材料力學(xué)金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能

1、會(huì)計(jì)學(xué)1材料力學(xué)金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性材料力學(xué)金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能能OABCDes (0.2)bp稱為彈性極限s稱為屈服應(yīng)力0.2規(guī)定殘余應(yīng)變的0.2%時(shí)的工程應(yīng)力b稱為強(qiáng)度極限線性彈性變形非線性彈性變形加工硬化頸縮階段屈服初始試件彈性變形非線性彈性變形屈服平臺(tái)塑性變形斷裂4研究的目的：1）實(shí)際的服役工礦下，零部件除了受拉伸之外，還要受其他靜載荷的作用，如：壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)以及還有帶缺口的零部件。則必須研究材料在其它載荷作用下的力學(xué)性能指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)。2）不同的加載方式在零部件中將產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)，而金屬材料在不同的應(yīng)力狀態(tài)下所表現(xiàn)出的力學(xué)行為將不一樣。3）金屬硬度實(shí)

2、驗(yàn)方法在工業(yè)生產(chǎn)及科研中應(yīng)用極為廣泛，其測(cè)試方法也屬于靜載壓入實(shí)驗(yàn)。原因：切應(yīng)力：引起金屬材料產(chǎn)生塑性變形以及韌性斷裂。正應(yīng)力：引起金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂。硬硬 度度扭扭 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎彎 曲曲壓壓 縮縮應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)缺口試樣靜載荷試驗(yàn)缺口試樣靜載荷試驗(yàn)kmaxmaxk材料在受到載荷作用時(shí)(單向拉伸)，231 max最大切應(yīng)力理論：)(321max最大正應(yīng)變理論：泊松比產(chǎn)生切斷產(chǎn)生正斷在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下（用三個(gè)主應(yīng)力表示成1、2、 3 ） 由上兩式可以看出，受力狀態(tài)不同，1 2 3 不同，max和max會(huì)變化，為了表示不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料塑性變形的影響，特引入應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 。max1

3、3max1232() 2-1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)25. 0鋼鐵材料取定義：在任何應(yīng)力狀態(tài)下最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值。應(yīng)力狀態(tài)越軟，金屬易于產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂應(yīng)力狀態(tài)越硬，金屬不易產(chǎn)生塑性變形，易于產(chǎn)生脆性斷裂注意：的絕對(duì)值僅用于比較不同試驗(yàn)方法應(yīng)力狀態(tài)的軟硬程度，不能用于定量的評(píng)價(jià)材料的塑性變形特征。72-1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)8&思考：（1）預(yù)考查脆性材料的塑性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)取大還是取??？（2）預(yù)考查塑性材料的脆性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)取大還是取小？1 1 壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)2壓縮可以視為反向拉伸，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

4、式，在壓縮試驗(yàn)中基本上都能應(yīng)用。1 1 壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)2 2 壓縮實(shí)驗(yàn)壓縮實(shí)驗(yàn)壓縮試樣為圓柱體、立方體或棱柱體；試樣的高度和直徑比 應(yīng)取2.5-3.5；試件的兩端面必須光滑平整，相互平行，并涂潤(rùn)滑油或石墨粉進(jìn)行潤(rùn)滑； 2 2 壓縮實(shí)驗(yàn)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F-h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)右圖。2 2 壓縮實(shí)驗(yàn)壓縮實(shí)驗(yàn)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）： v相對(duì)壓縮率：v相對(duì)斷面擴(kuò)展率：其中， 為試件壓縮斷裂時(shí)的載荷； 和 為試件的原始高度和斷裂時(shí)的高度；

