第二章金属在其它静载荷下的力学性能

1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院1材料力学性能张世宏材料科学与工程学院金属材料系Email:[e-mail][e-mail]1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院2第二章金属在其它静载荷下的力学性能1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院3第一节应力状态软性系数静载荷试验方法不同，应力状态软性系数也不同塑性材料试验脆性材料试验应力状态较硬1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院4第二节压缩一、压缩试验的特点(1)单向压缩试验的应力状态软性系数α=2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定。(2)拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂。对于接触面处承受多向压缩应力的机件，如滚动轴承、套圈与滚动体，常采用多向压缩实验。如何研究脆性材料在塑性状态下的力学行为？或反过来的情形…1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院51/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院6二、压缩试验可测定的主要压缩性能指标：一、规定非比例压缩应力σpc试样标距段内的非比例压缩变形达到规定的原始标距百分比时的应力二、抗压强度单位试样被压至破坏过程中的最大应力σbc1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院7第三节弯曲一、弯曲试验的特点金属杆状试样承受弯矩作用后，其内部应力主要为正应力，与单向拉伸和压缩时产生的应力雷同。但由于杆件截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变化。所以，金属在弯曲加载下的力学行为与单纯拉应力或压应力作用下的力学行为不完全相同，有它自身的特点。研究对象：轴和板状弹簧正应力；界面应力不均匀，表面最大。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院8特点：(1)弯曲试验的试样形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的试样偏斜对结果的影响，可用弯曲的挠度显示材料的塑性。(2)弯曲试验时，样品表面应力最大，可灵敏的反映材料表面的缺陷。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院9二、弯曲试验将圆柱形或矩形试样放置于一定跨距Ls的支座上，进行三点弯曲或四点弯曲加载，通过记录弯曲力f和试样挠度f之间的关系曲线，就可确定金属在弯曲力下的力学性能。最大弯矩试样抗弯截面系数圆形：矩形：三点式四点式1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院10弯曲试验所测的主要性能指标弯曲试验主要测定脆性或低塑性材料的抗弯强度。试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力，称为抗弯强度。弯曲试验还可测定弯曲弹性模量、断裂挠度fbb和断裂能量U等力学性能指标。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院11第四节扭转一、扭转试验的特点当圆柱试样承受扭矩T进行扭转时，试样表面的应力状态如图2-6a所示，在与试样轴线呈45°的两个斜截面上作用最大与最小正应力σ1及σ3，在与试样轴线平行和垂直的截面上作用最大切应力，两种应力的比值接近1。在弹性变形阶段，试样横截面上的切应力和切应变沿半径方向的分布是线性的（图2-6b）。当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，但切应力则因塑性变形而有所降低，呈非线性分布（图2-6c）。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院12根据扭转试验时试样所受的应力状态与应力分布，扭转试验具有如下特点：(1)应力状态软性系数α=0.8，比拉伸时的α大，易于显示金属塑性行为。(2)圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象。(3)能较敏感的反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。(4)扭转试验时的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生产上所用大部分金属材料的正断抗力大于切断抗力，所以扭转试验是测定这些材料切断抗力最可靠的方法。塑性材料脆性材料较多的非金属夹杂物或偏析1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院13二、扭转试验可测定的主要性能指标：(1)切变模量G(2)屈服点(3)抗扭强度切应力切应变抗扭截面系数1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院14主要用途：本系列试验机主要用于水泥、混凝土试样及构件等建材产品的抗压、抗弯强度试验，也可用于橡胶垫的压缩性能试验和金属顶锻试验。显示方式有度盘式（YE系列）及数显式（YES系列），YES系列试验机采用传感器测力，数字显示试验力及峰值，手动控制试验进程，既具有手动试验机的可靠性，又备有RS232C接口，可扩展为具有微机数据采集、处理功能，具有网络数据库管理与操作的新一代微机屏显式压力试验机。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院15主要用途：用于金属材料和塑料、混凝土、水泥等非金属材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切试验。增加简单附件，可完成胶带、链条、钢丝绳、电焊条及构件的力学性能试验。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院16主要用途：广泛应用在冶金、机械、建工建材、汽车、造船等行业和大专院校、质量检测等部门，用于金属、塑料、橡胶、弹簧、各种绳带等材料及制品的机械性能测试研究。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院17第五节缺口试样静载荷试验一、缺口效应前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，实际生产的机件，截面上往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、螺纹及焊缝等，这种截面变化的部位可称为“缺口”。由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将会发生变化，产生所谓的“缺口效应”，从而影响金属材料的力学性能。