材料力学性能第二章

Mechanicalpropertiesofmaterials1第二章材料在其他静载下的力学性能2第二章材料在其他静载下的力学性能本章的意义：材料在实际服役中的受力形式和受力状态十分复杂，单向拉伸得到的性能数据不能完全反映材料的变形、断裂等特点。为了充分揭示材料的力学行为和性能特点，常采用扭转、弯曲、压缩以及带有台阶、孔洞、螺纹等与实际受力相似的加载方式进行性能实验，为合理选材和设计提供充分的实验依据。3第二章材料在其他静载下的力学性能本章的内容：介绍扭转、弯曲、压缩以及带缺口试样的静拉伸以及材料硬度试验等试验方法的特点、应用范围及其所测定的力学性能指标。4第二章材料在其他静载下的力学性能本章涉及到了实际受力状态，必须了解一些物体在受力时应力状态分析的力学基础知识，因为力学性能是研究材料受力以后的行为，首先要知道材料的受力状态已经不是简单的一维应力状态（如单向拉伸），而要扩展到二维、三维。一些简单的公式、定律也要扩展到二维、三维。5第一节应力状态软性系数一、主应力概念对于任意应力状态，总可以找到这样一组互相垂直的平面，在这组平面上，只有正应力，没有切应力，这样的平面叫主平面，主平面上的应力叫主应力。321,,用表示。σ1σ2σ36第一节应力状态软性系数根据这三个主应力，按最大切应力理论（第三强度理论），可以计算最大切应力2/31max按相当最大正应力理论（第二强度理论），可以计算最大正应力321maxν为泊松比7第一节应力状态软性系数二、应力状态软性系数在三向应力状态下，最大切应力与最大正应力的比值称为应力状态软性系数，用表示。32131maxmax2越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形。反之，越小，表示应力状态越硬，材料越容易产生脆性断裂。8第一节应力状态软性系数不同的加载方式下材料具有不同的应力状态软性系数（v=0.25）9第一节应力状态软性系数加载方式软性系数备注单向拉伸0.5应力状态较硬，适用于塑性较好的材料三向等拉伸0应力状态最硬，材料最容易发生脆性断裂，用于揭示塑性材料的脆性倾向三向不等拉伸0.1扭转0.8单向压缩2.0两向压缩1.0三向压缩应力状态最软，硬度实验属于此，适用于任何材料10第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能一．压缩及其性能指标1．压缩试验通常为圆柱型或正方形。试样端部的摩擦力会影响试验结果，应设法减小。（两面必须光滑平整，并涂润滑油或石墨粉进行润滑）11第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能压缩试验的特点及应用1）单向压缩的应力状态软性系数为2，适用于脆性材料和低塑性材料。2）与拉伸试验区别－载荷相反，载荷-变形曲线不同，塑性和断裂形态不同。3）多向压缩试验的应力状态软性系数＞2，此方法适用于脆性更大的材料。还有服役条件为多向压缩的机件，如滚珠轴承也可采用多向压缩试验。12第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能试验结果：F－Δh曲线，如图所示材料的压缩曲线1—脆性材料；2—塑性材料金属GB/T7314-1987陶瓷GB/T8489-1987塑料GB/T1041-1992橡胶GB/T1684-197913第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能力学性能指标抗压强度相对压缩率压缩塑性相对断面扩展率0AFbcbc%10000hhhfc%100000AAAf14第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能二、弯曲实验及其性能指标1弯曲实验测定的力学性能指标方形(高×宽，5×7.5mm,30×40mm)矩形(5×5mm，30×30mm)圆形(d=5~45mm)跨距L为直径d或高度h的16倍加载方式四点弯曲加载三点弯曲加载弯曲试验的试样金属GB/T14452-1993,陶瓷GB/T6569-1986,塑料GB/T9341-200015第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能a)集中加载b）等弯矩加载弯曲试样加载方法参见动画演示16第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能试验结果：载荷F与试样最大挠度fmax之间的关系图典型的弯曲图（a）塑性材料（b）中等塑性材料（c）脆性材料17测得的力学性能：1）弯曲应力（抗弯强度）M－最大弯矩，W－抗弯截面系数。