材料在其他静载下的力学性能

材料性能学第二章材料在其他静加载下的力学性能机械和工程结构的很多零件是在扭矩、弯矩或轴向压力作用下服役的。需要测定材料在扭转、弯曲和轴向压缩加载下的力学性能，作为零件设计，材料选用和制订热处理工艺的依据。否则很有可能造成材料选用不合理，热处理工艺不当，以至零件的早期失效。材料性能学第一节应力状态软性系数材料的塑性变形和断裂与应力状态关系密切，正应力导致解理断裂（脆断），切应力导致韧性断裂。其中最大正应力和最大剪应力分别对脆断和剪断其主要作用。不同应力状态，两种最大应力的大小不同。材料性能学最大切应力τmax=（σ1-σ3）与最大当量正应力Smax（Smax=σ1-ν（σ2+σ3））之比称为应力状态的柔度系数(亦叫软性系数)α，即α=τmax/Smaxα值愈大，应力状态愈“柔”，愈易变形而较不易开裂，即愈易处于韧性状态。α值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂材料性能学对单向拉伸对扭转对单向压缩材料性能学材料性能学第二节扭转、弯曲与压缩的力学性能一扭转及其性能指标1扭转的应力状态材料性能学塑性变形后，各点的切应变仍与该点距中心的距离成正比，但切应力则因塑性变形而降低，在圆杆表面上，在切线和平行于轴线的方向上切应力最大，在与轴线成45o的方向上正应力最大，正应力等于切应力。γ=tgα=φd0/2l0×100％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,φ为扭转角;l0为杆的长度。材料性能学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。扭转试件标距为100mm；有时也采用标距为50mm的短试件。材料性能学抗扭强度切变模量G=τ/γ=32Ml0／(πΦd04)扭转比例极限τpτp=Mp/W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式中M0.3为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩。该值和条件屈服强度相当。材料性能学抗扭强度τb=Mb/W式中Mb为试件断裂前的最大扭矩。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。材料性能学(3)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。(4)扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式，正断或切断。(5)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。材料性能学材料性能学应用：多数情况下是研究塑性材料在大应变范围时的力学行为，它能更真实地反映材料的塑性和形变抗力。扭转试验的实际应用主要表现在：(1)用热扭转试验确定材料在热加工(轧制、锻造、挤压)时的最佳温度；(2)对单相合金，用热扭转试验确定材料在高温时发生的动态回复和动态再结晶过程；(3)对多相合金，用热扭转研究不稳定组织的转变，或者模拟某种热加工成形方式研究其组织特点。材料性能学二弯曲试验1弯曲试验方法弯曲试验方法的应力状态介于拉伸和扭转试验方法之间，常用于测定脆性和低塑性材料的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度。测定(如铸铁、高碳钢、工具钢等)对于金属材料，特别是钢铁材料，结构钢常温下的力学性能由拉伸试验评定；结构材料的热变形性能由扭转试验评定；而工具钢常温下的力学性能由弯曲试验评定。材料性能学试样规格：圆形；矩形跨距：一般为直径的10倍。脆性材料——弯曲试验测弯曲断裂强度；塑性材料——检验其延展性和均匀性展性和均匀性——冷弯试验。试验时将试样加载，使其弯曲到一定程度，观察试样表面有无裂缝。材料性能学材料性能学材料性能学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。材料性能学式中Mb为试件断裂时的弯矩，W为截面抗弯系数脆性材料抗弯强度σbbσbb=Mb/W材料性能学Mb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／2对于直径为d0的圆柱试件，W=πd03/32;宽为b,高为h的矩形截面试件，W＝bh2／6。材料的弯曲变形大小用fmax表示，其值可用百分表或挠度计直接读出。弯曲试验的技术细节见GB14452-93。材料性能学一些材料的抗张、挠曲及压缩强度材料拉伸强度/MPa压缩强度/MPa挠曲强度/MPa聚酯-50%玻璃纤维160225315聚酯-50%玻纤织物260190320Al2O3(99%)2102625350SiC(无压烧结)1753920560材料性能学2弯曲试验的应用(1)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。(2)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。硬质合金常用的规格是5×5×30mm，跨距为24mm。(3)陶瓷材料的抗弯强度测定。材料性能学高塑性材料，弯曲试验不能使试件发生断裂，其曲线的最后部分可延伸很长。因此，弯曲试验难以测得塑性材料的强度，而且实验结果的分析也很复杂，故塑性材料的力学性能由拉伸试验测定，而不采用弯曲试验。材料性能学三压缩试验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——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。材料性能学拉伸和压缩的区别(1)压缩时试件不是伸长而是缩短，横截面不是缩小而是胀大。(2)塑性材料压缩时只发生压缩变形而不断裂，压缩曲线一直上升。