剪切计算及常用材料强度

2.剪切强度计算(1)剪切强度条件剪切强度条件就是使构件的实际剪应力不超过材料的许用剪应力。[]sFA(5-6)这里[τ]为许用剪应力，单价为Pa或MPa。由于剪应力并非均匀分布，式(5-2)、(5-6)算出的只是剪切面上的平均剪应力，所以在使用实验的方式建立强度条件时，应使试件受力尽可能地接近实际联接件的情况，以确定试样失效时的极限载荷τ0，再除以安全系数n，得许用剪应力[τ]。0[]n(5-7)各种材料的剪切许用应力应尽量从相关规范中查取。一般来说，材料的剪切许用应力[τ]与材料的许用拉应力[σ]之间，存在如下关系：对塑性材料：[]0.60.8[]对脆性材料：[]0.81.0[](2)剪切实用计算剪切计算相应地也可分为强度校核、截面设计、确定许可载荷等三类问题，这里就不展开论述了。但在剪切计算中要正确判断剪切面积，在铆钉联接中还要正确判断单剪切和双剪切。下面通过几个简单的例题来说明。例5-1图5-12(a)所示电瓶车挂钩中的销钉材料为20号钢，[τ]＝30MPa，直径d=20mm。挂钩及被连接板件的厚度分别为t＝8mm和t1＝12mm。牵引力F=15kN。试校核销钉的剪切强度。图5-12电瓶车挂钩及其销钉受力分析示意图解：销钉受力如图5-12(b)所示。根据受力情况，销钉中段相对于上、下两段沿m-m和n-n两个面向左错动。所以有两个剪切面，是一个双剪切问题。由平衡方程容易求出：2sFF销钉横截面上的剪应力为：332151023.9MPa[]2(2010)4sFA故销钉满足剪切强度要求。例5-2如图5-13所示冲床，Fmax=400KN，冲头[σ]=400MPa，冲剪钢板的极限剪应力τb=360MPa。试设计冲头的最小直径及钢板最大厚度。图5-13冲床冲剪钢板及冲剪部分受力示意图解：(1)按冲头压缩强度计算dmaxmax2=[]4FFdA所以3max644400100.0343.4[]40010Fdmcm(2)按钢板剪切强度计算t钢板的剪切面是直径为d高为t的柱表面。maxsbFFAdt所以3max26400100.01041.043.41036010bFtmcmd例5-3如图5-14所示螺钉受轴向拉力F作用，已知[τ]=0.6[σ]，求其d：h的合理比值。图5-14螺钉受轴向拉力示意图解：螺杆承受的拉应力小于等于许用应力值：24[]NFFAd螺帽承受的剪应力小于等于许用剪应力值：[]sFFAdh当σ、τ同时分别达到[σ]、[τ]时．材料的利用最合理，既240.6FFdhd所以可得:2.4dh------=extPart_01C9B6CD.第二节冲压常用材料的化学成分和力学性能一、黑色金属二、有色金属三、非金属一、黑色金属1.深拉深用冷轧钢板发化学成分和力学性能1）深拉深钢板的化学成分深拉深用冷轧钢板主要有08Al、08F、08、及10、15、20钢。其化学成分如表8—44所示。表8—44深拉深冷轧薄钢板的化学成分（GB/T5213—1985和GB/T710—1991）钢板化学成分（质量分数%）CSiMnPSNiCrCuAl08Al≤0.08≤0.030.35～0.45≤0.020≤0.03≤0.01≤0.03≤0.150.02～0.0708F0.05～0.11≤0.030.25～0.50≤0.040≤0.04≤0.25≤0.10≤0.25—080.05～0.120.17～0.370.35～0.65≤0.035≤0.04≤0.25≤0.10≤0.25—100.07～0.140.17～0.370.35～0.65≤0.035≤0.04≤0.25≤0.15≤0.25—150.12～0.190.17～0.370.35～0.65≤0.040≤0.04≤0.25≤0.25≤0.25—200.17～0.240.17～0.370.35～0.65≤0.040≤0.04≤0.25≤0.25≤0.25—（2）影响钢板冲压性能的主要因素化学成分、金属组织、力学性能和表面质量等均影响冲压性能在上述钢号中用量最大的是08钢，并有沸腾钢与镇静钢之分，沸腾钢08F价廉，表面质量好，但偏析比较严重，且有“应变时效”倾向，对于冲压性能要求高，外观要求严格的零件不适合。08Al镇静钢板价格较高，但性能均匀，“应变时效”倾向小，适用于汽车、拖拉机覆盖件的拉深。1）08钢中主要元素对冲压性能的影响（表8—45）表8—45主要元素对08钢冲压性能的影响元素名称对冲压性能的影响C增加FeC的数量，提高钢板的抗拉强度和屈服强度，降低塑性，使冲压性能恶化，特别是当FeC出现于晶界时，对冲压性能的不利影响更大Si硅溶于铁素体中，强化铁素体的作用很大，增加强度，降低塑性，含硅量越低越好，深冲压钢板不能用硅脱氧Mn锰的直接影响不大，锰和硫形成MnS夹杂物，其数量和形态对冲压性能有影响P磷显著地增加强度和脆性，并有偏析倾向，易于形成带状组织，这些都对冲压性能不利S形成硫化物，其数量、形状和分布对冲压性能有很大影响，数量多、且呈细长条状分布的硫化物对冲压性能不利Al是镇静钢的最终脱氧剂，可与氮形成氮化铝，显著降低钢板的“应变时效”倾向，容易得到“饼形”铁素体晶粒，改善冲压性能。