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院18（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布假设一个薄板的边缘开有缺口，并承受拉应力σ的作用，当板材处于弹性范围内时，其缺口截面上的应力分布如右图所示。从图可看出，缺口截面上的应力分布不均匀，轴向应力σy在缺口根部最大，随着距离的增加，σy不断下降，所以在缺口根部产生了应力集中的现象。应力集中系数：1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院19缺口的第一个效应是引起应力集中，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，这种状态由板厚或直径决定。两向或三向不等拉伸的应力状态软性系数α0.5，使金属难以产生塑性变形。对于脆性材料或低塑性材料进行缺口试样拉伸时，很难通过缺口根部极为有限的塑性变形使应力重新分布，往往直接由弹性变形过渡到断裂，所以缺口试样的抗拉强度必然比光滑试样的低。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院20（二）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，应力将重新分布，并随着载荷的增大塑性区逐渐扩大，直至整个截面上都产生塑性。存在缺口的条件下由于出现了三向应力状态，并产生了应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高，产生了所谓的“缺口强化”现象，但是由于缺口的约束塑性变形，所以使塑性降低，增加了材料的变脆倾向。缺口的第二个效应：缺口使塑性材料强度增加，塑性降低。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院21二、缺口试样静拉伸试验用途：广泛应用于高强度钢的力学性能、钢和钛的氢脆以及研究高温合金的缺口敏感性等。NSR越大，缺口敏感性越小。缺口偏斜拉伸NSR=1.21/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院22三、缺口试样静弯曲试验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厉害，但应力应变的多向性则减少。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院23NSR形成裂纹裂纹扩展若NSR=1，会发生什么情况？1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院24第六节硬度一、金属硬度的意义及硬度试验的特点硬度是表征材料软硬程度的一种性能;物理意义随着试验方法不同而不同。压入法是应用最广泛的硬度测试方法压入法的应力状态软性系数α2，在这种应力状态下，几乎所有的金属材料都能产生塑性变形，所以这种方法也能测定硬质合金、陶瓷等脆性材料的硬度。划痕法回跳法压入法1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院25二、硬度试验（一）布氏硬度试验原理：用直径为D（mm）的钢球或硬质合金球的压头，加一定的试验力F（N），将其压入试样表面（右图a），经过规定的保持时间t（s）后卸除试验力，试样表面将残留压痕，然后测量压痕的平均直径d（mm），求得压痕的球形面积A（mm2）。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院26布氏硬度计试验法主要用于铸铁、钢材、有色金属及软合金等材料的硬度测定，此外还可以用于塑料、电木等某些非金属材料硬度的测定。适用于工厂、车间、试验室、大专院校和科研机构。布氏硬度的表示：350HBW5/750/201/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院27布氏硬度试验的优点：1.由于压头的直径较大，所以压痕面积较大，其硬度值能反映各组成相的平均性能，适合于测定灰铸铁、轴承合金的硬度；2.试验数据稳定，重复性强。布氏硬度试验的缺点：1.对不同材料需要更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量较麻烦，所以不宜用于自动检测；2.压痕较大时不宜在成品上实验。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院28（二）洛氏硬度试验(a)试验时先加初始试验力F0，以保证压头与试样表面接触良好，得到一个压痕深度h0，此时指针指零。(b)施加主作用力F1，压头压入深度为h1，表逆时针转到相应刻度位置，h1包括弹性变形与塑性变形。(c)F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一段距离（h2-h1），此时塑性变形深度即为压痕深度h，最终表盘指针所指即为洛氏硬度值。压痕深度/塑变弹变0.2mm或0.26mm1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院29HRS-150型数显洛氏硬度计是机电一体化的硬度测试仪器。该机外观新颖，采用微机控制，硬度值以数字直接显示。升降螺杆与旋轮间自动反馈锁合，外接打印机，除试台升降外，完全实现了自动化，消除了操作和读数误差。该硬度计适用于黑色金属、有色金属和非金属材料的硬度测定。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院301/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院31洛氏硬度的优点：1.操作简便、迅速、硬度值可直接读出；2.压痕小，可在工件上直接实验；3.采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属或厚薄不一的试样硬度，可广泛用于热处理质量检验。洛氏硬度的缺点：1.压痕较小，代表性差；2.若材料中存在偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；3.用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院32（三）维氏硬度试验维氏硬度试验的原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。不同的是试验用的压头不同，是两个相对面间夹角α为136°的金刚石四棱锥体。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院33压头在试验力F（N）作用下将样品表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d，d=(d1+d2)/2，来计算压痕的表面积A（mm2）。1/21/2020安徽工业大学材料科学与工程学院34HVS-50型数显维氏硬度计是光机电一体化的高新技术产品，具有良好的可靠性，可操作性，是小负荷维氏硬度计的升级换代产品。该机采用计算机软件编程，高倍率光学测量系统，光电传感等技术，通过软键输入，能调节测量光源的强弱，选择测试方法与对照表、保持时间、文件号与储存等，在LCD大屏幕显示上能显示试验方法、试验力、测量压痕长度、硬度值、试验力保持时间，测量次数并能键入年、月、日期，试验结果和数据处理等，通过打印输出，并通过RS232接口与