材料性能与测试课件-第二章材料在其它静载下的力学性质-2011.

材料性能与测试主讲：曾凡浩([e-mail])中南大学粉末冶金研究院课件制作：曾凡浩23§2.1应力状态软性系数§2.2扭转、弯曲和压缩的力学性能§2.3缺口试样静载力学性能§2.4硬度单向静拉伸不能充分反映材料的应用特点，实际上静载荷还有扭转、弯曲、压缩等，本章介绍扭转、弯曲、压缩、带缺口试样拉伸、硬度实验方法、特点及指标。§目录4§2.1应力状态软性系数正应力σ导致脆性的解理断裂；切应力τ导致塑性变形和韧性断裂。变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态。(1)任何应力都可用3个主应力σ1、σ2、σ3来表示。(2)τmax=(σ1-σ3)/2；σmax=σ1-υ(σ2+σ3)。(3)α=τmax/σmax=(σ1-σ3)/2[σ1-υ(σ2+σ3)]一、受力分析二、应力状态软性系数51、根据三个主应力，可以按“最大切应力理论”计算最大切应力：τmax=（σ1-σ2）／22、按“最大切应力理论”计算最大切应力：σmax=σ1–ν（σ2+σ3）ν为泊松比（金属材料一般取0.25）α=τmax／σmax=(σ1–σ3)／2σ1-0.5（σ2+σ3）（例如；单向拉伸时的应力状态只有σ1，σ2=σ3=0，ɑ=0.5）6加载方式主应力ασ1σ2σ3三向不等拉伸σ(8／9)σ(8／9)σ0.1三向等拉伸σσσ0单向拉伸σ000.5扭转σ0-σ0.8二向等压缩0-σ-σ1单向压缩00-σ2三向不等压缩-σ-(7／3)σ-(7／3)σ4表2-1不同条件下的应力状态软性系数(ν＝0.25)7α值越大的试验方法，金属越易产生塑性变形和韧性断裂。一般对塑性好的材料在较“硬”的应力状态下考查其脆性倾向；对塑性差的材料在较“软”的应力状态下考查其塑性倾向。α越大，表示应力状态较软，即最大切应力分量较大，表明在最大正应力尚小时，最大切应力得到较充分得发展，因此容易引起塑性变形。反之，α较小时，应力状态较硬，最大正应力分量容易得到发展，导致脆性断裂。8§2.2扭转、弯曲与压缩的力学性能一、扭转及其性能指标图2-1扭转实验机和扭转试样示意图标距部分的直径d0=10mm；标距长度=100mm或50mm。试验机的自动绘图装置可把M—φ曲线同步记录下来。有关指标可根据定义在图上测试。91、扭转的应力状态与轴线呈45º方向上承受σmax，与轴线平行或垂直方向上承受τmax。纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态（图2－2a）。与杆轴成±45°角的螺旋面上分别作用着两个主应力并与最大剪应力τmax绝对值相等，即σ1=τmax=－σ3。因此试样的断口角度直接显示材料是拉断还是剪断、材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接地比较弹性变形阶段：切应力和切应变沿半径方向呈线性分布(图2-2b)。弹塑性变形段：切应变保持线性关系；切应力呈非线性变化(图2-2c)。图2-2扭转试样的应力和应变示意图10扭矩MOABCMp扭转角φM0.3Mbφf2、低碳钢扭转曲线图2-3退火低碳钢扭转曲线1).弹性阶段(OA)：外加扭矩不超过弹性范围时，变形是弹性的,M-φ曲线是直线。在此范围内卸载，试样仍恢复原状，没有残余变形产生。截面上的应力成线形分布，表面的剪应力最大。即τmax=M/Wp2).屈服阶段(AB)：屈服过程是由表面至圆心逐渐进行，这时曲线开始变弯，横截面的塑性区逐渐向圆心扩展，截面上的应力不再是线形分布。出现屈服平台,屈服极限记作τs。3)强化阶段（BC）超过屈服阶段后曲线上升，表明材料又恢复了抵抗变形的能力。低碳钢有很长的强化阶段但没有颈缩直至断裂。试验前在试样表面画的一条母线试验后变成了麻花状，形象的说明了低碳钢断裂前有很大的塑性变形。强度极限记作τb。111)规定非比例扭转应力τP，W为试样截面系数，圆柱样为材料对扭转塑性变形的抗力．2)扭转屈服强度τs为：Ms为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩3)扭转强度极限τb为：4)真实扭转强度极限τf：3、扭转的性能指标WMpp1630dWMssWMbb])(3[430ffffddMMdMf为试样断裂时最大扭矩；φf试样断裂时单位长度扭转角125)剪切弹性模量G：400040203232dMlIMlGddApIGIMlpApp式中，l0-标距长；d0-试样直径；M-扭矩；Ip-极惯性矩134、扭转的特点和应用切断断口：断面和试样轴线垂直，有回旋状塑性变形痕迹。