钢中铝的最佳含量为其质量分数=（0.03～0.05）%2）深拉深冷轧薄板铁素体晶粒度的标准（表8—46）表8—46深拉深冷轧薄钢板铁素体晶粒级别钢板状态钢号及拉深级别ZFHFFZS08Al05F，8F，10F08b，15F，20F，08，10，15，2005F，08F，10F，15F，20F，08b，08，10，15，20冷轧6，7，8或“饼形”6，7，8，9或“饼形”6，7，86，7，8，95，6，7，8，91)铝镇静钢08Al按其拉深质量分为三级：ZF—拉深最复杂零件；HF—拉深很复杂零件；F—拉深复杂零件2)其他深冲薄钢板（包括热轧板）按冲压性能分级为：Z—最伸拉深件；S—深拉深件；P—普通拉深件3)深拉深冷轧薄钢板的力学性能（表8—47）表8—47深拉深冷轧薄钢板的力学性能（GB/T5213—1985和GB/T710—1991）钢号级别厚度/mm/MPa/MPa/（%）不小于08AlZFHFF全部全部1.21.21.2260～330260～340260～350260～350260～35020021022022024044423942420.660.70———08FZSP≤4280～370280～390280～390———343230———08ZSP≤4280～400280～420280～420———323028———10ZSP≤4300～420300～440300～440———302928———15ZSP≤4340～460360～480360～480———272625———20ZSP≤4360～500360～510360～510———262524———4)深拉深冷轧薄钢板的杯突试验冲压深度（表8—48）表8—48深拉深冷轧薄钢板的杯突试验冲压深度（GB/T5213—1985和GB/T710—1991）钢板厚度钢号及级别08A108、08F10、15、20ZFHFFZSPZSEr值（杯突试验深度）不小于0.50.60.70.80.91.01.19.59.810.310.610.811.211.39.39.610.110.510.710.811.09.19.49.910.310.510.710.99.09.49.710.010.310.510.88.48.99.29.59.910.110.48.08.58.99.39.69.910.28.08.48.68.89.09.2—7.47.88.08.28.48.6—1.21.31.41.51.61.71.81.92.011.511.711.812.0—————11.211.311.411.611.812.012.112.212.311.111.311.411.511.711.912.012.112.211.011.211.311.511.611.811.912.012.110.610.811.011.211.411.611.711.811.910.410.610.811.011.211.411.511.711.8——————————————————2.常用材料的力学性能（1）黑色金属材料的力学性能（表8—49）表8—49黑色金属材料的力学性能材料名称材料牌号材料状态抗剪强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率屈服点/MPa弹性模量/MPa电工用工业纯铁C0.025DT1DT2DT3已退火的18023026电工硅钢D11、D12D21、D31D32、D370D310~340S41~48已退火的19023026普通碳素钢Q195未经退火的260~320315~39028~33195Q215270~340335~41026~31215Q235310~380375~46021~26235Q255340~420410~51019~24255Q275400~500490~61015~20275碳素工具钢08F已退火的220~310280~3903218010F260~360330~4503220019000015F220~340280~4203019008260~340300~4402921019800010250~370320~46028—15270~380340~4802628020200020280~400360~510352502100025320~440400~5503428020200030360~480450~6002230020100035400~520500~6502032020100040420~540520~6701834021350045440~560550~7001636020400050已正火的440~580550~730143802200005555067043390—60550700124102080006560073010420—706007609430210000碳素工具钢T7~T12T7A~T12A已退火的60075010——T8A冷作硬化的600~950750~1200———优质碳素钢10Mn已退火的320~460400~5802223021100065Mn6007501240021000合金结构钢25CrMnSiA25CrMnSi已低温退火的400~560500~70018950—30CrMnSiA30CrMnSi440~6000550~750161450850—优质弹簧钢60Si2Mn60Si2MnA65SiWA已低温退火的720900101200200000冷作硬化的640~960800~12001014001600—不锈钢1Cr13已退火的320~380400~470214202100002Cr13320~400400~500204502100003Cr13400~480500~600184802100004Cr13400~480500~600155002100001Cr18Ni192Cr18Ni19经过热处理的460~520580~64035200200000已碾压冷作硬化的800~8801000~1100382202000001Cr18Ni9Ti热处理退软的430~550540~70040200200000（2）钢在加热时的抗剪强度（表8—50）表8—50钢在加热状态的抗剪强度（单位：MPa）(3)普通碳素钢冷弯实验指标（8-51）表8—51普通碳素钢冷弯试验指标（GB700—1988）牌号试样方向冷弯试验B=2a180°备注钢材厚度或直径/mm≤6060～100100～200弯心直径dQ195纵0——各牌号A级钢的冷弯试验，在需方有要求时才进行冷弯试验合格时，抗拉强度上限可以不作交货条件横0.5aQ215纵0.5a1.5a2a横a2a2.5aQ235纵