第二章-金属在其它静载荷作用下的力学性能

第二章材料在其他静载下的力学性能第一节应力状态软性系数第二节压缩、弯曲、扭转性能第三节缺口试样静载荷试验第四节硬度本章意义金属材料制成的各种机件，除了承受单向拉伸以外，还承受压缩、弯曲、扭转等加载方式，不同的加载方式，其应力状态不同。本章将介绍金属材料在压缩、弯曲、扭转和缺口拉伸等试验方法及其测定的力学性能指标。本章将硬度试验作为一种静载荷试验方法加以介绍。最大强度理论◆最大拉应力理论（第一）◆最大拉应变理论（第二）nb1n为安全系数Eb1最大强度理论◆最大切应力理论（第三）◆最大剪切变形能理论（第四）屈服条件：nsmaxn为安全系数21323222121s2ss§2-1应力状态系数一、问题的引出金属材料在一定承载条件下产生何种失效形式，除与载荷大小、材料性质有关外，还与在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σmax与最大切应力τmax的相对大小是不同的，对金属的变形和断裂性质将产生不同的影响。如：铸铁拉伸时呈脆性断裂，但硬度试验时，仍能形成压痕。二、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。321,,用表示。σ1σ2σ3根据这三个主应力，按最大切应力理论（第三强度理论），可以计算最大切应力2/31max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321maxν为泊松比三、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。32131maxmax2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。◆低塑性材料只有采用α大的加载方式，才能表现出塑性。对于塑性较好的材料只有采用α小的加载方式，使之在更硬的应力状态下显示其脆性倾向。四、不同的加载方式下的应力状态软性系数不同的加载方式，其应力状态软性系数α不同，详如表所示：加载方式三向等拉伸三向不等拉伸单向拉伸扭转二向等压缩单向压缩三向不等压缩三向等压缩α00.10.50.81248表：不同的加载方式下的应力状态软性系数α五、力学状态图弗里德曼提出的力学状态图，较好地概括了应力状态对断裂形式的影响。力学状态图：纵坐标为最大切应力，横坐标为最大正应力，自原点作不同斜率的直线，可代表应力状态系数α，这些直线的位置反映了应力状态对断裂的影响。(图)τmaxα=2α=1τk切断区•塑性•变形区α=0.8•τs••α=0.5•••弹性变形区正断区•O•Skσmax•图1某材料的力学状态图力学状态图简单、明确地给出了材料断裂形式与应力状态的关系。对定性分析和讨论有关断裂问题是很有用的，应用也很方便。例如，对τs、τk和Sk各不相同的各种金属材料，只有选择与应力状态相适应的试验方法进行试验时，才能显示不同材料性能上的特点，可将材料分为三种材料。τmax侧压单向压缩•⑴•扭转••⑵••单向拉伸•⑶••Oσmax•图三种材料的力学状态图•材料（1）：除了在侧压（相当于压入法硬度试验时的应力状态）时表现为切断式的韧性断裂外，在其它施力方式下均表现为正断式的脆性断裂。•显然对这种材料进行拉伸、弯曲、扭转试验时，除了得到一个断裂强度外，其它数据是无法得知的。普通灰铸铁、淬火高碳钢就相当于这种材料。材料（2）：除了材料在单向拉伸时表现为正断式的脆性断裂外，其它较“软”的应力状态下均表现为切断式的韧性断裂。如图所示显然这种材料要知道它的除断裂强度以外的其它性能指标，就应该进行扭转试验，而不能进行单纯的拉伸试验。淬火低温回火高碳钢和某些结构钢就相当于这种材料。•材料（3）：在所有施力方式下，包括单向拉伸都表现为切断式韧性断裂，显然只要对这种材料进行单向拉伸试验，就可以获得强度、塑性等力学性能指标。•生产中大部分退火、正火、调质的碳素结构钢和某些低合金结构钢都属于这种情况。这也正是单向拉伸试验在生产上得到广泛应用的原因。•应力状态图的不足之处主要是τs、τk和Sk不是常数，而是随应力状态、温度、加载速率发生变化，同时，外力发生变化时将引起τmax、Smax的变化，应力状态系数也不始终为常数。