材料力学性能2

第二章:金属在其它静载荷下的力学性能压缩弯曲（静）扭转硬度§2-1应力状态软性系数§2-1应力状态一、强度理论：三向应力状态:主应力:σ1σ2σ3最大切应力与主应力面成450角：τmax=(σ1-σ3)/2广义虎克定律：ε=[σ1-υ(σ2+σ3)]/E第一强度理论：最大拉应力理论：第二强度理论：最大拉应变理论：第三强度理论：最大剪应力理论：第四强度理论：最大变形能理论：§2-1应力状态二、应力状态：正应力σ→脆断；切应力τ→韧(塑)断、塑变塑性变形和断裂是金属材料在静载荷下失效的主要形式，它们是金属所承受的应力达到其相应的强度极限而产生的。对于一定的应力分布，τmax与σmax成正比且其比值是与应力的大小无关的常数。应力状态软性系数α：α=τmax/σmax§2-1应力状态即α=τmax/σmax表示了构件的应力状态：α值越大的试验方法，试样中最大切应力分量越大，表示应力状态越“软”，金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。α值越小的试验方法，试样中最大正应力分量越大，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。二、应力状态：§2-2压缩§2-2压缩一、试样：一般为圆柱形(方形试样在热处理时易扭曲变形)；do=10、20、25mm；h:do=2.5-3.5倍，h/do不同时所得数据不能比较；端面加工精度高(▽9)以减小磨擦力。§2-2压缩一、试样：受压时试样的端面受到很大的摩擦力，使其端面的横向变形受阻，试样成为腰鼓形，从而使得压缩时的变形分布不均匀。h(h:do)越小受摩擦力的影响越大，故希望有高的h:do比值，但过高又会使试样纵向失稳(弯曲)，所以一般取h:do=2.5-3.5倍。§2-2压缩二、特点：应力状态极软，α=2(单向压缩)或2(三向不等压缩)适用于测试极脆材料、工作服役条件为压缩应力状态的材料，并可使之沿与载荷轴线呈45o的方向发生切断；不适用于塑性材料的测试。§2-2压缩三、压缩的性能指标一般只测量抗压强度σbc。σbc=Fbc/Ao如果在试验时金属材料产生明显屈服现象，还可测定压缩屈服点σsc。§2-3弯曲§2-3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类同。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，因此，金属在弯曲加截下所表现的力学行为与单纯拉应力或压应力作用下的不完全相同。一、弯曲试验的特点弯曲试验与拉伸试验相比还有以下特点:⑴弯曲试验的试样形状简单、操作方便，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。⑵弯曲试验时，试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷。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。§2-3弯曲1.试验：分三点弯曲和四点弯曲三点弯：Mmax=FLs/4最大弯矩处为试样中心;四点弯：Mmax=Fl/2最大弯矩均匀分布在Ls两端各减去l的中间段，一般l=L/42.性能指标：弯矩力-挠度曲线(或弯矩圆)：塑性指标由挠度f表示抗弯强度:σbb=Mb(max)/WW：试样的抗弯截面系数:圆柱：W=πd3/32≈0.2d3(mm3)；矩形：W=bh²/6(mm3)§2-3弯曲3.特点：①应力分布不均匀，对表面较敏感，其相应的力学性能指标可以较敏感地反应构件的表面质量状态；②应力状态柔性系数α值较高；适用于脆性较大材料，不能测量优良塑性材料的抗弯强度σbb：塑性材料常不能使之断裂，而对脆性材料可较好地观察其断口，研究其断裂机制，适于测试工具钢、铸钢；③用挠度表示塑性，可显示低塑性材料的塑性；并可测得其塑性指标--挠度f；④以拉应力为主；⑤与很多材料实际工作应力状态相同；⑥其试验结果受偏斜的影响小，简单、简便；§2-4扭转§2-3扭转1.