材料力学第二章-金属在其他静载荷下的力学性能

江苏科技大学第二章金属在其他静载荷下的力学性能OABCDes(0.2)bp称为弹性极限简单拉伸实验s称为屈服应力0.2规定残余应变的0.2%时的工程应力b称为强度极限线性弹性变形非线性弹性变形加工硬化颈缩阶段屈服金属在单向静拉伸载荷下的力学性能简单拉伸实验初始试件弹性变形非线性弹性变形屈服平台塑性变形断裂金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第二章金属在其他静载荷下的力学性能4研究的目的：1）实际的服役工矿下，零部件除了受拉伸之外，还要受其他静载荷的作用，如：压缩、弯曲、扭转以及还有带缺口的零部件。则必须研究材料在其它载荷作用下的力学性能指标，作为设计和选材的依据。2）不同的加载方式在零部件中将产生不同的应力状态，而金属材料在不同的应力状态下所表现出的力学行为将不一样。3）金属硬度实验方法在工业生产及科研中应用极为广泛，其测试方法也属于静载压入实验。原因：切应力：引起金属材料产生塑性变形以及韧性断裂。正应力：引起金属材料产生脆性断裂。主要内容硬度扭转弯曲压缩应力状态软性系数缺口试样静载荷试验2-1应力状态软性系数kmaxmaxk材料在受到载荷作用时(单向拉伸)，231max最大切应力理论：)(321max最大正应变理论：泊松比产生切断产生正断在复杂的应力状态下（用三个主应力表示成σ1、σ2、σ3）由上两式可以看出，受力状态不同，σ1σ2σ3不同，τmax和σmax会变化，为了表示不同应力状态对材料塑性变形的影响，特引入应力状态软性系数α。max13max1232[()]2-1应力状态软性系数25.0钢铁材料取定义：在任何应力状态下最大切应力与最大正应力的比值。α应力状态越软，金属易于产生塑性变形和韧性断裂α应力状态越硬，金属不易产生塑性变形，易于产生脆性断裂注意：α的绝对值仅用于比较不同试验方法应力状态的软硬程度，不能用于定量的评价材料的塑性变形特征。72-1应力状态软性系数8思考：（1）预考查脆性材料的塑性，设计试验时，应力状态软性系数α取大还是取小？（2）预考查塑性材料的脆性，设计试验时，应力状态软性系数α取大还是取小？2-2材料的压缩1压缩试验的特点（1）单向压缩应力状态的软性系数，非常适合脆性材料的力学性能实验。如铸铁、铸铝合金、轴承合金等。2压缩可以视为反向拉伸，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。2-2材料的压缩1压缩试验的特点（2）拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。脆性材料断面与轴线夹角：45°2-2材料的压缩2压缩实验（1）测试条件压缩试样为圆柱体、立方体或棱柱体；试样的高度和直径比应取2.5-3.5；试件的两端面必须光滑平整，相互平行，并涂润滑油或石墨粉进行润滑；2-2材料的压缩压缩实验（2）压缩实验通常在压缩试验机上测出压力F和压缩量△h之间的关系，给出F-△h曲线，称为压缩图或压缩曲线。塑性材料与脆性材料的压缩曲线具有不同的特点，见右图。2-2材料的压缩2压缩实验由压缩曲线可确定压缩强度指标和塑性指标。压缩强度极限（抗压强度）：相对压缩率：相对断面扩展率：其中，为试件压缩断裂时的载荷；和为试件的原始高度和断裂时的高度；和为试件的原始截面积和断裂时的截面积。0F/bcbcA%100)(00hhhKck%100)(00AAAKckFbc0h0h0AkA2-2材料的压缩压缩实验压环强度试验（1）测试条件圆环试件；试件需保持圆整度；表面无伤痕且壁厚均匀。（2）压缩实验压环强度：试件断裂时1-1截面上的最大拉应力其中，为试件压断时的载荷，D为压环外径，t为试件壁厚，L为试件宽度。rp2-2材料的压缩2压缩实验金属管压缩实验（GB3251）（1）测试条件管试件；试件需保持圆整度；表面无伤痕且壁厚均匀。H=2D（2）压缩实验象足膨胀2-3材料的弯曲z应力-应变特点：杆件截面上应力分布不均匀，呈线性分布规律，即：表面最大，中心为零。其整个横截面上的应力为正应力。