尽管如此，利用该图进行定性分析还是可行的。§2-2压缩一、压缩试验的特点1、单向压缩的应力状态软性系数为2，比拉、弯、扭更能充分显示脆性材料的脆性差别，对脆性更大的材料或为更加充分地显示脆性材料的脆性差别，还可采用α2的多向压缩试验。2、塑性较好材料（退火钢、黄铜）只能被压扁，一般不会破坏，除特殊需要外，一般不进行压缩试验。低碳钢的拉伸和压缩比较和压缩后的形状3、脆性材料压缩破坏形式有剪坏和拉坏两种形式。剪坏：断裂面与底面夹角成45°角。拉坏：纤维方向平行于压应力，压缩时横截面积增加，纤维组织横向伸长率不足造成的。4、压缩试验时，试样端面存在很大的摩擦力，这将阻碍试样端面的横向变形（试样呈腰鼓状），影响试验结果的准确性，L/do↓摩擦力↑，试验时尽量减小摩擦力，但L/do太大易造成失稳。根据上述原因可以解释薄而软的铜铝垫圈能承受很大的紧固力和轧制金属薄板很费力的原因。二、压缩试验方法1、试样分侧向无约束试样（圆柱体或正方体试样）板状试样（需夹在约束装置内进行试验）要求：⑴保证试样表面粗糙度，并涂以润滑油或石墨粉，以降低摩擦系数。⑵为保证试验结果有可比性，需保证：L/D0=(2.5~3.5)或（5～8）或（1～2）2、压缩试验可分为：单向压缩、双向压缩和三向压缩。工程中以单向压缩最常见、也是最简单的压缩，简称压缩试验。可以看成是反向拉伸；压缩曲线（力－变形曲线）如图所示图金属材料压缩曲线第二章3、主要性能指标：1、规定非比例压缩应力σpc2、抗压强度σbc试样压至破坏过程中的最大应力。如果试验时金属材料产生屈服现象，还可测定压缩屈服点σsc.0AFpcpc0AFbcbc第二章三、压缩试验的破坏特征在压缩试验时，试样的破坏形式与材料的性质及端面的支撑情况有关。1、塑性材料，在压缩试验过程中高度减小，横截面增大形成腰鼓形，压力继续增加，软钢、黄铜可压成圆板状，而纯铁则向侧面开裂，如图(a)(b)所示。2、低塑性与脆性金属材料如高碳钢、铸铁等，压缩时试样的破坏形式如图(c)所示，试样受压时沿斜截面发生剪切错动而破坏。破断面与横截面略大于45°，压缩试样实际角度常在55°左右(大于45°是由于两破断面间有摩擦作用的缘故)。3、其它脆性材料如石料、混凝土等压缩试验时破坏形式如图(d)所示。在试样端面涂油，减小端面受压时的摩擦力，可使破坏载荷降低，破坏的形式可由剪坏变为拉坏。§2-3弯曲试验金属杆状试样承受弯矩作用后，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。金属在弯曲加载下所表现的力学性能与单纯拉应力或压应力下的不完全相同。如：在拉伸或压缩载荷下产生屈服现象的金属，在弯曲载荷下显示不出来。对于承受弯曲载荷的机件如轴、板状弹簧等，常用弯曲试验测定其力学性能，以作为设计或选材的依据。2、弯曲试验时，试样表面应力最大，可灵敏地反应材料表面缺陷。因此，常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。二、弯曲实验及其性能指标1弯曲实验方形(高×宽，5×7.5mm,30×40mm)矩形(5×5mm，30×30mm)圆形(d=5~45mm)跨距L为直径d或高度h的16倍加载方式四点弯曲加载三点弯曲加载弯曲试验的试样返回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）脆性材料测得的力学性能：1）弯曲应力（抗弯强度）M－最大弯矩，W－抗弯截面系数。三点弯曲试样：（N.m）四点弯曲试样：（N.m）直径为d0的圆柱型试样：（m3）宽度为b，高度为h的矩型试样：（m3）WM4maxFLMmax2FKM3230dW62bhW第二章二、弯曲试验1、弯曲试验的特点1）弯曲试验的试样形状简单，操作方便。2）弯曲试验时不存在试样偏斜对试验结果的影响，可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。3）弯曲试验时，试样的表面应力最大，可较灵敏地反映材料的表面缺陷。2、弯曲试验的应用1）常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。