5、 和 為試件的原始截面積和斷裂時(shí)的截面積。0F /bcbcA%100)(00hhhKck%100)(00AAAKckFbc0h0h0AkA2 2 壓縮實(shí)驗(yàn)壓縮實(shí)驗(yàn)圓環(huán)試件；試件需保持圓整度；表面無(wú)傷痕且壁厚均勻。 壓環(huán)強(qiáng)度：壓環(huán)強(qiáng)度： 試件斷裂時(shí)1-1截面上的 最大拉應(yīng)力 其中， 為試件壓斷時(shí)的載荷，D為壓環(huán)外徑，t為試件壁厚，L 為試件寬度。rp2 2 壓縮實(shí)驗(yàn)壓縮實(shí)驗(yàn)管試件；試件需保持圓整度；表面無(wú)傷痕且壁厚均勻。H=2D 象足膨脹z應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變特點(diǎn)：應(yīng)變特點(diǎn)： 桿件截面上應(yīng)力分布不均勻，呈線性分布規(guī)律，即：表面最大，中心為零。其整個(gè)橫截面上的應(yīng)力為正應(yīng)力。 MM中性層 O縱向?qū)ΨQ面zy

6、1 1 彎曲實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)不受試樣偏斜的影響，可以穩(wěn)定地測(cè)定脆不受試樣偏斜的影響，可以穩(wěn)定地測(cè)定脆性材料和低塑性材料的抗彎強(qiáng)度性材料和低塑性材料的抗彎強(qiáng)度，并能由撓度明顯地顯示脆性和低塑性材料的塑性。如鑄鐵、工具鋼、陶瓷等。彎曲實(shí)驗(yàn)不能使塑性很好的材料破壞，不能測(cè)定其不能使塑性很好的材料破壞，不能測(cè)定其斷裂彎曲強(qiáng)度斷裂彎曲強(qiáng)度，但可以比較一定彎曲條件下不同材料的塑性。彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣斷面上的應(yīng)力分布是不均勻的，表表面應(yīng)力最大面應(yīng)力最大，依此可以較靈敏地反映材料的表面缺可以較靈敏地反映材料的表面缺陷陷，以檢查材料的表面質(zhì)量。2 2 彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)2 2 彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)彎曲試件

7、：矩形截面、圓形截面彎曲試件的最大撓度 表示材料的變形性能加載方式：三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲maxf2 2 彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)v彎曲圖通過(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 k2 2 彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)2 2 彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)的應(yīng)用彎曲試驗(yàn)的應(yīng)用（1）灰鑄鐵抗彎強(qiáng)度的測(cè)定 采用鑄態(tài)毛坯圓柱試樣，加載速度小于0.1mm/s。（2）測(cè)定硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度 采用方形或矩形截面的小尺寸試件，

8、常用規(guī)格：5mm 5mm 30mm，跨距24mm（3）陶瓷材料抗彎強(qiáng)度測(cè)定 采用方形或矩形截面的試件。 注意：同一材料多次測(cè)量求平均值1 1 應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變分析應(yīng)變分析（1）彈性變形階段，橫截面上各點(diǎn)切應(yīng)力大小與該點(diǎn)距中心。與試樣軸線成45度角的兩個(gè)斜截面上承受最大拉應(yīng)力。（2）表面產(chǎn)生塑性變形后，各點(diǎn)切應(yīng)力仍與距中心的距離成正比，但切應(yīng)力水平卻因塑性變形而降低。2 2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)特點(diǎn)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)特點(diǎn)1. 應(yīng)力狀態(tài)的軟性系數(shù) ?？蔀槔鞂?shí)驗(yàn)時(shí)表現(xiàn)為脆性的材料測(cè)定有關(guān)塑性變形的抗力指標(biāo)。 2. 圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)度上始終是均勻的塑性變形，不產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象。故此，可精確評(píng)定拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)頸縮

