材料力学性能2014(3)

材料力学性能第三章材料在其它载荷下的力学性能研究力学性能典型样品：光滑样品、缺口样品、含裂纹样品轴向加载—静拉伸：弹-塑性/韧-脆断其它：压、扭、弯、剪、硬度、冲击。。。材料的塑性或脆性完全取决于材料本身属性？常温下陶瓷为什么没有塑性？可以有？3.1应力状态系数和应力状态图3.1.1应力状态系数材料的塑性或脆性并不是绝对的与应力状态有关：切应力易引起塑性变形和韧性断裂正应力易导致脆断应力状态对材料塑性变形的影响，应力状态系数α举例：铸铁压→韧，拉→脆maxmax13123/()/2Smax13max123()/2S1,3分别为最大和最小主应力,为泊松比材料力学：任何复杂应力状态可用三个主应力表示。由三个主应力可计算材料承受的最大切应力和最大正应力应力状态系数α：单向拉伸扭转单向压缩①表示材料塑性变形的难易程度。②↑在该应力状态下切应力分量越大，塑性变形↑；软的应力状态③↓正应力分量最大，易引起脆断；硬的应力状态3.1.2力学状态图将几个因素综合在一个图中，定性判断材料发生何种断裂ff内在因素：材料本性；外在因素：应力状态剪切屈服强度切断强度抗断强度拉伸曲线上的断裂真应力压缩、扭转：切断先剪切屈服，后拉断脆断f*f同种材料：对不同材料:A：抗剪强、抗拉弱（硬性材料）B：AC之间C：抗剪弱、抗拉强（软性材料）1三轴不等压缩2单向压缩3扭转4单向拉伸3.2材料的扭转、弯曲、压缩和剪切扭转:断裂面与轴线垂直(塑性材料)/45°角(脆性材料)缩可以看作是反向拉伸。因此，拉伸试验时所定义的各个力学性能指标和相应的计算公式，在压缩试验中基本都能应用。3.3材料的硬度3.3.1分类刻划法——莫氏（抗破裂能力）压入法——布氏、洛氏、维氏（抗变形能力）回跳法——肖氏（弹性变形功）给定载荷下，材料对形成表面压（划）痕的抵抗能力衡量软硬程度的力学性能指标，但仅是技术指标，不是确定的力学性能指标，物理意义随测试方法而异硬度测试应力状态最软（α＞２），几乎所有材料发生塑性变形3.3.2莫氏硬度划痕硬度，表示硬度由小到大的顺序，不表示软硬程度，后面的矿物可划破前面的矿物表示。一般分十级，后来出现一些人工合成的硬度大的材料，又可分为15级：滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石（、SiO2玻璃）、石英、黄玉（、石榴石、熔融ZrO2）、刚玉（、SiC、BN）、金刚石物理本质：（刻划法——莫氏：对破裂的抗力）冲头落下，能量→塑性+弹性变形功存于件中，弹性恢复时，弹性变形功释放；回弹↑，储存的弹性变形功↑，（弹性功∝E），原子间作用力↑，硬度↑；物理本质：回跳法——肖氏：弹性变形功的大小。E不同的材料不能比较。金刚石或钢球h0,自由落h,回弹高度现场大件，不破坏样品3.3.3肖氏硬度金刚石或钢球h0,自由落；h,回弹高度现场大件，不破坏样品Hs=k·h/h0k为回弹系数3.3.4静载压入硬度（1）原理：静压下将一硬的物体压入被测物体的表面（2）表征：硬度=载荷/压入凹面面积，写文章时标明方法、载荷（3）意义：对变形（金属）/破坏（陶瓷）的抗力（4）分类：布、洛、维。。。（5）显微硬度：载荷很小，大致在100gf-500gf范围，所用的压头有两种：维氏压头和努氏压头物理本质：（压入法——布氏、洛氏、维氏：对变形的抗力）１、布式HR：①直径、最久最广的测试方法②钢球/硬质合金球③压痕面积大（工件损伤大）④d/D适当(0.24D＜d＜0.6D)；⑤抗拉强度σb=kHB2、洛氏HRC：①深度；对工件损伤小②两种压头（无压头变形）-适应性好③存在人为定义，不同标尺硬度不可比3、维氏：①对角线、误差小②136°四方角锥，载荷变压入角不变；③136°？便于比较．布氏d=(0.25D+0.5D)/2=0.375D时，过压痕直径做压头切线夹角136°特点/136？/可比性硬度测试的其它应用：αAl2O36×10-6/℃αZrO210×10-6/℃①一些材料的硬度Kg/mm2（HB≈HV）：铝20-40；钢200-900；氧化锆2000；金刚石6000-10000；有机玻璃16；光学玻璃550-600；②硬度数据是相对的。