力学性能第二单元-(1)

第二单元金属在其他静载荷下的力学性能本单元导读很多零构件实际服役时常承受弯矩、扭矩或轴向压力的作用，或其上有螺纹、孔洞、台阶等引起应力集中的部位，有必要测定制造这类机件或工具的材料在相应承载条件下的力学性能指标，作为设汁和选材的依据。所以，研究金属材料在常温静载荷下的力学性能时，除采用单向静拉仲试验方法外，有时还选用压缩、弯曲、扭转等试验方法。金属硬度试验方法在工业生产及科研中的应用极为广泛。常用的布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法属于静载压入试验。通过本单元的学习，掌握硬度试验、压缩试验、弯曲试验、缺口静载荷试验的特点及应用，重点掌握各种试验方法所能测定的力学性能指标以用应用范围。研究内容研究金属材料在常温静载下力学性能。压缩、弯曲、扭转、缺口拉伸、硬度试验。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。模块一压缩试验能力知识点1压缩试验的特点很多零件或构件是在压缩载荷下工作的，例如大型厂房的立柱、起重机的支架、轧钢机的压紧螺栓、机器的机座等。这就需要对它们的材料进行抗压性能试验评定。压缩试验同拉伸试验一样，也是测定材料在常温、静载、单向受力下的力学性能的最常用、最基本的试验之一。实践表明，工程中常用的塑性材料，其受压与受拉时所表现出的强度、韧性和塑性等力学性能是大致相同的。但广泛使用的脆性材料，其抗压强度很高，抗拉强度却很低。所以，压缩试验大多用来测定脆性材料的抗压强度和塑性。对塑性材料只是测定弹性模量、比例极限和弹性极限等指标。金属材料室温压缩试验按照国家标准GB/T7314－2005进行。低碳钢和灰铸铁的单向压缩曲线a)低碳钢b)铸铁压缩试验可在万能材料试验机或专用压力机上进行。试验时材料抵抗外力变形和破坏的情况也可用力-变形曲线或应力-应变曲线来表示，并以此确定材料的主要压缩性能指标。拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂，脆性金属材料在拉伸时产生来自于载荷轴线的正断，塑性变形量几乎为零，而在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线成45°方向产生断裂，具有切断特征。由于塑性材料在进行单向压缩试验时只能压扁但不能压破，不能测得压缩强度极限，所以单向压缩试验适合于脆性和低塑性材料的力学性能试验，如铸铁、铸铝合金、轴承合金等，以显示在静拉伸、弯曲、扭转试验中不能显示的材料韧性状态的工作行为。能力知识点2金属室温单向压缩试验主要力学性能指标通过压缩试验主要测定脆性材料的抗压强度Ｒmc；如果在试验时金属材料产生明显屈服现象，还可测定上、下压缩屈服强度ReHc和ReLc。单向压缩可以看作是反向拉伸，因此拉伸试验时所决定的力学性能其定义和公式在此都还适用。能力知识点3金属室温单向压缩试验一、试样金属压缩试样形状与尺寸的设计应保证在试验过程中标距内为均匀单向压缩，引伸计所测变形应与试样轴线上标距段的变形相等，端部不应在试验结束之前损坏。金属室温压缩试验常用的试样截面为圆形或正方形，高度为直径或边长的2.5～3.5倍。二、试验步骤试验应在室温10～35℃下进行。用游标卡尺测量试样直径或边长，方法是在试样原始标距中点处两个相互垂直的方向上测量直径，取其算术平均值。根据低碳钢屈服载荷和铸铁抗压强度的估计值，选择试验机的示力盘，调整其指针对零。调整好自动绘图仪。准确地将试样置于试验机活动平台的支承垫板中心处。调整试验机夹头间距，当试样接近上支承板时，开始缓慢、均匀加载。对于低碳钢试样，将试样压成鼓形即可停止试验。对于铸铁试样，加载到试样破坏时(主指针回摆15°左右)立即停止试验，以免试样进一步被压碎。记录下有关试验参数和所测性能结果，写出试验报告。三、试验结果处理出现下列情况之一时，试验结果无效，应重做同样数量试样的试验：试样未达到试验目的时，发生弯曲。试样未达到试验目的时，端部就局部压坏以及试样在凸耳部分或标距外断裂。试验过程中操作不当。试验过程中试验仪器设备发生故障，影响了试验结果。