9、的高塑性金屬材料的變形能力與抗力指標(biāo)。 3. 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)是測(cè)定材料切斷抗力的最可靠的方法（因?qū)嶒?yàn)時(shí)正應(yīng)力正應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)力）。 4. 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)可明確區(qū)分金屬材料的最終斷裂方式：正斷與切斷，這是其他試驗(yàn)方式不能比的。 5. 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)可以靈敏地反映材料的表面缺陷。0.83 3 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)v切變模量：切變模量：v扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)：扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)：v抗扭強(qiáng)度：抗扭強(qiáng)度：式中：式中：W試樣截面系數(shù)，對(duì)于圓柱試樣試樣截面系數(shù)，對(duì)于圓柱試樣v扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)一般常用圓柱試樣在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)一般常用圓柱試樣在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。v根據(jù)每一時(shí)刻加于試樣上的扭矩根據(jù)每一時(shí)刻加于試樣上的扭矩 T和扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角 繪制成

10、的繪制成的T-曲線曲線 稱稱扭轉(zhuǎn)圖扭轉(zhuǎn)圖。 3 3 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)04032 TLGd /ssTW/bbTW扭轉(zhuǎn)試樣的斷口形態(tài)扭轉(zhuǎn)試樣的斷口形態(tài) 對(duì)塑性材料和脆性材料來(lái)說(shuō)，都可在扭轉(zhuǎn)載荷下發(fā)生斷裂，其斷裂方式有以下幾種：v切斷斷口：是切應(yīng)力作用下的切斷，斷口平整、垂直于試樣的軸向，斷面上有回旋狀的塑變痕跡。v正斷斷口：是正應(yīng)力作用下的正斷，斷面與試樣軸線約成 角，斷口呈螺旋狀或斜劈形狀。v混合斷口：一般是由于鍛造或軋制過(guò)程中使非金屬夾雜物或偏析物沿軸向分布，降低了軸向切斷抗力，形成縱向和橫向組合的斷口，呈層狀。 45縱臂被左右起縱臂被左右起伏的路面產(chǎn)生伏的路面產(chǎn)生的扭力扭斷。的扭力扭斷。今年

11、以來(lái)，有關(guān)大眾速騰后懸掛斷裂的車主投訴不絕于耳，在多家媒體的持續(xù)關(guān)注下，一汽大眾終于做出妥協(xié)于10月下旬宣布自2015年2月2日起在中國(guó)召回裝配了耦合桿式后懸架的563605輛新速騰并安裝金屬襯板。由于缺口的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生“缺口效應(yīng)”。 拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等靜載荷試驗(yàn)方法，都是采用橫截面均勻的光滑試樣。但在實(shí)際生產(chǎn)中的機(jī)件，截面上往往存在截面的急劇變化，如鍵槽、油孔、螺紋及焊縫等，這種截面變化的部位可稱為“缺口”。35maxtK應(yīng)力集中系數(shù)（一）缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布（薄板） 在拉應(yīng)力的作用下，缺口的存在使橫截面上的應(yīng)力分布不均勻：l 軸

12、向應(yīng)力y分布：y在缺口根部最大，隨著距離x ，y ，所以在缺口根部產(chǎn)生了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。l 橫向應(yīng)力x分布：缺口根部可自由變形，x=0，遠(yuǎn)離x軸，變形阻力增大， x，達(dá)到一定距離后，由于y導(dǎo)致x 。36 與薄板相比， 厚板在垂直于板厚方向的收縮變形受到約束，即：01()()zzzxyzxyyzxE （一）缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布（厚板）37屈雷斯加的屈服條件為屈雷斯加的屈服條件為: : 所以，當(dāng)缺口尖端出現(xiàn)塑性變形后，最大應(yīng)力已不在缺口根部，而在所以，當(dāng)缺口尖端出現(xiàn)塑性變形后，最大應(yīng)力已不在缺口根部，而在其塑性變形與彈性變形的交界處其塑性變形與彈性變形的交界處r ry y，該處，該處 y