切应力作用，塑性材料。正断断口：断面和试样轴线约成45°。呈螺旋状或斜劈状。正应力作用，脆性材料。(1)测定在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性。(2)对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验。(3)精确评定拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力。(4)测定材料的切断强度的最可靠方法。(5)根据断口特征区分断裂方式是正断还是切断。图2-4扭断试样断口特征14二、弯曲及其性能指标图2-5弯曲加载方式(a)三点弯曲;(b)四点弯曲圆柱试样或方形试祥；万能试验机；加载方式一般有两种：三点弯曲加载和四点弯曲加载。1、弯曲测试15用载荷F与试样最大挠度fmax弯曲图来表征材料弯曲强度。FfmaxO塑性材料中等塑性脆性材料图2-6典型的弯曲图和试样试样受拉截面的的最大弯曲应力σ按下式计算：σ=M／W，M－最大弯矩；三点弯曲加载：M=FL／4四点弯曲加载：M=FK／2W－试样抗弯截面系数直径为d的圆柱试样：W=(πd3)/32；宽度为b，高度为h的矩形试样：W=(bh2)/6L－试样支座距离；l－压头间的距离；b－试样宽度；h－试样厚度16（1）规定非比例弯曲应力σpb（如规定非比例弯曲应变为0.01%或0.2%时的弯曲应力，分别记为σpb0.01、σpb0.2）。方法：在弯曲力—挠度曲线上截取相应于规定非比例弯曲应变的线段OC，其长度计算为：三点弯曲：OC=nL／12YεPb四点弯曲：OC=n（3L-4L2／24YεPb（n为挠度放大倍数，Y为d／2，h／2）找出OC对应的弯曲力Fpb，按公式计算出规定非比例弯曲应力（2）抗弯强度σbb方法：找出最大弯曲力，按公式计算出最大弯曲应力，即抗弯强度σbb。2、弯曲性能指标17三、压缩及其性能指标试样通常为圆柱形；压缩曲线：F-Δh。规定非比例压缩应力抗压强度相对压缩率相对断面扩展率F图2-7典型的压缩曲线0AFpcpc0AFbcbc%10000AAAfc%10000hhhfcFbc为压缩断裂载荷；h0、hf分别为试样原始高度和断裂高度;A0、Af分别为试样原始截面积和断裂截面积18金属的压缩照片19拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方法采用的是横截面均匀的光滑试样，但实际机件存在螺孔、键槽等截面变化。（可视为缺口）。在静载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”。缺口包括轴间、螺纹、油孔、退刀槽、焊缝、不均匀组织、夹杂物、第二相、晶界、亚晶界、以及裂纹等引起形状改变的部位。以厚薄来分，包括薄板缺口和厚板缺口。§2.3缺口试样静载力学性能一、缺口效应20缺口第一效应：引起应力集中，并改变缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件所受的应力由原来的单向状态改变为两向或三向状态。（视板厚或直径而定）。缺口第二效应：产生“缺口强化现象”（塑性材料强度增高，塑性降低）在存在缺口的条件下由于出现了三向应力状态，并产生了应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高。注意：“缺口强化”不是金属的内在性能发生变化，而是由于三向拉伸应力约束了塑性变形所致，不能把它作为强化材料的手段。图2-8缺口材料拉伸时弹性状态下的应力分布(a)薄板;(b)厚板21应力集中系数Kt：缺口造成应力集中的程度，决定于缺口几何参数，如形状、角度、深度及根部曲率半径等。缺口引起的应力集中程度通常用应力集中系数Kt表示．定义为缺口净截面上的最大应力σmax与平均应力σ之比，即Kt＝σmax/σ22缺口敏感性(NotchSensitivityRatio)：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。常用缺口试样静拉伸、静弯曲和偏斜拉伸来评价。