MM中性层O纵向对称面zy2-3材料的弯曲1弯曲实验的特点弯曲实验不受试样偏斜的影响，可以稳定地测定脆性材料和低塑性材料的抗弯强度，并能由挠度明显地显示脆性和低塑性材料的塑性。如铸铁、工具钢、陶瓷等。弯曲实验不能使塑性很好的材料破坏，不能测定其断裂弯曲强度，但可以比较一定弯曲条件下不同材料的塑性。弯曲实验时试样断面上的应力分布是不均匀的，表面应力最大，依此可以较灵敏地反映材料的表面缺陷，以检查材料的表面质量。2-3材料的弯曲2弯曲试验2-3材料的弯曲弯曲试验弯曲试件：矩形截面、圆形截面弯曲试件的最大挠度表示材料的变形性能加载方式：三点弯曲、四点弯曲maxf2-3材料的弯曲2弯曲试验弯曲图通过弯曲实验记录弯曲载荷和最大挠度之间的曲线。测定断裂时的抗弯强度：式中：——断裂载荷下的最大弯矩。对三点弯曲实验，；对四点弯曲实验，W——试样的弯曲截面系数另：可通过最大挠度比较不同材料的塑性。/bbbMWbMbF/4bbMFL/2bbMFk2-3材料的弯曲2弯曲试验2-3材料的弯曲2弯曲试验弯曲试验的应用（1）灰铸铁抗弯强度的测定采用铸态毛坯圆柱试样，加载速度小于0.1mm/s。（2）测定硬质合金的抗弯强度采用方形或矩形截面的小尺寸试件，常用规格：5mm×5mm×30mm，跨距24mm（3）陶瓷材料抗弯强度测定采用方形或矩形截面的试件。注意：同一材料多次测量求平均值2-4材料的扭转1应力-应变分析（1）弹性变形阶段，横截面上各点切应力大小与该点距中心。与试样轴线成45度角的两个斜截面上承受最大拉应力。（2）表面产生塑性变形后，各点切应力仍与距中心的距离成正比，但切应力水平却因塑性变形而降低。2-4材料的扭转2扭转试验特点1.应力状态的软性系数。可为拉伸实验时表现为脆性的材料测定有关塑性变形的抗力指标。2.圆柱形试样扭转实验时，整个长度上始终是均匀的塑性变形，不产生颈缩现象。故此，可精确评定拉伸实验时出现颈缩的高塑性金属材料的变形能力与抗力指标。3.扭转实验是测定材料切断抗力的最可靠的方法（因实验时正应力≈切应力）。4.扭转实验可明确区分金属材料的最终断裂方式：正断与切断，这是其他试验方式不能比的。5.扭转实验可以灵敏地反映材料的表面缺陷。0.82-4材料的扭转3扭转试验切变模量：扭转屈服点：抗扭强度：式中：W—试样截面系数，对于圆柱试样2-4材料的扭转扭转实验一般常用圆柱试样在扭转试验机上进行。根据每一时刻加于试样上的扭矩T和扭转角绘制成的T-φ曲线称扭转图。3扭转试验04032TLGd/ssTW/bbTW2-4材料的扭转扭转试样的断口形态对塑性材料和脆性材料来说，都可在扭转载荷下发生断裂，其断裂方式有以下几种：切断断口：是切应力作用下的切断，断口平整、垂直于试样的轴向，断面上有回旋状的塑变痕迹。正断断口：是正应力作用下的正断，断面与试样轴线约成角，断口呈螺旋状或斜劈形状。混合断口：一般是由于锻造或轧制过程中使非金属夹杂物或偏析物沿轴向分布，降低了轴向切断抗力，形成纵向和横向组合的断口，呈层状。452-4材料的扭转思考：铸铁试件在压缩和扭转破坏时,断口方位都与轴线大致成45度角,其破坏原因是否相同？纵臂被左右起伏的路面产生的扭力扭断。今年以来，有关大众速腾后悬挂断裂的车主投诉不绝于耳，在多家媒体的持续关注下，一汽大众终于做出妥协于10月下旬宣布自2015年2月2日起在中国召回装配了耦合杆式后悬架的563605辆新速腾并安装金属衬板。2-5缺口试样静载荷试验由于缺口的存在，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”。拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样。但在实际生产中的机件，截面上往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、螺纹及焊缝等，这种截面变化的部位可称为“缺口”。35maxtK应力集中系数（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布（薄板）在拉应力σ的作用下，缺口的存在使横截面上的应力分布不均匀：轴向应力σy分布：σy在缺口根部最大，随着距离x↑，σy↓，所以在缺口根部产生了应力集中的现象。