试验后，试样上出现冶金缺陷(如分层、气泡、夹渣、缩孔等)，应在试验记录及报告中注明。模块二金属弯曲力学性能试验能力知识点1金属弯曲力学性能试验的特点在工程和建筑上，很多构件和零部件是在弯曲载荷作用下工作的，如桥式起重机横梁、火车的轮轴、电缆桥架等，需要对这些零构件的材料进行弯曲性能评定，因此弯曲力学性能试验也是生产中常用的一种金属性能试验方法。金属弯曲力学性能试验是指采用三点弯曲或四点弯曲方式对圆形或矩形横截面试样施加弯曲力，一般直至断裂，测定其弯曲力学性能。试验按YB/T5439－2006《金属弯曲力学性能试验方法》进行，相对于拉伸试验要方便得多，而且很适用于低塑性材料弯曲载荷条件下的力学性能测试，如铸铁、硬质合金陶瓷和高分子材料。弯曲试验的特点及应用弯曲试验的特点及应用试样形状简单、操作方便。同时弯曲试验不存在拉伸试验时的试样偏斜对试验结果影响问题，并可用挠度显示材料的塑性。常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性和低塑性材料的断裂强度。试验时，试样截面上的应力分布不均匀，表面应力最大，可灵敏的反映材料表面缺陷。常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等机件的质量与性能。试验时不能使塑性较好的材料断裂，故其F－fmax曲线的最后部分可任意延长。能力知识点2金属弯曲力学性能试验一、金属弯曲力学性能试验原理YB/T5439－2006《金属弯曲力学性能试验方法》中规定，弯曲力学性能试验是采用三点弯曲或四点弯曲方式对圆形或矩形横截面试样施加弯曲力，一般直至断裂，测定其弯曲力学性能指标。弯曲力学性能试验所用圆形截面试样的直径5～45mm，矩形截面试样的h×b为5mm×7．5mm(或5mm×5mm)至30mmm×40mm(或30mm×30mm)。进行弯曲试验时，将圆形或矩形及方形试样放置在一定跨距L的支座上，进行三点弯曲或四点弯曲试验，通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，通常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。对于圆形、矩形横截面试样，一般每个试验点需试验3个试样；对于薄板试样，每个试验点至少试验6个试样，试验时，拱面向上和向下各试验3个试样。图2-7金属弯曲试验加载方式示意图(a)三点弯曲加载(b)四点弯曲加载二、金属弯曲力学性能的确定通过弯曲试验得到的弯曲载荷和试样弯曲挠度的关系曲线称为弯曲图，并可根据弯矩M值，应用材料力学公式求出弯曲强度和挠度。铸铁的弯曲力F－挠度f曲线试样弯曲时，受拉侧表面的最大正应力：式中M——最大弯矩。对三点弯曲M=FLs/4；对四点弯曲M=FL/2。W——抗弯截面系数。对于直径为d的圆形试样，；对于宽度为b，高为h的矩形试样，W=bh2/6计算脆性材料的抗弯强度：（Mb为断裂时的弯矩,读出Fbb）WMσWMσbbb1.抗弯强度σbb弯曲试验主要测定脆件或低塑性材料的抗弯强度。试样弯曲至断裂前达到的、按弹性弯曲应力公式计算得到的最大弯曲应力就是材料的抗弯强度,用符号σbb表示。WLFsbbbb4WlFbbbb2σbb是铸铁的重要力学性能指标。灰铸铁的抗弯性能优于抗拉性能，球铁和可锻铸铁的σbb比灰铸铁的大得多，如珠光体球铁的σbb为700～1200MPa,为抗拉强度的1.6～1.9倍。2.断裂挠度fbb的测定将试样对称地安放于弯曲试验装置上，挠度计装在试样中间的测量位置上，对试样连续施加弯曲力，直至试验断裂，测量试样断裂瞬间跨距中点的挠度，此挠度即为断裂挠度fbb。此方法用于仲裁试验。测定断裂挠度一般可与测定抗弯强度在同一试验中进行。可以利用试验机横梁位移来测定断裂挠度，但应对试验机柔度等因素的影响加以修正。模块三金属扭转试验金属扭转试验的特点扭转试验是金属力学性能试验中的一种重要试验方法。对于某些承受切应力或扭转应力的零件如传动主轴、弹簧、钻杆等，具有重要的实际意义。扭转试验主要用于评价材料的塑性，尤其是在拉伸试验时呈脆性的材料，扭转试验是评价其塑性的最佳方法。