03 力学性能试验 第五章 其他静载试验

第五章其他静载下金属力学性能试验1包雪鹏2013.04.07力学性能试验第五章其他静载下金属力学性能试验第五章其他静载下金属力学性能试验2一、压缩试验的工程应用及特点单向压缩试验，简称压缩试验，即试样或标准试样的压缩，而非零部件的压缩试验。压缩试验的特点：→受力特点：→变形特点：→单向压缩应力状态的软化系数α＝2，很适合于脆性材料的力学性能试验。如铸铁、铸铝合金、轴承材料等；→对于塑性材料，只能被压扁，一般不会破坏；→压缩试验时，试样端面存在很大的摩擦力，阻碍试样端面的横向变形，影响结果的准确性。应该适当增加试样高度与直径的比。第一节金属压缩试验第五章其他静载下金属力学性能试验3二、金属压缩试验标准GB/T7314-2005金属材料室温压缩试验方法→标准替代GB/T7314-1987金属压缩试验方法；→修改采用ASTME9-89a(2000)金属材料室温压缩试验方法；→修改了符号和说明；增加了塑性材料的抗压强度测定内容。GB/T7314-2005标准适用于测定金属材料在室温下单向压缩的规定非比例压缩强度、规定总压缩强度、上压缩屈服强度、下压缩屈服强度、压缩弹性模量及抗压强度。第五章其他静载下金属力学性能试验4三、压缩试验时的受力分析1压缩试验时受力情况（图5-1），压缩应力为：试验过程中试样的实际压缩力F与其原始横截面积的比值。2低碳钢压缩时的应力-应变曲线（图5.2）：在屈服阶段以前，压缩曲线与拉伸曲线基本重合，压缩时的屈服应力、弹性模量与拉伸时的大致相同。但是，随着压力继续增大，低碳钢试件将愈压愈扁，可以产生很大的塑性变形而不破裂，故无法测出材料的抗压强度。第五章其他静载下金属力学性能试验53铸铁压缩时的应力-应变曲线（图5-3）：铸铁压缩时的抗压强度较拉伸时高。约为抗拉强度的2～5倍。第五章其他静载下金属力学性能试验6四、压缩试样试样形状与尺寸的设计应保证：在试验过程中标距内为均匀单向压缩；引伸计所测变形应与试样轴线上标距段的变形相等；端部不应在试验结束之前损坏。侧向无约束试样（圆柱体、正方形柱体），板状试样（在约束装置内试验）。侧向无约束，试样一般：L=(2.5～3.5)d或L=(2.5～3.5)b。L=(1～2)d或L=(1～2)b的试样仅适用于抗压强度。→灰铸铁压缩试样按JB/T7945-1999灰铸铁力学性能试验方法，选用d=6～25mm、L=d的圆柱体试样。→烧结金属材料压缩试样选用d=13mm、L=d的圆柱体试样。第五章其他静载下金属力学性能试验7五、试验设备1试验机试验机准确度应为1级或优于1级（常用万能材料试验机）；试验机上、下压板的工作表面应平行（平行度要求）；试验过程中，压头与压板间不应有侧向的相对位移和转动。调平垫块2约束装置板状试样压缩试验应使用约束装置。3引伸计4防护装置进行脆性材料试验时，将试样罩在防护罩里，防止试样碎片飞出伤人或损坏设备。第五章其他静载下金属力学性能试验8第五章其他静载下金属力学性能试验9六、压缩力学性能测定第五章其他静载下金属力学性能试验10压缩力学性能的测定1试验条件（温度、试验速度等）2规定非比例压缩强度的测定：3规定总压缩强度的测定：4压缩弹性模的测定：——允许使用自动装置或自动测试系统（如计算机数据采集系统）测定压缩力学性能，可以不绘制力-变形曲线图。第五章其他静载下金属力学性能试验115上压缩屈服强度和下压缩屈服强度的测定第五章其他静载下金属力学性能试验12第五章其他静载下金属力学性能试验136抗压强度的测定第五章其他静载下金属力学性能试验147性能测定结果数值的修约第五章其他静载下金属力学性能试验15七、压缩试验的破坏特征第五章其他静载下金属力学性能试验16弯曲试验适用于测定脆性和低塑性材料的强度指标，用挠度表示塑性，能明显地显示脆性和低塑性材料的塑性。弯曲试验适用于评定脆性和低塑性材料如铸铁、硬质合金、工具钢等。弯曲试验时，试样横截面上的应力分布是不均匀的，表面的应力应变最大，可较灵敏地反映材料的表面缺陷。试验标准：YB/T5349-2006金属弯曲力学性能试验方法（GB/T14452-1993金属弯曲力学性能试验方法调整为YB/T5349-2006）。一、弯曲试验的工程应用及特点第二节金属弯曲试验第五章其他静载下金属力学性能试验17二、弯曲试验时的受力分析平面弯曲问题：三点弯曲、四点弯曲三点弯曲试验示意图四点弯曲试验示意图第五章其他静载下金属力学性能试验18第五章其他静载下金属力学性能试验19（一）弯曲试样上的弯矩和剪力试样弯曲时，一般承受弯矩和剪力。在试样的横截面上一般有弯矩产生的正应力和剪力产生的切应力。由材料力学基础知识，得出：三点弯曲试样的弯矩图和剪力图四点弯曲试样的弯矩图和剪力图第五章其他静载下金属力学性能试验20在四点弯曲试验的两弯曲力之间的各横截面上，只有弯矩M而无剪力Q，称为纯弯曲。在四点弯曲和三点弯曲试验的弯曲力与支点之间的各横截面上，有弯矩M和剪力Q，称为剪切弯曲。