2）常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等化学热处理及表面热处理机件的质量和性能。§2-4扭转一、应力应变分析1、圆柱体受到扭矩作用时，其应力应变分布如图所示。◆在与试样轴线呈45°的两个斜截面上承受最大与最小正应力σ1及σ3；◆在与试样轴线平行和垂直的截面上承受最大切应力τ。◆两者比值接近于1。2、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。如图所示3、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，不再呈线性分布。如图所示二、扭转试验的特点1、扭转试验的应力状态软性系数为0.8，比拉伸的大，易于显示金属的塑性行为，特别是那些在拉伸时呈现脆性的金属材料的塑性性能。2、圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有颈缩现象。所以能精确地反应出高塑性材料直至断裂前的变形能力和强度。3、较灵敏地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。因此，可利用扭转试验研究或检测工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。4、根据扭转试样的宏观断口特征，还可明确区分金属材料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，有回旋状塑性变形痕迹（图a）这是由切应力造成的切断；脆性材料的断裂面与试样的轴线成45°角，成螺旋状（图b），这是在正应力作用下的正断。图c为木纹状断口（变态切断），断裂面顺着试样轴线形成纵向剥层或裂纹。这是因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，从而降低了试样轴向的切断抗力造成的。三、扭转试验及测定的力学性能1、扭转试验按照GB/T10128-88《金属室温扭转试验方法》进行。2、扭转试样与拉伸试样相似，夹持部分不同。(d0＝10mm、标距长度为L0分别为50mm或100mm的圆柱形试样)3、扭转曲线（扭转图）：T-φ4、扭转试验时可测得的力学性能指标主要有：切变模量G：上屈服强度τeH：下屈服强度τeL：规定非比例扭转应力τp：抗扭强度τm：GWTeHeHWTPPWTmm40032/dTLGWTeLeL§2-5缺口试样静载荷试验大多数机件或构件都含有缺口，如键槽、油孔、台阶、螺纹等，必须考虑缺口对材料的性能影响。一、缺口效应（一）缺口试样在弹性状态的应力分布缺口最大的影响是应力集中,如图所示。因缺口部分不能承受外力，这一部分外力要由缺口前方的部分材料来承担，因而缺口根部的应力最大，离开缺口根部，应力逐渐减小，一直减小到某一恒定数值，这时缺口的影响便消失了。理论应力集中系数：maxtKKt值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状与尺寸。◆薄板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布图◆厚板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布图缺口效应：因缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化的现象。平面应力状态平面应变状态缺口的第一个效应：①产生应力集中或局部应力升高；②改变了缺口前方（附近局部区域）的应力状态，使缺口试样所受应力状态由原来的单向应力状态改变为两向应力状态或三向应力状态（视板厚决定）。◆应力状态的改变导致缺口附近应力状态软性系数下降。导致了材料的脆化。◆直接的后果导致在缺口根部最大纵向应力的作用下断裂，低于光滑试样的抗拉强度。（二）缺口试样在塑性状态的应力分布如图所示缺口的第二个效应：缺口强化：在缺口前方出现了三向应力状态，并产生应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高。◆缺口强化并不是金属内在性能发生变化，纯粹是由于三向拉伸应力约束了塑性变形所致，因此，不