13、 y最大，所以最大，所以 x x 、 z z也最大。也最大。s = max = y- x在缺口根部在缺口根部 x= 0,0,所以所以max= y= s 遠(yuǎn)離缺口根部由于遠(yuǎn)離缺口根部由于 x的存在的存在, , max= y - x = s；y = s + x 如果滿足這一條件，屈服將由表面向心部如果滿足這一條件，屈服將由表面向心部擴(kuò)展。擴(kuò)展。 z = v(y + x) 并且，隨塑性變形區(qū)尺寸的增加，其最大應(yīng)力處也將向心部移動(dòng)，但并且，隨塑性變形區(qū)尺寸的增加，其最大應(yīng)力處也將向心部移動(dòng)，但始終在其塑性變形與彈性變形的交界處，以及最大應(yīng)力值也將增加。始終在其塑性變形與彈性變形的交界處，以及最大應(yīng)力值

14、也將增加。2-5 2-5 缺口試樣靜載荷試驗(yàn)缺口試樣靜載荷試驗(yàn)（一）缺口試樣在塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布（厚板）39（二）缺口強(qiáng)化2-5 2-5 缺口試樣靜載荷試驗(yàn)缺口試樣靜載荷試驗(yàn)（三）缺口試樣靜拉伸實(shí)驗(yàn)通常用缺口強(qiáng)度比作為衡量靜拉伸下缺口敏感度指標(biāo)： NSR=bn/bNSR屬安全力學(xué)性能指標(biāo)。NSR越大缺口敏感度越小，對(duì)于脆性材料如鑄鐵，高碳鋼，其NSR2，幾乎所有的材料都能產(chǎn)生塑性變形。 刻劃法：莫氏硬度。表征材料對(duì)切斷的抗力。 回跳法：肖氏硬度。表征金屬?gòu)椥宰冃喂Φ拇笮　?同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一材料進(jìn)行標(biāo)定?？虅澐ㄅ袛嗖牧系挠捕?。世界最大雕琢后的鉆石530ct彈性

15、回跳法判斷材料的硬度。肖氏硬度計(jì)適用于測(cè)定黑色金屬和有色金屬的肖氏硬度值。用于測(cè)定橡膠、塑料、金屬材料等的硬度。在橡膠、塑料行業(yè)中常稱作邵氏硬度。里氏硬度計(jì)里氏硬度計(jì)采用一定大小的載荷F，把直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測(cè)金屬表面，保持一定時(shí)間卸載，然后計(jì)算出金屬表面壓痕陷入面積S上的名義平均應(yīng)力值，記為布氏硬度。符號(hào)為HBS（鋼球）或HBW（硬質(zhì)合金球）。一、布氏硬度一、布氏硬度v可見(jiàn)：在F和D一定時(shí)，h大則說(shuō)明材料的變形抗力低，硬度值??；反之，h小則說(shuō)明材料變形抗力高，硬度值大。v直觀上，測(cè)量壓痕表面圓的直徑d要比測(cè)壓痕深度h更方便。由D、d、h三者之間的幾何關(guān)系可得： 因此，在一定的F

16、和D下，布氏硬度值只與壓痕直徑d有關(guān)。 221/ 22()FHBSHBWD DDd或/HBSHBWF SFDh或2-5 材料的硬度材料的硬度一、布氏硬度一、布氏硬度)2sin11 (2HBW2DFHBS 或2/F D2-5 材料的硬度材料的硬度一、布氏硬度一、布氏硬度問(wèn)題：選擇多大的 ？v 大，那么壓痕深；否則，壓痕淺。v 對(duì)于布氏硬度測(cè)量，希望硬度不要太深，也不要太淺。因此對(duì)硬的材料， 大一些，對(duì)軟的材料， 小一些。v 試驗(yàn)表明，壓痕太深、太淺測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性都不好，大量試驗(yàn)表明，在下面的試驗(yàn)條件下，測(cè)量結(jié)果最為穩(wěn)定：v 當(dāng)2DF2DF2DF2DFODdD6029, 5 . 0sin25. 0