GB/T4337-2008金属材料疲劳试验旋转弯曲方法QC/T637-2000汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验方法第五章其他静载下金属力学性能试验21IYM＝（二）弯曲试样的应力和分布1试样弯曲时的正应力：试样弯曲时的正应力材料力学假设：所试验的材料是均匀、各向同性的，变形是弹性的；变形前后试样的各横截面都是平面，且与试样轴线垂直。弯曲试样在弹性变形范围内，横截面上任一点正应力计算：第五章其他静载下金属力学性能试验22WMIYMmaxmaxmaxmax＝IYM＝62bhW＝323dW＝式中：M——弯矩，N.mm；Y——横截面上任一点到中性轴的距离，mm；I——试样横截面对中性轴的轴惯性矩，仅与横截面的形状和尺寸有关，mm4。试样最大正应力计算：式中：W——仅与横截面的形状和尺寸有关，称为弯曲试样截面系数，mm3。对于直径为d的圆形试样：对于宽度为b，高度为h的矩形截面试样：第五章其他静载下金属力学性能试验232试样弯曲时的切应力圆形截面试样弯曲时的切应力第五章其他静载下金属力学性能试验243弯曲试验测定正应力时，要尽量减少切应力的影响。如取L=10d（或L=16d），则三点弯曲时切应力的影响为3.3%（或3.1%），如L＜10d（或L＜16d），切应力的影响更大，会影响对材料弯曲强度的准确测定。YB/T5349-2006金属弯曲力学性能试验方法要求：试样的跨距L≥16d或L≥16b，灰铸铁试样的跨距L=10d。4试样的挠度试样中点，挠度最大。5弯曲曲线为了得到弯曲载荷作用下材料的变形情况，通常在试样中点处测量试样挠度f，将弯矩M（或弯曲力F）与挠度f的关系在直角坐标上用曲线表示出来，即为弯曲曲线。第五章其他静载下金属力学性能试验25三、弯曲力学性能的测定1抗弯强度的测定:2断裂挠度fbb的测定第五章其他静载下金属力学性能试验26金属扭转试验标准：——GB/T10128-2007金属材料室温扭转试验方法第三节金属扭转试验一、扭转试验的工程意义及特点扭转试验是对圆柱形试样施加扭矩T（使试样两端承受大小相等、作用相反、作用面垂直于试样轴线的力偶），测量扭矩T及相应的扭角φ，绘制T-φ的扭转曲线图，一般扭至断裂，以测定金属材料的扭转力学性能。第五章其他静载下金属力学性能试验27一、扭转试验的工程意义及特点圆柱形试样的扭转试验的特点：⑴扭转试验能精确测定高塑性金属材料的应力-应变关系；⑵扭转试验能较全面地了解在切应力作用下的行为；⑶可使低塑性材料处于韧性状态下测定他的强度和塑性；⑷可以明显区别材料的断裂方式：正断、切断；⑸可以灵敏反映材料的表面缺陷。第五章其他静载下金属力学性能试验28二、金属材料扭转时的力学分析扭转弹性变形横截面切应力和切应变分布扭转塑性变形横截面切应力和切应变分布1扭转时切应变2扭转时切应力第五章其他静载下金属力学性能试验29PITrmax＝pPWTITrmax163dWp＝PIT＝扭转时的切应力：式中：IP——试样横截面对形心的极惯性矩，mm4。圆柱体横截面上任一点扭转时的切应力与外加扭矩，该点到轴线的距离成正比，与极惯性矩成反比，圆柱体表面的切应力最大：式中：WP——仅与横截面的形状和尺寸有关，扭转试样截面系数，mm3对于直径为d的实心圆形试样：第五章其他静载下金属力学性能试验30三、扭转试样和设备1扭转试样：→圆柱形扭转试样→管形试样2扭转设备：→扭转试验机→扭转计四、扭转力学性能的测定1规定非比例扭转应力的测定2上屈服强度和下屈服强度的测定第五章其他静载下金属力学性能试验31第五章其他静载下金属力学性能试验323抗扭强度的测定4剪切模量G的测定第五章其他静载下金属力学性能试验335性能测定结果数值的修约第五章其他静载下金属力学性能试验34五、扭转试样的断裂分析第五章其他静载下金属力学性能试验35六、全尺寸零部件实体扭转试验→石油钻杆；→汽车传动轴；→汽车半轴、扭杆：扭转试验（静转试验）、扭转疲劳试验，有零部件专门标准（试验方法标准、产品评价标准）第五章其他静载下金属力学性能试验36→GB/T13683-1992销剪切试验方法→GB/T6400-2007金属材料线材和铆钉剪切试验方法→构件在剪切时受力和变形的特点：作用在构件两侧面上的横向外力的合力大小相等、方向相反、作用线相隔很近，并使各自作用的构件部分沿着与合力作用线平行的受剪面发生错动。剪切试验就是测定最大错动力和相应的应力。→剪切试验可测定复合钢板的基体和覆层之间的结合力。→为使试验结果尽可能接近实际工况，剪切试验常用各种剪切试验装置和相应的试验方法来模拟实际工件的工况条件，对试样施加剪力直至断裂，以测定其剪切强度。第四节金属剪切试验一、剪切试验的工程应用及特点第五章其他静载下金属力学性能试验37剪切试验时的力学分析：（单剪试验，双剪试验）在剪切的工程实用计算中，均假设切应力在受剪面内均匀分布，受剪面上的切应力：τ＝Q/S单剪试验：Q＝F双剪试验：Q＝F/2二、金属剪切时的力学分析试样剪断后如发生弯曲、或断口出现锲形、椭圆形等剪切截面，则试验结果无效，应重新试验。第五章其他静载下金属力学性能试验38三、剪切试样