第三章其他靜載下力學(xué)性能

1、第三章第三章 其他靜載下的力學(xué)性能其他靜載下的力學(xué)性能3.1 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)0.8扭轉(zhuǎn)試樣的應(yīng)力和應(yīng)變扭轉(zhuǎn)試樣的應(yīng)力和應(yīng)變(a)表面應(yīng)力表面應(yīng)力(b)彈性變形彈性變形(c)彈塑性變形彈塑性變形特點(diǎn)：表面應(yīng)特點(diǎn)：表面應(yīng)力最大，心部力最大，心部應(yīng)力最小應(yīng)力最小表面最危險(xiǎn)表面最危險(xiǎn)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo) 或 ( )MM/ppMW0.30.3/MW/KKMW/bbMW30/16Wd0dWM002ld扭轉(zhuǎn)試樣的斷口形態(tài)扭轉(zhuǎn)試樣的斷口形態(tài)45(a)切斷切斷(b)正斷正斷(c)混合混合 斷口斷口(a)三點(diǎn)彎曲 (b)四點(diǎn)彎曲彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo) v彎曲

2、圖(下圖) 通常采用矩形或圓柱形試樣，通過(guò)彎曲實(shí)驗(yàn)記錄彎曲載荷和最大撓度之間的曲線。v測(cè)定斷裂時(shí)的抗彎強(qiáng)度 ： 式中： 斷裂載荷 下的最大彎矩。對(duì)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)， ；對(duì)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)， W試樣的彎曲截面系數(shù)另：可通過(guò)最大撓度比較不同材料的塑性。 /bbbM WbMbF/4bbMF L/2bbMF k典型彎曲圖v（a）塑性材料）塑性材料v（b）中等塑性材料）中等塑性材料v（c）脆性材料）脆性材料3.3 壓縮壓縮2008hd0031dh 壓縮曲線壓縮曲線 v壓縮實(shí)驗(yàn)通常在壓縮試驗(yàn)機(jī)上測(cè)出壓力F和壓縮量h之間的關(guān)系，給出Fh曲線，稱為壓縮圖或壓縮曲線。v塑性材料與脆性材料的 壓縮曲線具有不同的特 點(diǎn)，見(jiàn)

3、右圖。壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo) v由壓縮曲線可確定壓縮強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)。 v壓縮強(qiáng)度極限（抗壓強(qiáng)度）： 或v相對(duì)壓縮率：v相對(duì)斷面擴(kuò)展率：v條件壓縮強(qiáng)度與真實(shí)壓縮強(qiáng)度 ： 、0/SFbcbcKbcbcSF/真%100)(00hhhKc%100)(00SSSKcbcbc真(1)bccbc真bccbc)1 ( 真3.4 硬度硬度 /HBSHBWF SFDh或221/ 22()FHBSHBWD DDd或)2sin11 (2HBW2DFHBS 或2/F D)2sin11 (2102. 0HBW2DFHBS或洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理（方法）和規(guī)程洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理（方法）和規(guī)程 12

4、00F1F01FFFv0-0位置為壓頭沒(méi)有和試樣接觸時(shí)的位置；1-1為壓頭受到初載荷后壓入試樣深度為 的位置；2-2為壓頭受到主載荷后壓入試樣深度 為的位置；3-3為壓頭卸除主載荷但仍保留初載荷時(shí)的位置，由于試樣彈性變形的恢復(fù)，壓頭位置提高了 。此時(shí)壓頭受主載荷作用 壓 入 試 樣 的 實(shí) 際 深 度 為 h（ ）。最后卸除初載荷。0h1h2h12hh0.002khHR洛氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用洛氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用維氏硬度維氏硬度 維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理 22/2sin68/1.8544Sdd22/1.8544 /(/)HVF SF d kgf mm顯微硬度顯微硬度顯微維氏硬度顯微維氏硬度