横向应力σx分布：缺口根部可自由变形，σx=0，远离x轴，变形阻力增大，σx↑，达到一定距离后，由于σy↓导致σx↓。362-5缺口试样静载荷试验与薄板相比，厚板在垂直于板厚方向的收缩变形受到约束，即：01[()]()zzzxyzxyyzxE＞＞（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布（厚板）372-5缺口试样静载荷试验屈雷斯加的屈服条件为:所以，当缺口尖端出现塑性变形后，最大应力已不在缺口根部，而在其塑性变形与弹性变形的交界处ry，该处σy最大，所以σx、σz也最大。σs=σmax=σy-σx在缺口根部σx=0,所以σmax=σy=σs远离缺口根部由于σx的存在,σmax=σy-σx=σs；σy=σs+σx如果满足这一条件，屈服将由表面向心部扩展。σz=v(σy+σx)并且，随塑性变形区尺寸的增加，其最大应力处也将向心部移动，但始终在其塑性变形与弹性变形的交界处，以及最大应力值也将增加。2-5缺口试样静载荷试验（一）缺口试样在塑性状态下的应力分布（厚板）对于塑性较高的材料，由于塑性变形能够扩展到心部，因此，缺口的存在将使其屈服强度得以提高。因而，缺口的存在将使塑性材料的强度提高。这种现象称为“缺口强化”。是由于在缺口的前端出现了三向应力状态，使塑性变形受到约束而引起的。对于脆性材料，由于塑性变形仅能扩展较少的距离，因此，其强度不仅不能得以提高，反而降低。并且，塑性材料的缺口强化，是在牺牲其塑性的条件下来达到的，不能看成是强化的手段。392-5缺口试样静载荷试验（二）缺口强化2-5缺口试样静载荷试验（三）缺口试样静拉伸实验通常用缺口强度比作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标：NSR=σbn/σbNSR属安全力学性能指标。NSR越大缺口敏感度越小，对于脆性材料如铸铁，高碳钢，其NSR1，说明这些材料对缺口很敏感。利用缺口拉伸试验还能查明光滑拉伸试样不能显示的力学行为。塑性金属脆性金属2-5缺口试样静载荷试验（四）缺口试样偏斜拉伸实验缺口强度比：NSR=σbn/σb这种实验方法中，试样同时承受拉伸与弯曲复合作用，缺口截面上的应力分布更不均匀，跟能显示出材料对缺口的敏感性。这种实验方法适合高强度螺栓的选材与热处理工艺优化，因为螺栓有缺口，而且工作时候难免有偏斜。43曲线下所包围的面积，表示试样从变形到断裂的总功。(1)只发生弹性变形的弹性功Ｉ;(2)发生塑性变形的变形功以面积Ⅱ表示；(3)在达到最大载荷Fmax时试样即出现裂纹。如果裂纹到截荷该点时开始迅速扩展，直至试样完全破断。这一部分功以面积Ⅲ表示，叫作撕裂功。可用断裂功，或Fmax/F1来表示材料的缺口敏感度。F1—试样发生断裂所对应的作用力。Fmax/F1=1时，缺口敏感度最大。2-5缺口试样静载荷试验（五）缺口试样静弯曲实验2-5材料的硬度表面渗氮处理齿轮2-5材料的硬度1、硬度表征材料软硬程度的一种性能,随试验方法的不同，物理意义不同。2、硬度的种类压入法：布氏硬度、洛氏、维氏、普氏等。表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。应力状态软性系数最大，α2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。刻划法：莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。回跳法：肖氏硬度。表征金属弹性变形功的大小。同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一材料进行标定。刻划法判断材料的硬度。世界最大雕琢后的钻石530ct弹性回跳法判断材料的硬度。肖氏硬度计适用于测定黑色金属和有色金属的肖氏硬度值。用于测定橡胶、塑料、金属材料等的硬度。在橡胶、塑料行业中常称作邵氏硬度。里氏硬度计2-5材料的硬度采