第二章-材料在其它静载下的力学性能

第二章其他静加载下的力学性能材料科学与工程学院2十五863子课题验收汇报利用力学模型建立试验方法，可以得到的主要指标：压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。单向静拉伸能解决问题吗？？问题的提出请以身边例子说明材料或者构件承受不同载荷、不同应力状态？？？？结合工程力学知识，如何抽象其力学模型！材料科学与工程学院3十五863子课题验收汇报§2.1应力状态软性系数§2.2扭转、弯曲与压缩的力学性能§2.3缺口试样静载力学性§2.4硬度学习要求：掌握应力状态软性系数的概念，熟悉应力状态软性系数在实验设计中的应用；熟悉扭转、弯曲与压缩测试方法及其测试的力学性能指标的分析；熟悉缺口对应力状态的影响，了解缺口试样的测试方法；了解硬度测试的物理意义、工程意义，熟悉几种常用的硬度的测试方法。材料科学与工程学院4十五863子课题验收汇报教学重点：应力状态软性系数的应用；材料的扭转、弯曲、压缩、硬度指标的物理意义以及测量方法；了解缺口对材料力学性能影响。教学难点：分析缺口对材料力学性能的影响。材料科学与工程学院5十五863子课题验收汇报过一点不同方向面上应力的集合，称之为这一点的应力状态。应力哪一个截面上？哪一点？指明1、应力状态软性系数α概念应力状态材料科学与工程学院6十五863子课题验收汇报式中最大切应力τmax按第三强度理论计算，最大正应力Smax按第二强度理论计算。2.1应力状态软性系数复习工程力学知识，这为何理论？应力状态系数α定义为：材料科学与工程学院7十五863子课题验收汇报从定义看出：应力状态系数α表示材料塑性变形的难易程度。α越大表示在该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑性变形。∴把α值较大的称做软的应力状态，α值较小的称做硬的应力状态。2.1应力状态软性系数材料科学与工程学院8十五863子课题验收汇报2、力学状态图力学状态图以第二强度理论和第三强度理论两者的联合为基础，纵坐标为按第三强度理论计算最大切应力，横坐标为按第二强度理论计算最大正应力。自原点作不同斜率的直线，可代表应力状态系数α，这些直线的位置反映了应力状态对断裂的影响。返回2.1应力状态软性系数材料科学与工程学院9十五863子课题验收汇报3.2材料选择、新材料开发试验方法的选择3.α的应用（讨论的方式进行）A.脆性材料试验方法的选择：为什么？B.塑性材料试验方法：为什么？2.1应力状态软性系数3.1材料、构件性能检测分析（以实际工况为依据选择，做分析可以做试验设计）材料科学与工程学院10十五863子课题验收汇报3.3实际构件在设计、使用中改变应力状态，控制塑性变形大小（比如，大理石使用、深海海底的岩石、钢球体放入沸腾的热油中,将引起爆裂）思考：1.如何利用科学的试验方法设计、数据处理方法表现新材料的优越性能？1、应力应变特点一、扭转试验2.2扭转、弯曲与压缩的力学性能切应力切应变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=tgα=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。标准：GB10128-88《金属室温扭转试验方法》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2、扭转试验及测定的力学性能利用扭转图，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,和抗扭强度切变模量G=τ/γ=32Ml0／(πΦd04)3-3)扭转比例极限τpτp=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τ0.3τ0.3=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。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。三、弯曲试验1、弯曲试验方法（GB/T14452-93）《金属弯曲力学性能试验方法》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2-6表示三种不同材料的弯曲图。00P位移图2-6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2-6(c))，用下式求得抗弯强度σbbσbb=Mb/W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／22、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。四、压缩试验1、单向压缩试验（GB7314-87《金属压缩试验方法》）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2-7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和相对断面扩展率ψck。抗压强度σbcσbc=Pbc/A0(3-13)相对压缩εckεck=(h0-hk)/h0×100％(3-14)相对断面扩胀展率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h0／d0应取1.5-2.0。材料科学与工程学院26十五863子课题验收汇报第三节缺口试样静载力学性能材料科学与工程学院27十五863子课题验收汇报一、缺口处的应力分布特点及缺口效应1．弹性状态下的应力分布材料科学与工程学院28十五863子课题验收汇报材料科学与工程学院29十五863子课题验收汇报材料科学与工程学院30十五863子课题验收汇报2．塑性状态下的应力分布在有缺口条件下，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口“强化”现象．缺口使塑性材料得到“强化”，这是缺口的第三个效应．材料科学与工程学院31十五863子课题验收汇报1.缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸二、缺口试样的静拉伸及静弯曲性能材料科学与工程学院32十五863子课题验收汇报材料科学与工程学院33十五863子课题验收汇报材料科学与工程学院34十五863子课题验收汇报2．缺口试样静弯曲材料科学与工程学院35十五863子课题验收汇报为某材料的缺口弯曲曲线，它反映了缺口试样，变形和断裂的整个过程。若将该负荷-变形曲线所包围的面积分为三部分：弹性变形区I、塑性变形区Ⅱ和断裂区Ⅲ，则各区所占面积分别为弹性功、塑性功和断裂功。材料科学与工程学院36十五863子课题验收汇报缺口试样的拉伸试验，用于测定拉伸条件下材料对缺口的敏感性，衡量在硬性应力状态(ａ0.5)和应力集中条件下材料的脆化倾向。试验时常用试样的抗拉强度bN与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度ｂ的比值作为材料的缺口敏感性指标，并称为缺口敏感度，用qｅ或NSR(notch-sensitivity-ratio)表示qe＝bN/ｂ(2—14)三、材料缺口敏感度及其影响因素材料科学与工程学院37十五863子课题验收汇报对脆性材料，qe永远小于1，表明缺口处尚未发生明显塑性变形就已发生脆性断裂。高强度材料的qe一般小于1，缺口不太尖锐的塑性材料，拉伸时可能产生塑性变形，此时qe总会大于1。总的来讲，无论是塑性材料还是脆性材料，其比值qｅ越大，缺口敏感性越小。材料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、尺寸、试验温度有关。第四节硬度古时，利用固体互相刻划来区分材料的软硬，目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。硬度值大小取决于材料的性质、成分和显微组织，测量方法和条件不符合统一标准就不能反映真实硬度。硬度测定简便，造成的表面损伤小。测定硬度的方法很多，主要有压入法，回跳法和刻划法三大类。前言布氏硬度计一、布氏硬度试验方法施加压力P,压头直径D,压痕深度h或直径d,计算出布氏硬度值，单位为kgf/mm2。公式表明，当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。)(222dDDDPHB－－＝压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBWHBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。例：150HBSl0／3000／30表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值为150；500HBW5／750，表示用硬质合金球，压头直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒，测得布氏硬度值为500。由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，压入角应相等。布氏硬度相同时，要保证压入角相等，则P/D2应为常数。国标GB231-84根据材料的种类及布氏硬度范围，规定了7种P/D2之值。材料科学与工程学院44十五863子课题验收汇报由式可知，要保证所得压人角φ相等，必须使P/D2为一常数压头直径选定:试件的厚度应大于压痕深度的10倍。尽可能选用大直径的压头。测试加载压力与试件表面垂直，均匀平稳，无冲击。压力作用下的保持时间有规定，对黑色金属应为10秒，有色金属为30秒，对HB＜35的材料为60秒。布氏硬度的特点和适用范围压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。布氏硬度分散性小，重复性好适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，