NSR=σBN/σb（光滑试样的抗拉强度）脆性材料及高强度材料一般NSR﹤1；塑性材料一般NSR﹥1；NSR如同材料的塑性指标，也是安全性的力学性能指标。在选材时只能根据使用经验确定对NSR的要求，不能进行定量计算。二、缺口试样的静拉伸和静弯曲性能23试样的缺口形状和尺寸应符合规定。缺口偏斜拉伸试验装置：在试样与试验机夹头之间有一垫圈，垫圈的倾斜角有0°、4°、8°3种，测定不同倾斜角下的抗拉强度σbN。相应的抗拉强度以σBN4，σBN8表示。NSR=σBN4或σBN8（偏斜缺口试样的抗拉强度）/σb（光滑试样的抗拉强度）图2-9缺口拉伸试样缺口试样偏斜拉伸试验因同时承受拉伸和弯曲载荷复合作用，其应力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更不均匀，因而更能显示材料对缺口的敏感性。很适合高强度螺栓之类零件的选材和热处理工艺的优化。缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸24图2-10缺口弯曲试样和弯曲曲线缺口试样的静弯曲V型或U型缺口试样．试验可在室温或低温下进行，记下全部弯曲曲线为止。弹性变形区Ⅰ、塑性变形区Ⅱ、和断裂区Ⅲ；各区所占面积分别为弹性功、塑性功和断裂功．断裂功表示材料阻止裂纹扩展能力。25§2.4硬度金属硬度的意义：硬度是表征材料软硬程度的一种性能。一般认为硬度是一定体积内材料表面抵抗变形或破裂的能力。其物理意义随试验方法不同而不同。（1）压入法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）：主要表征金属的塑性变形抗力及应变硬化能力；（2）弹性回跳法（如肖氏硬度）：主要表征金属弹性变形功的大小；（3）划痕法（如莫氏硬度）：主要表征金属对切断的抗力。因此“硬度”不是金属独立的性能。硬度测试特点：(1)应力状态系数α＞2，τmaxσmax。几乎所有材料都会产生塑性变形，可测定塑性材料的硬度，也可测定淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。(2)设备简单，操作方便快捷，故被广泛应用。(3)可视为无损检测。26一、布氏硬度图2-11布氏硬度计图2-12布氏硬度试验原理1、测定原理：①淬火钢球或硬质合金D(mm)；②加载F(kgf)；保压卸载圆形压痕用直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的力(Kgf或N)将压头压入试样表面，保持规定的时间(S)后卸除试验力，试样表面将存在压痕。测量压痕平均直径d(mm)，求得压痕球形面积A(mm2)。HB=0.102F∕A(通常，布氏硬度值不标出单位)根据压头材料不同，布氏硬度可标注：HBS：压头为淬火钢球(布氏硬度在450以下的材料)；HBW：压头为硬质合金钢球(布氏硬度在450~650的材料);)(204.022dDDDF272、表示方法：数字+硬度符号+数字/数字/数字↓↓↓↓↓硬度值(HBW或HBS)钢球直径载荷定时280HBS10/3000/30；50HBW5/75。③压头直径及试验力的确定：对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径D及试验力F时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保持不变)。试验力的保持时间：对于黑色金属为10－15s,对于有色金属为30s,对于﹤35HBS的材料为60s。283、压痕几何相似原理(对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径D及试验力F时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保持不变）：已知：d=Dsinφ/2两个条件：一是φ为常数；二是保证F/D2为常数。F/D2为常数→φ一定为常数；F/D2为常数→HB恒定。图2-13压痕相似原理)2/sin11(204.0)(204.02222DFdDDDFHB294、布氏硬度的优缺点：优点：压痕面积大→反映较大区域内各组成相的平均性能；→适合灰铸铁、轴承合金等测量。→试验数据稳定，重复性高。缺点：压痕直径大→不宜在成品件上直接进行检验；硬度