸--试样长度（Ls）为直径（d）或矩形试样高度（h）的10倍2、试验方法三点弯曲四点弯曲二、弯曲试验（GB/T14452-93金属弯曲力学性能试验方法）1、试样：形状--圆柱形或矩形试样。FlllFLsLsOAf试验结果：弯曲力—挠度曲线fFFpbFbbCσ=M/WW=（πd3）/32（bh2）/6FLsLs抗弯强度σbb4sFlM第四节扭转一、扭转试验的特点及应用j：相对扭转角扭转maxd/2ρOTA'B'jABgTTσ3σ1σ3σ1d特点：α=0.8,应力分布不均匀5、用于分析断裂方式用途:1、显示脆性材料的塑性；2、用于高塑性材料；3、反映表面层质量；4、用于测定切断强度；扭转试样断裂的宏观特征（a）切断断口（b）正断断口（c）木纹状断口低碳钢扭转破坏铸铁扭转破坏二、扭转试验结果扭矩-扭转角曲线γ=jd0/2L0τ=M/WW=（πd3）/16切变模量G=τ/γ屈服强度τs抗扭强度τb40032dTLGj第五节缺口试样静载荷试验一、缺口效应1、缺口试样在弹性状态下的应力分布薄板：应力集中，平面应力状态（二向应力）厚板：应力集中，平面应变状态（三向应力）σxσyσxσzσy缺口效应一：应力集中，应力状态改变α0.5,材料难以塑性变形;对于脆性材料或低塑性材料,抗拉强度比光滑试样低.2、缺口试样在塑性状态下的应力分布σyσXσZτmax=（σ1-σ3）/2τmax=τs（σ1-σ3）=σs（σy-σx）=σsσy=σx+σsτs=σs/2屈雷斯加的屈服判据缺口效应二：强度提高，塑性降低缺口造成二向或三向应力和应力集中使材料变脆.二、缺口试样静拉伸1、拉伸试样缺口敏感度NSRNSR=σbn/σbNSR↑NSR＜1NSR＞1缺口敏感性↓脆性材料塑性材料最常用偏斜角度为＝4°或8°，相应的缺口拉伸强度2、缺口试样偏斜拉伸三、缺口试样静弯曲试验1、缺口弯曲试样2、缺口敏感度Fmax/FIFmax/FI↑Ⅲ小Ⅲ大缺口敏感性↓脆性材料塑性材料第六节硬度一、硬度的意义及试验的特点1、意义划痕法：表征材料对切断的抗力压入法：表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力回跳法：表征材料弹性变形功的大小2、特点（压入法）1）应力状态软性系数α＞2淬火钢、硬质合金2）压痕小，可在成品上试验3）反映材料成分、组织结构的差异；易于反映表面性能4）设备简单操作方便5）布氏硬度与强度抗拉强度也有近似关系低合金钢和调质结构钢：σb≈3.5HBS硬铝:σb≈3.7HBS;铝铸件:σb≈2.6HBS(MPa)HB=F/S=2F/πD[D-(D2-d2)1/2]（kgf/mm2）二、布氏硬度1、物理意义：压痕表面上单位面积所承受的压力载荷F除以压痕(球冠)的面积S，用HB表示几何相似：F1/D12=F2/D22=F3/D32=‥‥‥=F/D2HB=F/S=2F/πD[D-(D2-d2)1/2]压入角：28-74°°压头直径：1、2、2.5、5、10（mm）F/D2：30、15、10、5、2.5、1.25、1材料布氏硬度范围F/D2钢和铸铁＜140≥1401030铜及其合金＜3535-130＞13051030铅、锡1.25(1)HBS：HB450HBW：450~650保持时间黑色金属15s有色金属30s＜3560s表示方法：170HBS10/3000/30硬度值/硬度代号/球径D/试验力F/持续时间（mm）（kgf）/（s）500HBW5/750时间10~15s时不写优点：反映较大范围的性能数据稳定缺点：测试麻烦有时不能在成品上进行三、洛氏硬度用压痕深度表征（每0.002mm的深度为一个单位）初始实验力F0-h0主实验力F1-h1去除实验力F1-h弹性变形：h1-hHR=（k-h）/0.002压头：小淬火钢球金钢石圆锥（120°）表示方法：60HRC压头和载荷不同又分为多种：HRC、HRB、HRA。。。应用范围20~67HRC25~100HRB60~85HRA优点：操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值；缺点：精度较差，硬度值波动较大。洛氏硬度主要测较硬的材料，但不宜测定硬而脆的薄层，硬薄层工件常用表面洛氏硬度计衡量。不同标尺不能比较表面洛氏硬度计表面洛氏硬度计1、预载荷为3kgf，总实验力减小2、取压痕残余深度e=0.1mm，深度每增大0.001mm表示方法:45HR30N、80HR30T四、维氏硬度1、原理：压痕表面上单位面积所承受的压力压头是136°金刚石四棱锥体HV=0.1891F/d2表示方法(与HB相似):645HV30/20实验方法载荷（N）应用维氏硬度试验49.03-980.7较大工件、较深表面层小负荷维氏硬度试验1.961-49.03较薄工件、较薄表面层显微维氏硬度试验0.09807-1.961极薄工件、极薄表面层、各种相它可以对由高到低的较宽的硬度范围进行测量。优点:精度高,不要更换压头,没有标尺不统一缺点:效率低五、努氏硬度努氏硬度是显微维氏硬度试验方法的发展金刚石长棱形压头长棱夹角172.5°短棱夹角130°长对角线l/短对角线W=7.11倍压痕投影面积上所承受的力来定义HK=0.102*14.23F/l2=1.451F/l2l：µm优点:精度高、用于测定薄层的硬度六、肖氏硬度和里氏硬度肖氏硬度是动载硬度试验HS里氏硬度计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，用冲头在距离试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度之比计算出的数值就是里氏硬度。表面经试样塑性变形消耗能量后的剩余能量。仪器轻巧，测试简便，快速，读数方便，适于检测硬度范围很宽的金属材料，并且可以从不同方向进行测试，非常适于在现场对大型工件、组装件进行硬度测试，HL=1000×UR/UA式中：HL————里氏硬度符号UA————球头的冲击速度，m/s；UR————球头的反弹速度，m/s。