5、 v顯微硬度實(shí)質(zhì)上就是小載荷的維氏硬度，因此也稱顯微維氏硬度。其實(shí)驗(yàn)原理與維氏硬度一樣，所不同的是：載荷以計(jì)量、壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度以計(jì)量，主要用于測(cè)定極小尺寸范圍內(nèi)各組成相、夾雜物等的硬度值。v通常，顯微硬度實(shí)驗(yàn)采用的載荷為2、5、10、50、100、200gf。由于壓痕微小，試樣必須制成金相樣品，并配備顯微放大裝置，以提高測(cè)量精度。 3.5 缺口對(duì)靜加載力學(xué)性能的影響缺口對(duì)靜加載力學(xué)性能的影響 由于實(shí)際的機(jī)械設(shè)備總是由多個(gè)零部件組成，由于實(shí)際的機(jī)械設(shè)備總是由多個(gè)零部件組成，各零件因其自身結(jié)構(gòu)和加工制造的需要，總是存在各零件因其自身結(jié)構(gòu)和加工制造的需要，總是存在一些有截面突變的臺(tái)階、鍵槽、孔等幾何

6、不均勻的一些有截面突變的臺(tái)階、鍵槽、孔等幾何不均勻的結(jié)構(gòu)，從一般意義上說(shuō)它們都是結(jié)構(gòu)，從一般意義上說(shuō)它們都是。 缺口的存在改變了零件的受力條件、造成硬性缺口的存在改變了零件的受力條件、造成硬性的應(yīng)力狀態(tài)，并引起應(yīng)力集中等。因此，缺口被認(rèn)的應(yīng)力狀態(tài)，并引起應(yīng)力集中等。因此，缺口被認(rèn)為是造成材料脆化的主要因素之一。為是造成材料脆化的主要因素之一。 航天零件缺口示意圖缺口效應(yīng)v應(yīng)力集中v多軸應(yīng)力狀態(tài)v應(yīng)變集中v局部應(yīng)變速率增大v腐蝕傾向加大理論應(yīng)力集中系數(shù)（彈性變形狀態(tài)）理論應(yīng)力集中系數(shù)（彈性變形狀態(tài)）：v表示應(yīng)力集中的程度，它是最大軸向應(yīng)力與平均應(yīng)力之比。即： mltKmax對(duì)于橢圓形缺口：a：橢

7、圓長(zhǎng)軸之半；：曲率半徑。特別地：對(duì)圓形缺口，有特別地：對(duì)圓形缺口，有 a= ，Kt=3aKt21塑性變形時(shí)的應(yīng)力分布塑性變形時(shí)的應(yīng)力分布v對(duì)于塑性較好的金屬材料來(lái)說(shuō)，即使缺口處出現(xiàn)對(duì)于塑性較好的金屬材料來(lái)說(shuō)，即使缺口處出現(xiàn)了三向拉應(yīng)力，缺口截面仍可進(jìn)行較明顯的塑性了三向拉應(yīng)力，缺口截面仍可進(jìn)行較明顯的塑性變形。變形。v根據(jù)塑性變形的條件，當(dāng)外加最大切應(yīng)力大于材根據(jù)塑性變形的條件，當(dāng)外加最大切應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料就發(fā)生塑性變形。料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料就發(fā)生塑性變形。max2lrv在缺口截面上，由于軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力 和 徑向應(yīng)力徑向應(yīng)力 r 分布不均勻，最大切應(yīng)力最大切應(yīng)力 max（= l

8、 - r / 2）的分布也是不均勻的，在表面處為最大（=0.5）；v當(dāng)外力增加時(shí)，沿截面的塑性變形是先從表面開(kāi)始，再逐步向中心擴(kuò)展進(jìn)行的；v由于表面的塑性變形削減了應(yīng)力峰，造成截面上的應(yīng)力重新分布，即使應(yīng)力峰應(yīng)力峰離開(kāi)缺口表面而移向彈性變形和塑性變形彈性變形和塑性變形的交界處交界處。試樣缺口根部截面由表面開(kāi)始進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后(在不同時(shí)刻-載荷不斷增大) 軸向應(yīng)力l分布的變化v圖表示了缺口試樣在外力增加時(shí)沿截面的應(yīng)力分布和塑性變形擴(kuò)展情況。曲線16表示在外力增加的不同階段軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力的分布情況。v其中，曲線1是彈性變形階段的分布，曲線2是塑性變形剛開(kāi)始階段的分布，a1 a2區(qū)已進(jìn)入了塑性變形