扭转试验：试验主要采用直径d0＝10mm、标矩长度L0分别为50mm或100mm的圆柱形试样。试验时，对试样施加扭矩T，随扭矩增加，试样标距L0间的两个横截面产生相对转动，其相对扭角以φ表示。扭矩-扭角(T-φ)曲线(扭转曲线)如图2-8所示。§2-3扭转2.扭转力学性能指标：抗扭强度τb(也称扭转强度)：τb=Tb/WAWA——抗扭截面模量(或抗扭截面系数)，单位为mm3扭转屈服点τs或记为:τ0.3τ0.3=T0.3/WA注：0.3%的残余扭转切应变，相当于0.2%的残余正应变切变模量G：G=τ/γ=32∆TL0／(π∆φd04)Note：由于试样在扭转时切应力分布不均匀，其表面在屈服后产生的形变将使其应力值发生松驰而有所降低，故τb只是条件值(可作相对比较)而非真实值，也称条件抗扭强度。§2-3扭转3.扭转试验特点：1.应力状态：为轴类零件的工作受力状态：最大正应力与力轴成450角，且σmax≈τmax，应力状态系数α=0.8，大于单向拉伸，适于表现塑性形为和评价脆性材料；2.无颈缩，沿试样长度塑变始终均匀发生，故也适用于高塑性材料的塑性变形能力及抗力的评价和精确测定；3.应力分布不均匀，表面的切应力为τmax，能敏感表述出材料的表面质量(最灵敏)，并可对表面热处理工艺(表面强化)进行评价；屈服后因变形不均匀可引起表面应力松驰；4.断口形貌与导致断裂的应力相关；可由断口分析其断裂主因。根据图2－6中应力状态和应力分布，还可以看出扭转试验具有如下特点:(1)扭转的应力状态软性系数α=0.8，比拉伸时的α大，易于显示金属的塑性行为。(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,所以能实现大塑性变形量下的试验。(3)能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。(4)扭转试验是测定生产上所使用的大部分金属材料切断强度最可靠的方法。§2-5硬度§2-5硬度硬度----衡量金属材料的软、硬程度的力学性能指标。它是包含了材料的弹性、塑性、形变强化、韧性(含金属弹性变形功)、强度等因素的综合指标，其中与强度关系最为紧密。测试方法分为划痕法、回跳法、压入法。§2-5硬度一、特点：1.简单易测，应力状态软(α=2)，适于各种脆性材料和塑性材料，广泛地作为控制生产的指导指标应用；2.与强度有一定对应关系；3.可直接在工件上测出，不要求专门加工标准测试试样，利于生产的控制指导；4.测试对试样损伤很小，一般不影响工件的使用，属无损检测；5.测试范围小，可用于微观组织、成分及相结构变化的监测和分析；6.仅表现材料表面状态。§2-5硬度二、布氏硬度：国家标准：GB231-631.测试原理：以一定大小的载荷F(kgf)，将直径为D（mm）的硬质合金球压入试样表面，保持一定时间后卸载，其载荷值与压痕表面积A（球冠）的比值，为布氏硬度值，记为HBW——单位面积所承受的压力2.定义：HBW=F/AHBW：被压入试样材料的布氏硬度—压强或抗压应力A:压痕面积(球冠)A=πDh=πD[D-(D²-d²)1/2]/2§2-5硬度二、布氏硬度：对各种材质进行测试时，需使用各种直径D的钢球及各种不同大小的载荷。为使得在不同的压力F1、F2测试条件下，一种材料有相同硬度值(即具有可比性)，其压痕的几何形状必须相似，有相同的压入角：即1=2-----压痕几何相似原理。由该原理可推导出：F1/D1²=F2/D2²=常数一般要求：d=(0.25-0.6)D，使在28o-74o之间，其HBW值的重现性较好，否则测试结果无效，须重新选择载荷及钢球直径，直至重新选择F/D²值。§2-5硬度二、布氏硬度：3.