与测试方法、固有性质、组成/结构有关；③一般，化学键强，硬度大，共，离，金，氢，范氏键依次降低；④离子半径↓，电价↑，配位数↓，结合能↑，抵抗外力摩擦、刻划、压入的能力↑，硬度↑；⑤温度增加，硬度降低。3.4缺口试样的力学性能3.4.1缺口对材料性能的影响设计之需要：键槽、油孔、台阶、螺纹工艺难避免：空洞、砂眼、裂纹、刀痕对材料性能产生4个方面的影响：①缺口产生应力集中②引起三向应力状态,使材料脆化③由应力集中产生应变集中④使缺口附近的应变速率增高缺口：薄弱环节1、产生应力集中1234受纵向拉伸应力123→4（正常）1）原因：缺口前方材料承担缺口部分的外力，缺口根部的应力最大，离开缺口根部，应力逐渐减小，到一恒定值，缺口影响消失。2）定义：由于缺口造成局部应力增大的现象称为应力集中3）表征：应力集中系数Kt表示nLtSKmax弹性范围内,Kt决定于缺口形状与尺寸缺口根部的最大应力净截面上的名义应力Z向：厚度方向可自由变形，应力=0YXZz平面应力状态（薄板）：＝0，在XY平面内受应力，在垂直于XY平面方向无应力Y向均匀拉伸——X、Z向均匀收缩（无缺口）有缺口：Y向：根部受拉应力最大，向中心渐小X向：根部向中心收缩应力应该由大变小由于根部可自由收缩，应力为0Y向加载弹性极限（1）带有缺口的薄板2、引起三向应力状态，使材料脆化YXZ（2）带缺口的厚板X、Y向：与薄板相同Z（厚度）向：变形受约束，只在接近两个自由表面时，变形才不受限制，应力为0，越趋于厚板中心，应力越大。缺口在厚板内产生了三向应力状态。由于板的厚度方向不能自由变形，即＝0，即变形只发生在XY平面内，在垂直于XY平面的方向没有变形。根据虎克定律，=故有这种应力状态称为平面应变状态。z)]([1yxzE)(yxzz弹性变形时：缺口根部最大，=0，在二者之间。塑变形时：、、最大值不在缺口根部，在弹塑变形交界处。：弹性变形时在缺口根最高，但有塑性变形时，原来达到屈服强度后就开始屈服，由于三向应力的影响，塑性变形受约束，要达到比原来更高的水平才能屈服——“缺口强化”：提高了屈服强度，但断裂前的塑性变形量减小了。yx)(yxzyxzy0y（3）屈服状态下缺口处的应力分布3、由应力集中带来应变集中缺口处很陡的应力梯度，必然导致很陡的应变梯度应变集中带来的后果是导致裂纹的产生——缺口根部附近应变硬化体积很小，应变集中引起的开裂并不需要消耗很大的塑性功4、使缺口附近的应变速率增高夹头移动速率v=dl/dt；试样应变速率而d=dl/l因此===v/如光滑试样的工作长度＝100㎜、缺口附近的工作长度＝1㎜，则缺口附近的应变速率比平均应变速率提高了两个数量级dtd/dtd/dtldl/dtdl01l0l3.4.2缺口试样的力学性能1、缺口静拉伸试验塑性材料：缺口使材料屈服强度或抗拉强度升高，但塑性降低，“缺口强化”脆性材料：应力集中不会因塑性变形而使应力重新分布，强度低于光滑试样以缺口的净截面积计算并与同样截面的光滑试样比较：缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值。比值越大，缺口敏感性越小。缺口敏感性除与材料本身性能、应力状态（加载方式）有关外，还与缺口形状和尺寸、试验温度有关。2、缺口偏斜拉伸试验有些零部件（如连接螺钉），本身存在严重的应力集中，装配中又不可避免出现偏心。模拟这类工况，进行偏斜拉伸试验。当实验机上夹头向上运动时，通过垫圈3传递到试样螺母夹头4的作用力P非均匀接触，使试样的工作部分倾斜，倾斜角度等于垫圈的角度。（=0，4，8，12）在这种偏斜拉伸的作用下，缺口截面上的应力极不均匀，更易导致早期断裂，所以更能灵敏地反映出材料的缺口敏感度。3、缺口弯曲试验评定材料的缺口敏感度和裂纹敏感度对缺口敏感度123从变形到断裂的总功：图3-37弹性变形功Ⅰ塑性变形功Ⅱ撕裂功Ⅲ：或Pmax/P(P裂纹开始迅速扩展的载荷）表示裂纹敏感度——越大，断裂前塑性变形大，缺口敏感性小，脆化趋势小。