9、，應(yīng)力被削減，應(yīng)力峰移向2點(diǎn)（彈性和塑性變形的交界點(diǎn)），曲線36是塑性變形逐步依次擴(kuò)展時(shí)的情況，同樣是塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力被削減，應(yīng)力峰依次移向彈-塑變形交界點(diǎn)。 v若將最大軸向應(yīng)力的頂點(diǎn)（1、26）連成曲線，用ls表示，則情況?？梢?jiàn)，在缺口截面上，使各點(diǎn)（a1,a6），這主要與徑向力的存在及塑性區(qū)的形變這主要與徑向力的存在及塑性區(qū)的形變硬化有關(guān)硬化有關(guān)。并且， 試樣缺口根部截面由表面開(kāi)始進(jìn)入彈塑性狀態(tài)試樣缺口根部截面由表面開(kāi)始進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后的后的 l 應(yīng)力分布的變化應(yīng)力分布的變化ls曲線曲線v若材料的屈服強(qiáng)度等于或近于斷裂抗力，則在缺口根部尚未開(kāi)始塑性變形時(shí)，最大軸向應(yīng)力就已達(dá)到斷裂抗力（應(yīng)力集

10、中階段），材料會(huì)發(fā)生早期脆斷，此時(shí)缺口試樣的抗拉強(qiáng)度較光滑試樣的低（曲線1），脆性和低塑性材料即屬于此；v若材料的屈服強(qiáng)度較低而斷裂抗力較高，則塑性變形向內(nèi)擴(kuò)展可充分進(jìn)行，此時(shí)缺口試樣的抗拉強(qiáng)度較光滑試樣的高（曲線5、6），塑性材料即屬于此；v若材料的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度都很高，則塑性變形的擴(kuò)展開(kāi)始得很遲，且還未充分?jǐn)U展就會(huì)發(fā)生斷裂，此時(shí)的抗拉強(qiáng)度也較高些（曲線4），中強(qiáng)度鋼多屬于此。v缺口截面SN上的塑性變形擴(kuò)展程度，主要決定于材料的性質(zhì)和缺口的形狀。材料性質(zhì)主要決定于屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度和斷裂抗力斷裂抗力。 前者決定了塑變擴(kuò)展開(kāi)始點(diǎn)，后者決定了塑變擴(kuò)展終止點(diǎn)。就缺口形狀來(lái)說(shuō)，缺口越尖銳，ls曲線

11、就越陡，塑性變形向內(nèi)擴(kuò)展程度就越小，脆化傾向越大，反之，則脆化傾向減小。v基于以上缺口對(duì)塑性變形的影響，實(shí)際生產(chǎn)中在機(jī)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能應(yīng)盡可能地增大缺口曲率半徑地增大缺口曲率半徑，以降低應(yīng)力以降低應(yīng)力集中系數(shù)和集中系數(shù)和ls曲線的斜率曲線的斜率；選材時(shí)不應(yīng)盲目追求高強(qiáng)度材料，而應(yīng)注意足夠的塑性配合，從而減小脆化傾向和脆斷危險(xiǎn)。 mNKmNKvNeber關(guān)系式 常數(shù)常數(shù)2tKKKmmtNNK2Neber關(guān)系的應(yīng)用-確定二、缺口拉伸及斜拉伸實(shí)驗(yàn)二、缺口拉伸及斜拉伸實(shí)驗(yàn) v缺口對(duì)靜拉伸力學(xué)性能的影響要視材料在光滑試樣拉伸時(shí)的變形能力及缺口形狀而定。v材料的屈服強(qiáng)度和斷裂抗力不同，變形能力不同，且缺口曲率半徑不同，ls曲線斜率也不同，從而使缺口試樣的屈服強(qiáng)度和斷裂抗力與光滑試樣的不相等。v缺口的應(yīng)力集中和三向應(yīng)力狀態(tài)均與缺口幾何形狀有關(guān)。應(yīng)力集中對(duì)缺口曲率半徑很敏感，而缺口深度影響三向應(yīng)力狀態(tài)。v鑒于此，用缺口試樣來(lái)考查缺口對(duì)拉伸性能的影響時(shí)，試樣的缺口形狀和尺寸應(yīng)該有所規(guī)定，以使數(shù)據(jù)有可比性。常用的缺口試樣見(jiàn)P44圖3.15。v注意：與缺口試樣對(duì)比的光滑試樣，直徑應(yīng)等于缺口直徑，且應(yīng)熱處理之后加工缺口。Fig.3.15缺口拉伸試樣O604