特点：1)物理意义明确：单位压痕面积所承受的压力：HBW=F/A—压强，与强度的单位相当并有一定关联；2)压痕相对较大，代表性广泛，数据较稳定，适于作基体及较大范围的硬度测量，受细小组织结构的影响小；不适于作要求表面质量及表面美观的成品的无损检测；3)对于不同材料需要不同直径的压头球和改变试验压力，压痕直径测量较麻烦，用于自动检测受到限制。§2-5硬度三、洛氏硬度：（GB1818-79）洛氏硬度：测量一定压力下的压痕深度h，以每0.002mm为一个硬度值单位，将其转换为洛氏硬度值，记为HR。1.硬度测试：压头：①锥角为120o的金钢石圆锥，或：②淬火钢球或硬质合金球HR=(K-h)/0.002金刚石:K=0.2mm，钢球或合金球:K=0.26mm§2-5硬度三、洛氏硬度：（GB1818-79）洛氏硬度的测试压力分初载荷和主载荷：一般初载荷为10kgf，目的是产生一定压力以消除因加工、腐蚀等因素所致的外表不平整对试验结果的影响，初载时不作测量，只测量加主载前后所致的残余压痕深度的增加值。§2-5硬度三、洛氏硬度：洛氏硬度HR值分九种，相互间无可比性，其中3种最为常用：HRA、HRB、HRC；尤以HRC最为常用于工业生产的检测和控制（特点：测试压力较大，数据稳定）HR压头初载荷主载荷总载荷HRA：120o金刚石圆锥10kg50kg60kgHRB：1.588mm钢球10kg90kg100kgHRC：120o金刚石圆锥10kg140kg150kg§2-5硬度三、洛氏硬度：表面洛氏硬度测试体系：其初载为3kgf，总载分别为15kgf、30kgf、45kgf分别记为：HR15N、HR30N、HR45N；§2-5硬度三、洛氏硬度：2.特点：①测试操作简便迅速，直接由硬度计压头上所带的千分尺测量出HR值(由K-h值换算)，适于工业大批量生产测试要求；②应用泛围广泛，适用各种软硬程度的材料；③压痕相对较小：A.可直接在工件表面测试，对外观质量影响小；B.但代表性较差，数据不稳定，分散性较大，受组织、成分不均匀影响较大；④HRC压力相对较大，对于表层有薄强化层测试，须注意载荷的适当；§2-5硬度四、维氏硬度(HV)：（GB4340—84）测试原理与布氏硬度相同，只是压头为136o金刚石四棱锥，压痕呈正方形顶的倒四棱锥。(136o使HV值在较低时与HB值相等或接近)§2-5硬度四、维氏硬度(HV)：（GB4340—84）1.测试：HV=F/A，F:测试压力(kgf),A:压痕的面积A=4SΔ=4(1/2×α×h)=2α×α/2sin(136o/2)=α²/sin68oHV=F/A=Fsin68o/α²=2Fsin68o/d²=1.8544×F/d²α,d:压痕的边长和对角线长(mm)，其中d=(d1+d2)/2如果F的单位为N，则:HV=0.1891F/d²四、维氏硬度(HV)：2.特点：①有一定物理意义(但因F不垂直于A，故意义不明确)②四棱锥金刚石压头，精确可靠，不变形；且不论压力F值多少，其压痕均相似，即任意P值所得到的HV值均有可比性，而HB需F/D²比例关系约束，此为HV值的优点；F值取:5,10,20,30,50,100kgf系列(GB4340—84)；或:100,200,300,500,1000,2000,5000(gf)系列,(GB3030-85)§2-5硬度四、维氏硬度(HV)：2.特点：③硬度测量范围大，适于各种硬度值的材料；④d1、d2的测量一般在维氏硬度计所配的读数显微镜上进行，测试试样表面需要光亮处理，操作烦琐，工作效率低；一般不以HV值作为大批量生产常规指标要求.§2-5硬度四、维氏硬度(HV)：3.显微硬度(HM)：显微硬度是小载荷的维氏硬度测试体系，用于测量微观显微组织(相、渗层、夹杂、晶粒、组织等)的硬度值，并可作为相及组织结构分析的依据之一加压法码为10,20,50,100,200(gf)(GB/T4342-91)，应尽可能选用较大载荷；超显微硬度:加压法码为:10,20,50,100,200,500(mgf)特点：①精度高，工作于显微镜下，常用于微观分析：组织及相的鉴定、性能分析，渗层的深度和性能分布分析等；②作显微硬度测试时，试样必