材料力学性能第3章

第三章其他静加载下的力学性能3.2扭转试验3.2.1应力应变分析切应力切应变在弹性变形范围内，材料力学给出了圆杆表面的切应力计算公式如下τ=M/W（3-1）•式中M为扭矩；W为截面系数。对于实心圆杆，W＝πd03／16；对于空心圆杆,W=πd03(1-d14/d04)／16,其中d0为外径，d1为内径。•因切应力作用而在圆杆表面产生的切应变为•γ=tanα=φd0/2l0×100％（3-2）•式中α为圆杆表面任一平行于轴线的直线因τ的作用而转动的角度,见图3-1(a)；φ为扭转角;l0为杆的长度。3.2.2扭转试验及测定的力学性能扭转试验采用圆柱形(实心或空心)试件,在扭转试验机上进行。扭转试件如图3-2所示(略),标距为100mm；有时也采用标距为50mm的短试件。00KMbM0.3MEMp扭矩M扭转角扭转试验机扭转图利用扭转图，确定材料的切变模量G，扭转比例极限τp,扭转屈服强度τ0.3,和抗扭强度τb切变模量G=τ/γ=32Ml0／(πΦd04)3-3)扭转比例极限τpτp=Mp/W(3-4)式中Mp为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩。扭转屈服强度τ0.3τ0.3=M0.3/W(3-5)式中M0.3为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩。抗扭强度τb=Mb/W(3-6)式中Mb为试件断裂前的最大扭矩。3.2.3扭转试验的特点及应用(1)扭转时应力状态的柔度系数较大，因而可用于测定那些在拉伸时表现为脆性的材料，如淬火低温回火工具钢的塑性。(2)圆柱试件在扭转试验时，整个长度上的塑性变形始终是均匀的，其截面及标距长度基本保持不变，不会出现静拉伸时试件上发生的颈缩现象。因此，可用扭转试验精确地测定高塑性材料的变形抗力和变形能力，而这在单向拉伸或压缩试验时是难以做到的。(3)扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式，正断或切断。(4)扭转试验时，试件截面上的应力应变分布表明，它将对金属表面缺陷显示很大的敏感性．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。(5)扭转试验时，试件受到较大的切应力，因而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的非同时性的问题，如弹性后效、弹性滞后以及内耗等．综上所述，扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标，并且还有着其它力学性能试验方法所无法比拟的优点。因此，扭转试验在科研和生产检验中得到较广泛地应用。然而，扭转试验的特点和优点在某些情况下也会变为缺点，例如，由于扭转试件中表面切应力大，越往心部切应力越小，当表层发生塑性变形时，心部仍处于弹性状态(见图3-1(c))。因此，很难精确地测定表层开始塑性变形的时刻，故用扭转试验难以精确地测定材料的微量塑性变形抗力。3.3弯曲试验3.3.1弯曲试验方法弯曲试验装置弯曲试验示意图通常用弯曲试件的最大挠度fmax表征材料的变形性能。试验时，在试件跨距的中心测定挠度，绘成P-fmax关系曲线，称为弯曲图。图3-7表示三种不同材料的弯曲图。00P位移图3-7典型的弯曲图，（a）塑性材料，（b）中等塑性材料，（c）脆性材料对于脆性材料，可根据弯曲图(见图3-7(c))，用下式求得抗弯强度σbbσbb=Mb/W(3-11)式中Mb为试件断裂时的弯矩，W为截面抗弯系数，可根据弯曲图上的最大载荷Pb,按下式计算：对三点弯曲试件:Mb=PbL／4.对四点弯曲试件:Mb=PbK／26.3.2弯曲试验的应用用于测定灰铸铁的抗弯强度，灰铸铁的弯曲试件一般采用铸态毛坯圆柱试件。用于测定硬质合金的抗弯强度，硬质合金由于硬度高，难以加工成拉伸试件，故常做弯曲试验以评价其性能和质量。陶瓷材料的抗弯强度测定。3.4压缩试验3.4.1单向压缩试验单向压缩时应力状态的柔度系数大，故用于测定脆性材料，如铸铁、轴承合金、水泥和砖石等的力学性能。由于压缩时的应力状态较软，故在拉伸、扭转和弯曲试验时不能显示的力学行为，而在压缩时有可能获得。压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，在压缩试验中基本上都能应用。图3-8压缩载荷变形曲线,1-塑性材料，2-脆性材料0021bsep压缩应力相对缩短根据压缩曲线，可以求出压缩强度和塑性指标。对于低塑性和脆性材料，一般只测抗压强度σbc，相对压缩εck和相对断面扩胀率ψck。抗压强度σbcσbc=Pbc/A0(3-13)相对压缩εckεck=(h0-hk)/h0×100％(3-14)相对断面扩胀率ψckψck=(Ak-A0)/A0×100％(3-15)式中Pbc为试件压缩断裂时的载荷;h0和hk分别为试件的原始高度和断裂时的高度；A0和Ak分别为试件的原始截面积和断裂时的截面积。常用的压缩试件为圆柱体。试件的高度和直径之比A0／d0应取1.5-2.0。3.4.2压环强度试验3.5剪切试验模拟实际服役条件，并提供材料的抗剪强度数据作为设计的依据。单剪试验τb=Pb/A0双剪试验τb=Pb/2A0冲孔式剪切试验τb=Pb/πd0t