第二章 金属在其他静载荷下的力学性能

第二章金属在其他静载荷下的力学性能主要指：压缩、弯曲、扭转、硬度、和带缺口试样力学性能原因：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。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，特引入应力状态软性系数的概念。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Smax按第二强度理论计算，即,ν——泊松系数。单向拉伸=1/2扭转=1/（1+ν）≈0.8单向压缩=1/（2ν）≈2应力状态系数表示材料塑性变形的难易程度。越大表示在该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑性变形。把值较大的称做软的应力状态，值较小的称做硬的应力状态。一、材料压缩的特点应力状态系数=2，即应力状态软，材料易产生塑性变形。铸铁：拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断，表现出一定的塑性。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。第一节单向压缩压缩曲线与拉伸曲线的形式相同二、压缩实验1：拉伸曲线，2：压缩曲线二者弹性模量不同压缩性能指标（与单向拉伸时基本一致）1:规定非比例压缩应力pc2:抗压强度bc：表征材料所能承受的最大压缩载荷pc=Fpc/A0bc=Fbc/A0FbcFpc第二节弯曲一、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）两面应力方向不同：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）可灵敏反应材料表面缺陷；（4）力点处的作用力最大。弯曲试验常用来作为承受弯曲载荷机件设计和选材依据。二、弯曲试验通过三点弯曲获四点弯曲试验，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。挠度f:试样截面形心沿y方向的位移。韧性材料一般不作弯曲强度检测。加载曲线一般无屈服现象M为最大弯矩，W为抗弯截面系数。弹性范围内，受拉侧表面最大弯曲应力三点弯曲最大弯矩M=FL/4四点弯曲最大M=FL/2直径为d的圆形试样，抗弯截面系数W=（πd3）/32对于宽度为b，高为h的矩形试样，抗弯截面系数W=bh2/6；力学性能指标1、规定非比例弯曲应力（pb）试样弯曲时，外侧表面的非比例弯曲应变达到规定值（pb）时，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力。此时弯曲应变应转换成挠度2、抗弯强度（bb）试样弯曲至断裂前，达到最大弯曲应力，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力。fF弯曲F-f曲线FbbFpbOCpbOC第三节扭转一、扭转试验的特点1、变形特点（1）能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。（2）长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的。（无颈缩现象）（3）能敏感地反映材料表面的性能（4）断口的特征最明显（正断、切断、层状断口等）2、应力特点纵向受力均匀；横向表面最大，心部为0；最大正应力与最大切应力相等。弹性阶段：横截面切应力和切应变线性分布表层产生塑性变形后：切应变线性分布，且应力在塑性层下降二、扭转试验扭转变形曲线：扭矩和扭角的关系弹性范围内表面切应力和切应变分别为：τ=T/WT—扭矩，T=PLW—抗扭截面系数φ—扭角002LdW=（πd3）/1640032/dTLG获得的力学性能指标1、切变模量（在弹性范围内）T扭矩T-扭角OC∆T∆2、屈服点τs呈明显屈服现象的材料扭转时也呈现屈服现象τs=Ts/W(此时Ts可直接从曲线读取)3、规定非比例扭转应力τp(无明显屈服现象时)T扭矩T-扭角TbTpOCp按弹性扭转公式计算的地表面切应力p=OC=p·2L0·n/d04、抗扭强度τb按弹性扭转公式计算的，直至断裂时表面的最大切应力τb=Tb/W此时扭转应变应转换成扭角1、硬度表征材料软硬程度的一种性能,随试验方法的不同，物理意义不同。2）硬度的种类压入法：布氏硬度、洛氏、维氏、（显微硬度）维氏、普氏表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。应力状态软性系数最大，a2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。划痕法：莫氏硬度表征材料对切断的抗力。（抗切削能力）回跳法：肖氏硬度表征金属弹性变形功的大小。同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一材料进行标定。（都列入表中）第四节硬度一、硬度及其意义二、硬度试验1、布氏硬度（1）原理用一定直径D的钢球或硬质合金球为压头，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(mm2)就是布氏硬度。)(204.0102.022dDDDFAFHBd—压痕直径mm，不标出单位。（2）种类布氏硬度试验用压头材料不同时，硬度用不同符号表示HBS淬火钢（450）HBW硬质合金（450）直径D有10，5，2.5，2，1mm五种。F/D2的比值有30、15、10、5、2.5、1.25和1七种。保持时间：黑色金属为10~15s；有色金属为30s；对于＜35HBS的材料为60s。注意：（1）不同厚度，相同材料时，应尽量保证F/D2=常数（保证压痕相似）（2）不同软硬材料，F/D2值应不同，为保证压入角在一定范围内（28°~74°）(3)布氏硬度的优缺点优点：微观组织不均匀影响较小，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，不能直接在工件上测量；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。d应控制在（0.24~0.6）D之间（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。金刚石k=0.2mm；钢球k=0.26mm，锥头又分成α=120o的圆锥或四面锥。002.0hkHR2、洛氏硬度即规定0.002为一个洛氏硬度单位初始实验力：98N（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，以测量不同软硬或厚薄试样的硬度。(3)洛氏硬度的优缺点优点：压痕小，属无损检测，可直接在工件上进行；硬度值可直接读出。缺点：压痕小，微观不均匀性影响大；重复性差；HRA、HRB、HRC硬度值彼此没有联系，不能直接进行比较。分类组合方式221891.0)2/136sin(204.0102.0dFdFAFHVo3、维氏硬度α=136o的金刚石四棱锥体压头与布氏硬度的计算方法相同(加载力除以压痕锥面面积mm2)。通过测量对角线长度d（mm）计算出HV。维氏硬度可分为宏观和显微观两种：宏观：F=49.03~980.7N六级大载荷测定较大工件和较深表面层的硬度。F=1.961~49.03N七级小载荷，用于测定较薄工件和工具和表面层或镀层的硬度；测定试样截面的硬度梯度。(3)维氏硬度的优缺点优点：试验力可任意选取（总能保证压痕相似）；压痕测量精确度高小；属无损检测，可直接在工件上进行；缺点：压痕小，微观不均匀性影响大。重复性差。显微F=98.07×10-3~1.961N五级，测定金属箔、极薄的表面层的硬度及合金中各组成相的硬度。