材料性能学材料性能学低碳钢铸铁铸铁试样破裂后呈鼓形，破裂面与轴线大约成45o，这主要是由切应力造成的材料性能学根据压缩曲线，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eck和相对断面扩展率ψck。σbc=Pbc/A0(3-13)eck=(h0-hk)/h0×100％(3-14)ψck=(Ak-A0)/A0×100％(3-15)材料性能学第三节缺口试样静载力学性能广义的“切口”机械零、构件的外形具有几何不连续性——缺口或者切口。切口的存在造成：在切口根部引起应力和应变集中，引起应力和应变的多向性。对材料的塑性变形和断裂过程产生很大的影响二战轮船的断裂事故材料性能学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单向拉伸载荷下的薄板构件，薄板边缘存在缺口(1)y方向的应力y分布缺口的第一个效应——缺口处存在应力集中材料性能学材料性能学(2)产生x方向的应力x形成x方向的应力。缺口第二个效应——应力状态变为两向或者三向拉伸较厚，Z方向变形受到约束，z＝0，z0z＝v(x+y)，平面应变状态。yzx三向拉伸应力状态，构件脆性最大，在缺口部位造成硬化形成断裂。材料性能学2塑性状态下的应力分布缺口存在的构件出现三向应力状态，造成试样的屈服应力比单轴拉伸时高。缺口强化效应——缺口的第三个效应。缺口强化是材料的三向应力状态约束材料的塑性变形，并非提高了材料的屈服强度，不是强化材料的手段。材料性能学缺口试样与光滑试样的强度比较塑性材料：缺口存在导致材料的强度因为塑性变形受到约束而有一定增加——缺口强化。脆性材料：缺口试样弹性变形——断裂，不能通过缺口前方的塑性变形调整应力分布。缺口材料的强度比光滑试样低材料性能学三缺口试样的静拉伸及静弯曲性能1缺口敏感性缺口敏感性：材料因为缺口存在造成的三向应力状态和应力集中而变脆的倾向，不同材料的缺口敏感性不同。缺口敏感性评定：缺口拉伸试验、缺口弯曲试验。压缩和扭转试验的意义不大。2缺口静拉伸试验(1)静拉伸试验材料性能学材料性能学材料性能学热处理影响缺口试验的准确性，加工缺口在热处理之后。(2)试验应用评定高强度钢的缺口敏感性，钢的氢脆，高温合金的缺口敏感性。材料性能学3缺口静弯曲试验(1)缺口静弯曲试验弯曲试样按照GB制备，尺寸：10mm×10mm×55mm，缺口深度2mm，夹角60.可在不同温度下试验记录F-f曲线，直至试样断裂材料性能学(2)缺口弯曲试验应用依据F-f曲线比较缺口敏感性1：曲线上升阶段断裂，残余挠度f1（总挠度－弹性挠度）小，对缺口敏感2：在曲线下降阶段断裂，残余挠度f2较大，缺口敏感度较低3：曲线弯曲不断，取相当于0.25fmax的残余挠度为其挠度，很大，表明对缺口不敏感。材料性能学(3)典型的弯曲试验曲线分析三部分面积：弹性变形功I，塑性变形功Ⅱ，断裂功Ⅲ。根据各区面积大小来判定缺口是否敏感只有I,对缺口极敏感I＋Ⅱ，无Ⅲ，敏感I＋Ⅱ＋Ⅲ，不敏感材料性能学(4)断裂功与缺口敏感性裂纹产生和扩展的能量即为断裂功。断裂功：反映了裂纹扩展的难易程度，也表示材料阻止裂纹扩展的能力。断裂功越大，裂纹不易扩展，缺口敏感性低。根据F-f曲线形状也可以判定缺口敏感性。若断裂功部分出现f陡降段长度1/3Fmax，则敏感。材料性能学材料性能学三缺口敏感度1缺口敏感度（切口强度比）用来衡量拉伸条件下材料对缺口的敏感性，衡量在应力状态软性系数0.5和应力集中条件下材料脆化倾向用带切口的拉伸试件测定其断裂时的名义应力(净断面平均应力)，表示切口强度记为σbNNbNAPmax材料性能学切口强度比NSR或者缺口敏感度qeqe=NSR=σbN／σb若NSR＞1.0，表示材料对切口不敏感，或者说材料是切口韧性的；若NSR＜1.0，则材料对切口敏感，材料是切口脆性的材料性能学NSR并非材料常数，与切口构件几何形状和切口根部的应力状态有关。2影响缺口敏感性的因素材质、应力状态、缺口形状、尺寸、温度等。材料性能学第四节材料的硬度硬度用来表示材料的软硬程度。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。目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。硬度测定简便，造成的表面损伤小，基本上属于“无损”检测的范畴。材料性能学硬度——衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标含义：材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力；也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。材料性能学测定方法:压入法，回跳法和刻划法三大类。压入法——表征金属抵抗变形的能力。静载：布氏，洛氏，维氏，显微硬度；动载：超声波，肖氏等刻划法——表征金属抵抗破裂的能力。莫氏硬度，锉刀法，划痕材料性能学一布氏硬度1布氏硬度测定的原理和方法压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。)(222dDDDpDhpApHB材料性能学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。材料性能学布氏硬度相同时，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，符号表示：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。材料性能学材料布氏硬度钢及铸铁1401401030铜及其合金3535～13013051030轻金属及其合金351.252.535～8051015801015铅，锡11.25HB试验时的P/D2值选择表材料性能学2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，象灰铸铁和轴承合金等。压痕较大，不宜在实际