17、,5 . 025. 0O即即時(shí)，測(cè)試效果最好。O5 .442-5 材料的硬度材料的硬度一、布氏硬度一、布氏硬度v載荷、壓頭直徑、保持時(shí)間是布氏硬度試驗(yàn)三要素。v150HBS10/1000/30表示：硬度150，S表示采用淬火鋼球；10表示壓頭直徑10mm，1000表示載荷為1000Kg，30表示載荷保持時(shí)間為30sv200HBW10/3000/10表示：硬度200，硬質(zhì)合金鋼球；壓頭直徑10mm，載荷3000Kg，載荷保持時(shí)間10s。2-5 材料的硬度材料的硬度一、布氏硬度一、布氏硬度優(yōu)點(diǎn)：v壓痕面積大，反映較大范圍內(nèi)材料的硬度性能v試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好，應(yīng)用廣泛v適用于晶粒粗大、相組成復(fù)雜

18、、相尺寸較大的材料缺點(diǎn)：v為保證數(shù)據(jù)可靠，需根據(jù)材料的種類和試樣的厚薄更換壓頭。d=0.240.6D，h小于1/8厚度。v屬有損檢測(cè)，壓痕較大，不能在成品表面進(jìn)行檢測(cè)v試驗(yàn)操作和壓痕測(cè)量費(fèi)時(shí)，工作效率低，不能連續(xù)檢測(cè)，在大批量生產(chǎn)檢驗(yàn)時(shí)不宜使用一、布氏硬度一、布氏硬度誤差小于8%1200F1F01FFF2-5 材料的硬度材料的硬度二、洛氏硬度二、洛氏硬度0.002khHR2-5 材料的硬度材料的硬度不同壓頭和施加不同的總壓力，組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺。常用A、B和C三種標(biāo)尺，C標(biāo)尺最普遍。用這三種標(biāo)尺的硬度記為HRA、HRB和HRC。61缺點(diǎn): 1）不同標(biāo)尺的洛氏硬度值無(wú)法相互比較。 2）由于壓

19、痕小，所以洛氏硬度對(duì)材料組織不均勻性很敏感，測(cè)試結(jié)果比較分散，重復(fù)性差. 3）試驗(yàn)力較大，不能用來(lái)測(cè)定極薄試樣、滲氮層及金屬鍍層。洛氏硬度的表示方法洛氏硬度的表示方法: : 60HRC60HRC62001. 0ekHR 1)載荷小。預(yù)載荷為3kgf(29.42N)，總載荷分別為15kgf，30kgf和45kgf(441.3N)。 2)計(jì)算公式為： 3)表示方法：硬度值HR表面硬度標(biāo)尺符號(hào) 與洛氏硬度試驗(yàn)的主要不同點(diǎn)： 如：70HR30N。表示用294.2N(30公斤)的總載荷、金剛石圓錐壓頭測(cè)得的表面洛氏硬度值為70。64洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕三、維氏硬度三、維氏硬度則相應(yīng)的維氏硬度值為：式中：d壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度，mm。注意：此式中F的單位為kgf。 22/2sin68/1.8544Sdd22/1.8544 /(/)HVF SF d kgf mm 根據(jù)材料種類、硬度選擇合適的載荷載荷、保壓時(shí)間。保壓時(shí)間。 測(cè)試壓痕對(duì)角線直徑。 計(jì)算維氏硬度。注意壓痕形狀需要在下圖a中為最佳維氏硬度測(cè)試方法維氏硬度測(cè)試方法2-5 材料的硬度材料的硬度操作不如洛氏硬度簡(jiǎn)便，不適宜成批生產(chǎn)的質(zhì)操作不如洛氏硬度簡(jiǎn)便，不適宜成批生產(chǎn)的質(zhì)量檢驗(yàn)。量檢驗(yàn)。2-5 材料的硬度材料的硬度顯微維氏硬度顯微維氏硬度2-5 材料的硬度材料的硬度熱軋后表面的脫碳層按GB/T3077