三点弯曲试样：（N.m）四点弯曲试样：（N.m）直径为d0的圆柱型试样：（m3）宽度为b，高度为h的矩型试样：（m3）第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能WM4maxFLMmax2FKM3230dW62bhW18第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能2)材料的塑性可用最大弯曲挠度fmax（百分表和挠度计直接读出）表示。此外，从弯曲－挠度曲线上还可得到弯曲弹性模量，规定非比例弯曲应力，断裂挠度，断裂能量等性能。19第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能对于矩形试样，弯曲模量334bFEbhfLb－试样宽度h－试样高度L－试样跨距202弯曲实验的特点及应用1）弯曲加载时，受拉的一侧应力状态与静拉伸时基本相同，且不存在拉伸时试样偏斜对实验结果的影响2）弯曲试验时，截面的应力分布也是表面最大，故可以灵敏地反映材料的表面缺陷，因此可以用来比较和评定材料表面处理层的质量。3）对塑性材料，弯曲试验不能使之断裂，因此，塑性材料基本不进行弯曲试验。第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能21第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能三、扭转及其性能指标1扭转实验测定的力学性能指标M—（扭矩－扭转角）曲线是扭转试验得到的第一手资料。圆柱型（直径d0）扭转试样在扭转实验时的表面受力状态。在与试样轴线呈45°方向上承受最大正应力，在与试样轴线平行和垂直方向上承受最大切应力。22第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能扭转试验时材料的应力状态：切应力分布在纵向与横向两个垂直的截面内，而主应力σ1和σ3与纵轴成45°，并在数值上等于切应力。σ1为拉应力，σ3为等值压应力，σ2=0。由此可知，当扭转沿着横截面断裂时为切断，而由最大正应力引起断裂时，断口呈螺旋状与纵轴成45°。23第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能第二节扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转试样的宏观断口a）切断断口b）正断断口c）木纹状断口24第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能木纹状断口：断裂面顺着试样轴线形成纵向剥层或裂纹。这是因为金属中存在较多的非金属夹杂物或偏析．并在轧制过程中使其沿轴向分布，降低了试样轴向切断强度造成的。因此，可以根据断口宏观特征来判断承受扭矩而断裂的机件的性能。25第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能在扭转实验中，加给试样的载荷为扭矩，（应变为在试样标距l0上的两个截面间的相对扭转角）。在扭转过程中，x-y记录仪的两个坐标分别记录下扭距M和扭转角的变化过程。点击演示动画d0＝10mm，标距长度l0＝50或100mm国标GB/T10128-198826第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能退火低碳钢的扭转负荷变形图27第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能根据该扭转曲线可以获得材料扭转条件下的力学性能指标：扭转比例极限：扭转屈服极限：扭转强度极限：WMPP/WMSS/WMbb/Ms为残余扭转切应变为0.3％(相当于拉伸残余应变0.2％)时的扭矩。真实扭转强度极限：W为试样截面系数28第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能a)弹性变形阶段的切应力与切应变沿横截面的分布b)弹塑性变形阶段的切应力与切应变的分布(a)(b)29第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能00/;/2Gdl16/30dW为试样截面系数，实心圆柱试样为空心圆柱试样为16/)/1(404130ddd切变模量：d1为内径，d0为外径。04032MlGd30第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能2扭转实验的特点及应用1)特点：1.扭转时应力状态软性系数为0.8，拉伸时为脆性的金属或陶瓷有可能产生塑性变形；2.