金属扭转试验具有如下特点：圆柱形试样扭转时，试样从开始变形直至破坏，其长度和截面尺寸几乎保持不变。试样沿标距长度的塑性变形始终是均匀发生的，没有缩颈现象出现，能实现大塑性变形量条件下的试验，因此，对于那些塑性好的材料用扭转试验方法可以精确地测定其应力和应变的关系。高温扭转试验(热扭转试验)可以用来研究金属在热加工条件下的流变性能与断裂性能、评定材料的热压力加工性，并为确定生产条件下的热压力加工工艺(如轧制、锻造、挤压)参数提供依据。能较敏感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验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。扭转时试样中的正应力与切应力在数值上大体相等。当扭转沿着横截面断裂时为切断，而由最大正应力引起断裂时，断口呈螺旋状与纵轴成45°。能力知识点2金属扭转试验对圆形试样施加扭矩T，测量扭矩及其相应的扭角，一般扭至断裂，便可测出金属材料的各项扭转性能指标，如金属的切变模量G、上屈服强度、下屈服强度、规定非比例扭转强度、抗扭强度及最大非比例切应变等。试验按国家标准GB/T10128－2007《金属室温扭转试验方法》进行。一、试样扭转试验主要采用直径d0=10mm、标距长度L0分别为50cmm或100mm，平行长度分别为70mm和120mm的圆柱形试样。采用其他直径的试样，平行长度为标距加上两倍直径。由于扭转试验时试样外表面切应力最大，对于试样表面的细微缺陷较为敏感。因此，对试样的表面粗够度要求较拉伸试样为高，规定为Ra0.4μm。圆柱形扭转试样二、力学性能指标扭矩－扭角（T-）曲线试样在弹性范围内表面的切应力和切应变为：W为试样抗扭截面系数，圆柱试样为：WTτ002Ldφγ16/)(30dπ扭矩－扭角曲线扭转力学性能指标切变模量G（在弹性范围内，切应力与切应变之比）：扭转屈服点抗扭强度（Tm为扭断前承受的最大扭矩）WTmm40032dφπTLγτGWTeHeHWTeLeL三、试验步骤用游标卡尺测量试样直径，对于圆形试样应据标距两端及中间处两个相互垂直的方向上各测量一次直径。取用三处测得的直径的算术平均值的最小值计算试样的抗扭截面系数W。扭转试验一般在室温10～35℃范围内进行。将试样装入试验机，用粉笔沿试样轴线画一条直线，以便观察试样受扭时的变形。试验时试验机两夹头中之一应能沿轴向自由移动，对试样无附加轴向力，两夹头保持同轴。根据材料性质估算扭转试验所需最大扭矩，选好试验机的扭矩度盘，使最大扭矩指示值在度盘的后半圈内。启动试验机上的电机，对试样进行扭转试验，在试验中，应注意选择扭转速度。低碳钢试样在屈服前，扭转速度在（6°～30°）/min范围内，屈服后的扭转速度不大于720°/min,且速度的改变应无冲击产生。试样扭断后，立即关机，取下试样，试验结束。记下试验中试样屈服时的扭矩TeH或TeL和破坏时的最大扭矩Tm，写出试验报告。模块四金属缺口试样静载荷试验一、问题的提出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，但实际生产中的工件，绝大多数都不是截面均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、台阶、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可视为“缺口”。缺口效应：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发生变化，产生所谓“缺口效应”，从而影响金属材料的力学性能。一、应力集中金属缺口效应中最显而易见的是应力集中。由于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。应力集中系数:表示缺口引起的应力集中程度。σσKtmax应力集中系数反映了应力集中的程度，是一个大于1的系数。试验表明，在弹性范围内，Kt的数值与材料性质无关，只决定于缺口几何形状和尺寸。截面尺寸改变愈剧烈，应力