鸟撞飞机：自1988,190人死亡；1麻雀可撞毁降落时飞机发动机动量定理：0.45kg-80km/h—153kg、7kg-960km/h—144T冲击力以卵击石：？3.5材料在冲击载荷下的力学性能3.5.1冲击载荷与静载荷的区别变形速率不同：由加载速率不同引起能量性质：载荷作用时间、速率变化难测；把冲击载荷作为能量而非力处理。3.5.2冲击载荷下材料变形与断裂的特点弹性变形不受影响：弹性变形在介质中声速传播，冲击变形速率103以下；塑性变形受限：加载快，塑性变形慢、来不及充分进行；加载速率不同——弹性极限、屈服强度（塑性变形抗力）提高；冲击载荷具有能量特征，与零件的截面积、形状和体积有关。3.5.3缺口试样的冲击试验和冲击韧性冲击韧性是材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。将具有一定重量G的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定的势能mgH1，然后将摆锤释放，在摆锤下落至最低位置处将试样冲断，摆锤在冲断试样时所做的功，称为冲击功，以Ak表示，摆锤的剩余能量为mgH2，故有Ak=mg(H1—H2)Ak的单位为J，摆锤冲击试样时的速度为每秒5米。冲击韧性k=Ak/Sn,Sn是缺口处的截面面积（cm2）.Sn是一个综合性的力学性能指标，与材料的强度、韧性、形状、尺寸、缺口形式都有关系。因此k是材料抗冲击断裂的一个参考性指标，最大的优点就是测量迅速简便。不同缺口形状的试样，无法对比，设计中不能定量使用。3.5.4冲击试样断裂过程分析挠度：弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移Pe弹性变形阶段塑性变形+形变强化阶段ＰF处裂纹失稳扩展，载荷陡降为ＰDＰD后裂纹前端进入试样压应力区，尚未断裂截面已很小，平面应力状态，变形比较自由，载荷降落变缓Ac：弹性变形功Ap：塑性变形、变形强化、裂纹形成功Ａd：裂纹扩展功Pmax前后、根部一定距离处（三向应力），萌生裂纹冲击功相同，冲击过程吸收功的相对比例不同，物理意义差别很大：强度高、塑性低、无裂纹扩展功。裂纹难形成，极易扩展强度较高——裂纹较难形成，有一定抵抗裂纹扩展能力强度低并有很大抵抗裂纹扩展的能力3.5.5冲击试验的应用冲击功是一种混合韧性指标，设计中不能定量使用，不真正代表材料的韧脆程度。主要用途是揭示材料的变脆倾向，评定在复杂受载条件下的寿命与可靠性：I.吸收功＋断口分析——揭示工艺缺陷II.模拟实际服役工况——评定脆断倾向III.屈服强度相近的材料，冲击功衡量大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性（二战脆断实例）3.6材料的低温脆性3.6.1低温脆性现象因温度降低由韧性断裂变为脆性断裂，冲击功明显降低的现象，称低温脆性或冷脆。转变温度tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度3.6.2低温脆性的本质实验证实：屈服强度随温度下降急剧增加——低温脆性低温下的韧—脆转变：由屈服强度s和断裂强度f控制tk：s(随温度下降升高）与f（随温度变化小）交点Ttk:fs先屈服再断裂Ttk:fs先断裂，脆性材料0发生低温脆性的3个重要因素：低温、应力集中、高应变速率缺口效应：屈服强度由s增大到sn脆性转变温度将由光滑试样tk升到tk——光滑试样韧性断裂，缺口试样脆性断裂。3.6.3低温脆性的评定1低温拉伸采用光滑试样——很低温度（-200℃）才出现断裂强度≈屈服强度，断面收缩率、延伸率随温度变化不大。结论：光滑试样塑性指标不能反映材料的低温脆性。2低温冲击试验——综合缺口、低温和高应变速率3个因素测试材料冲击功随温度的变化规律脆转化温度的评定原则（1）能量准则(a)塑性断裂转变温度FTP：对应于能量曲线的上平台(高阶能)和100%