塑性变形始终均匀，尺寸基本不变，不会出现静拉伸时发生的缩颈现象，可精确测定易缩颈或高塑性材料的形变能力和形变抗力；3.可从断口明显区分断裂方式（从试样的受力状态可知，45°断口为正断，平行截面断口为切断）；4.应力分布为表面最大，心部最小。故此法对表面硬度及表面缺陷的反应十分敏感。可用来研究表面强化工艺。31第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能2)扭转实验的实际应用根据特点2，扭转实验的应用在多数情况下是研究材料在大应变范围时的力学行为，生产上的金属加工成型工艺正是在大的塑性变形情况下进行的，因此扭转实验主要应用在（1）用热扭转实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，用热扭转实验确定材料在高温时发生的动态恢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。3233第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能拉伸、扭转、弯曲三种试验方法适用于哪些材料或哪些工作条件下的构件？拉伸：一般来说，适用于结构钢常温下的力学性能测定。脆性材料为什么不能用拉伸？扭转：结构材料的热变形性能。硬度大的材料（HRC52～53）不宜进行扭转试验？试样两端有应力集中和表面缺陷，装夹试样时稍有不对中，就会引起附加弯曲应力，这都会造成拉伸数据的散乱。试样会脆断出现飞裂。34第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能弯曲：工具钢常温下的力学性能。铸铁、硬质合金和陶瓷（弯曲强度仍然较分散，应采用统计方法处理测量数据）的性能也常用此法。弯曲试验方法的应力状态介于拉伸和扭转试验方法之间，常用于测定脆性材料的力学性能。对高碳钒钢(T10V)进行弯曲和扭转试验，如图所示。35原处理工艺是淬火+180℃回火，但在使用时常出现花键崩齿，杆部折断等现象36第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能模拟实际服役条件，并提供材料的抗剪强度数据作为设计的依据。（诸如铆钉、销子之类的零件）单剪试验双剪试验冲孔式剪切试验四．剪切及其性能指标37第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能单剪试验试件在单剪试验时受力和变形示意图0/bbFA抗剪强度：Fb：最大载荷A0：试件的原始截面面积FF38第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能0/2bbFA双剪试验抗剪强度：试件在双剪试验时受力和变形示意图FF/2F/239第二节压缩、弯曲与扭转的力学性能冲孔式剪切试验抗剪强度：/bbFdt冲孔式剪切试验装置（测薄板的抗剪强度）d为冲孔直径；t为板料厚度。F40第三节缺口试样静载力学性能一、缺口处的应力分布特点及缺口效应缺口改变了应力状态，如：应力集中；由应力集中导致应变集中；形成双向或三向应力状态，导致缺口附近屈服强度提高，塑性变形困难，使材料脆化；缺口附近的应变速率增高。统称为缺口效应，导致力学性能的改变。键槽、油孔、台阶、螺纹41第三节缺口试样静载力学性能1）薄板ynxz0外＝＝＝＝XYZ无缺口时，整个截面上应力均匀分布。应力集中和应变集中现象1弹性状态下的应力分布42第三节缺口试样静载力学性能有缺口时，缺口处不能承受外力，这部分外力由近缺口处材料来承担，因而缺口根部应力最大，离开缺口根部应力逐渐减小，一直到某一恒定值。（如图所示）43第三节缺口试样静载力学性能这用由于缺口造成的局部应力增大的现象称为应力集中。应力集中系数：σmax为缺口根部缺口根部的最大应力,σn为净截面上的名义应力。在弹性范围内，Kt的数值决定于缺口的几何形状与尺寸。对给定的缺口形状，可通过公式计算或有图表可查。《机械工程手册》ntKmax对椭圆形缺口的薄板，K＝1＋2a/b,ab为椭圆的长短轴。44第三节缺口试样静载力学性能x是怎样产生的？薄板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布图45第三节缺口试样静载力学性能会引起纵向伸长，必然引起横向收缩。由于缺口使随x发生变化，从大到小到恒定，引起的纵向伸长也由大到小，如果从缺口根部把薄板分成许多微元，微元的纵向伸长沿x方向由大到小，这种变形不均匀使微元之间存在相互制约在x方向产生内应力。yyx46第三节缺口试样静载力学性能由于板很薄，z向收缩变形不受限制，薄板的这种受力状态称