第3章 其他靜加載下的力學(xué)性能

1、進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 第三章 其他靜加載下的力學(xué)性能 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 3.2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn) 3.2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 切應(yīng)力 切應(yīng)變 在彈性變形范圍內(nèi)，材料力學(xué)給出 了圓桿表面的切應(yīng)力切應(yīng)力計(jì)算公式如下 =M / W （3-1） 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 式中M為扭矩；W為截面系數(shù)。對(duì)于實(shí)心圓桿， Wd0316；對(duì)于空心圓桿,W=d03(1-d14/d04) 16,其中d0為外徑，d1為內(nèi)徑。 因切應(yīng)力作用而在圓桿表面產(chǎn)生的切應(yīng)變切應(yīng)變?yōu)?=tg=d0/2l0100 （3-2） 式中為圓桿表面任一平行于軸線的直線因 的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,見圖3-1(a)；為扭轉(zhuǎn)角;l

2、0 為桿的長(zhǎng)度。 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 3.2.2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)及測(cè)定的力學(xué)性能 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)采用圓柱形(實(shí)心或空心)試件, 在扭轉(zhuǎn)試 驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。扭轉(zhuǎn)試件如圖3-2所示(略), 標(biāo)距為100mm； 有時(shí)也采用標(biāo)距為50mm的短試件。 0 0 K Mb M0.3 ME Mp 扭 矩 M 扭 轉(zhuǎn)角 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 利用扭轉(zhuǎn)圖，確定材料的切變模量G， 扭轉(zhuǎn)比例極限p, 扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度0.3, 和抗扭強(qiáng)度 切變模量切變模量 G =/=32Ml0(d04) 3-3) 扭轉(zhuǎn)比例極限p p=Mp/W (3-4) 式中Mp為扭轉(zhuǎn)曲線開始偏離直線時(shí)的扭矩。 扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度0.3 0.3 = M0.3 /W (3-5) 式中M0

3、.3為殘余扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變?yōu)?.3%時(shí)的扭矩。 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 抗扭強(qiáng)度 b=Mb/W (3-6) 式中Mb為試件斷裂前的最大扭矩。 3.2.3 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用 (1)扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)較大，因而可用于測(cè)定那些 在拉伸時(shí)表現(xiàn)為脆性的材料，如淬火低溫回火工具鋼的塑 性。 (2)圓柱試件在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)度上的塑性變形始終是 均勻的，其截面及標(biāo)距長(zhǎng)度基本保持不變，不會(huì)出現(xiàn)靜拉 伸時(shí)試件上發(fā)生的頸縮現(xiàn)象。因此，可用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)精確地 測(cè)定高塑性材料的變形抗力和變形能力，而這在單向拉伸 或壓縮試驗(yàn)時(shí)是難以做到的。 (3)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以明確地區(qū)分材料的斷裂方式，正斷或切 斷。 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 (4)扭

4、轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，試件截面上的應(yīng)力應(yīng)變分布 表明，它將對(duì)金屬表面缺陷顯示很大的敏感表面缺陷顯示很大的敏感 性性因此，可利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究或檢驗(yàn)工件 熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效 果。 (5)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，試件受到較大的切應(yīng)力，因 而還被廣泛地應(yīng)用于研究有關(guān)初始塑性變形 的非同時(shí)性的問題，如彈性后效、彈性滯后 以及內(nèi)耗等 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 綜上所述，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可用于測(cè)定塑性材料 和脆性材料的剪切變形和斷裂的全部力學(xué) 性能指標(biāo)，并且還有著其它力學(xué)性能試驗(yàn) 方法所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn) 在科研和生產(chǎn)檢驗(yàn)中得到較廣泛地應(yīng)用。 然而，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在某些情況 下也會(huì)變?yōu)槿秉c(diǎn)，例如，由于扭轉(zhuǎn)試件中

5、 表面切應(yīng)力大，越往心部切應(yīng)力越小，當(dāng) 表層發(fā)生塑性變形時(shí)，心部仍處于彈性狀 態(tài)(見圖3-1(c)。因此，很難精確地測(cè)定表 層開始塑性變形的時(shí)刻，故用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)難 以精確地測(cè)定材料的微量塑性變形抗力。 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 3.3 彎曲試驗(yàn) 3.3.1 彎曲試驗(yàn)方法 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 通常用彎曲試件的最大撓度fmax表征材料 的變形性能。試驗(yàn)時(shí)，在試件跨距的中 心測(cè)定撓度，繪成P-fmax關(guān)系曲線，稱 為彎曲圖。圖3-7表示三種不同材料的 彎曲圖。 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 0 0 P 位移 圖3-7 典型的彎曲圖， （a）塑性材料，（b）中等塑性材料，（c）脆性材料 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 對(duì)于脆性材料，可根據(jù)彎曲圖(

6、見圖3- 7(c)，用下式求得抗彎強(qiáng)度bb bb=Mb/W (3-11) 式中Mb為試件斷裂時(shí)的彎矩，W為截面抗 彎系數(shù)，可根據(jù)彎曲圖上的最大載荷Pb, 按下式計(jì)算： 對(duì)三點(diǎn)彎曲試件: Mb=PbL4. 對(duì)四點(diǎn)彎曲試件: Mb=PbK2 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 6.3.2 彎曲試驗(yàn)的應(yīng)用 用于測(cè)定灰鑄鐵的抗彎強(qiáng)度，灰鑄 鐵的彎曲試件一般采用鑄態(tài)毛坯圓 柱試件。 用于測(cè)定硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度，硬 質(zhì)合金由于硬度高，難以加工成拉 伸試件，故常做彎曲試驗(yàn)以評(píng)價(jià)其 性能和質(zhì)量。 陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度測(cè)定。 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 3.4 壓縮試驗(yàn) 3.4.1 單向壓縮試驗(yàn) 單向壓縮時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)大，故用于測(cè)定 脆性

7、材料，如鑄鐵、軸承合金、水泥和磚石等的 力學(xué)性能。 由于壓縮時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)較軟，故在拉伸、扭轉(zhuǎn)和 彎曲試驗(yàn)時(shí)不能顯示的力學(xué)行為，而在壓縮時(shí)有 可能獲得。 壓縮可以看作是反向拉伸。因此，拉伸試驗(yàn)時(shí)所 定義的各個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)和相應(yīng)的計(jì)算公式，在 壓縮試驗(yàn)中基本上都能應(yīng)用。 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 圖3-8 壓縮載荷變形曲線,1-塑性材料，2-脆性材料 0 0 2 1 b s e p 壓縮 應(yīng)力 相對(duì) 縮 短 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 根據(jù)壓縮曲線，可以求出壓縮強(qiáng)度和塑性指標(biāo)。對(duì)于低 塑性和脆性材料，一般只測(cè)抗壓強(qiáng)度bc，相對(duì)壓縮ck 和相對(duì)斷面擴(kuò)脹率ck。 抗壓強(qiáng)度bc bc=Pbc/A0 (3-13) 相對(duì)壓縮ck ck=(h0-hk)/h0100 (3-14) 相對(duì)斷面擴(kuò)脹率ck ck=(Ak-A0)/A0100 (3-15) 式中Pbc為試件壓縮斷裂時(shí)的載荷;h0和hk分別為試件的原始 高度和斷裂時(shí)的高度；A0和Ak分別為試件的原始截面積 和斷裂時(shí)的截面積。 常用的壓縮試