第二章 金属在其他静载荷下的力学性能

材料性能学第二章金属在其他静载荷下的力学性能材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum210aEsm212aEsc2121)2(aEaEppscdkGGdnbdGyscsii22)()(解理裂纹扩展格雷菲斯理论格雷菲斯奥罗万欧文公式12siykd理论断裂强度qGkkdSyyi2)(21材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum主要内容硬度扭转弯曲压缩应力状态软性系数缺口试样静载荷试验材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§2.1应力状态软性系数最大切应力理论：τmax=(σ1-σ3)/2相当最大正应力理论：σmax=σ1-υ(σ2+σ3)正应力脆性解理断裂切应力塑性变形和韧性断裂变形和断裂方式主要与承载条件下应力状态有关不同的应力状态，其σmax和τmax不一样材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleumα越大，切应力分量越大，应力状态越“软”，易塑变和断裂α越小，正应力分量越大，应力状态越“硬”，易脆性断裂应力状态软性系数)(5.0232131maxmax材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum思考：（1）预考查脆性材料的塑性，设计试验时，应力状态软性系数α取大还是取小？（2）预考查塑性材料的脆性，设计试验时，应力状态软性系数α取大还是取小？取大取小材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§2.2压缩(1)α=2(单向)，脆性材料，在韧性状态下的力学行为。(2)塑性材料不用此法(3)多向不等压缩α＞2，适用于脆性更大的材料一、压缩试验的特点材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum压缩拉伸脆性材料塑性材料材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum二、压缩试验（GB/T7314-2005）试样：圆柱形或板状尺寸：长度=2.5~3.5直径或边长根据压缩曲线，获得压缩强度和塑性指标σbc=Fbc/A0材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§2.3弯曲(1)受拉的一侧应力状态基本与静拉伸时相同，不存在的试样偏斜对结果的影响。(2)表面上应力最大，反映表面缺陷。(3)不能使塑性材料断裂，很少使用。一、弯曲试验特点材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum二、弯曲试验（GB/T14452-92）试样：圆柱或方形试样，三点弯曲或四点弯曲加载，记录：载荷F（或弯矩M）和试样挠度fF-fmax弯曲图材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum脆性或低塑性材料抗弯强度：试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力弯曲弹性模量断裂挠度fbb断裂能量U材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§2.4扭转一、扭转试验的特点材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum图2-7扭转试样的宏观断口(a)切断断口(b)正断断口(c)木纹状断口材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum二、扭转试验（GB/T10128-1998）试样：d0=10mm，L0=50或100mm扭转试验机扭转图材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum扭转性能指标切应力和切应变τ=T/WT—扭矩，W—截面系数（πd03/16）切变模量扭转屈服点扭转强度002Ld40032/dTLGWTssWTbb扭矩-扭角（T-φ）材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§2.5缺口试样的静载荷试验实际机件，截面存在突变，如键槽、螺纹等“缺口”→应力状态变化→“缺口效应”。一、缺口效应（1）缺口造成应力应变集中应力集中系数，KtmaxtK决定于缺口形状、角度、深度及根部曲率半径材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（2）缺口改变了缺口前方的应力状态单向→两向或三向应力状态只有两个方向上存在应力的状态——平面应力状态σy＜σs纵向伸长→横向缩短存在σx，σz=0材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum平面应变状态表面平面应力状态，内部三向应力状态Z向收缩受约束，σz内部，σz越大，εz=0σz=υ（σx+σy）材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（3）缺口使塑性材料得到“强化”缺口附近：应力集中→造成塑性变形区扩大→试样的屈服应力比单向拉伸时高→“缺口强化”三向拉应力状态约束塑性变形，塑性降低，材料变脆缺口敏感性：材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。评价：缺口轴向拉伸、偏斜拉伸和缺口弯曲试验sxy材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum二、缺口试样静拉伸试验1.轴向拉伸材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum缺口敏感度NSR（NotchSensitivityRatio）NSR越大缺口敏感性越小(1)脆性材料，NSR远小于1，对缺口非常敏感(2)高强度材料，NSR＜1，敏感(3)塑性材料，NSR＞1，不敏感bbnNSR＝缺口试样拉伸强度光滑试样拉伸强度材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum2.偏斜拉伸倾斜角α（0°、4°、8°）(σbN，σ4bN，σ8bN)高强度螺栓拉伸和弯曲复合，应力状态更硬材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum三、缺口试样静弯曲试验材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum缺口试样静弯曲曲线(F~f曲线)Ⅰ：弹性功Ⅱ：塑性功Ⅲ：断裂功材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§2.6硬度1.硬度的意义表征材料软硬程度的一种性能硬度试验方法：弹性回跳法，压入法，划痕法一、意义及硬度实验的特点金属弹性变形功塑性变形及应变硬化能力切断强度材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum2、硬度试验的特点α2，可测定任何材料的硬度。硬度高，材料的耐磨性好。硬度和强度往往有一定的关系。不需专门制作试样，不破坏零件，设备简单，测量迅速。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum二、硬度试验（1）布氏硬度HB适用于退火状态下的钢、铸铁、有色金属或质地较软的轴承合金。)(2102.022dDDDFHB钢球：HBS＜450HB硬质合金球：HBW＜650HB球面压痕单位面积上所承受的平均力材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum布氏硬度试验（GB/T231.1-2002）布氏硬度计布氏硬度压痕材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum表示:例:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。数字+HBW(或HBS)+数字/数字/数字布氏硬度值球体直径/载荷/载荷保持时间材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum)2/sin11(2102.022DFHB压痕几何相似原理，压入角不变材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及过硬的材料HB钢黄铜球墨铸铁材料的b与HB之间的经验关系：低碳钢:b(MPa)≈3.6HB高碳钢：b(MPa)≈3.4HB铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（2）洛氏硬度试验（GB/T230.1-2004）测量残余压入深度h表示硬度值材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum金刚石压头k取0.2淬火钢球k取0.26002.0hkHR定义：每0.002mm相当于洛氏1度根据压头和载荷：常用B、C、A三种①HRB－－淬火钢球，中等载荷，测轻金属，未淬火钢②HRC－－金刚石圆锥，大载荷，测较硬，淬硬钢制品③HRA－－金钢石圆锥，小载荷，测硬、薄试件材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum表示：数字（硬度值）+标尺60HRC洛氏硬度压痕材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum表面洛氏硬度试验与普通洛氏硬度的不同点：预载荷为3kgf(29.42N)，总载荷比较小,分别为15kgf，30kgf和45kgf(441.3N)取k＝0.1mm时的洛氏硬度为零，深度每增大0.001mm,表面洛氏硬度降低一个单位。45HR30N：金刚石圆锥体，载荷294N，测得的硬度为45；80HR30T：Φ1.588mm钢球，载荷294N，测得的硬度为80材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum洛氏硬度测量材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（3）维氏硬度（GB/T4340.1-1999）221891.0)2/136sin(204.0dFdFHVoα为136°金刚石四棱锥体四方锥形的压痕测量压痕对角线长度取平均硬薄层工件表示：640HV30材料性能学Propertyof