第二章 金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能

材料性能學(xué)第二章金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能王炳英辦公室：D座504室手機(jī)mail:tdwby2004@126.com試驗(yàn)方法的目的

1.設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)承受軸向壓縮、彎矩或扭矩作用螺紋、孔洞、臺(tái)階等應(yīng)力集中部位，測(cè)定相應(yīng)承載條件下的力學(xué)性能指標(biāo)。2.不同的加載方式引起不同的應(yīng)力狀態(tài)不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)方法所表現(xiàn)出來的彈性變形、塑性變形和斷裂行為不完全相同。主要內(nèi)容硬度扭轉(zhuǎn)彎曲壓縮應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)缺口試樣靜載荷試驗(yàn)§2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大切應(yīng)力理論：τmax=(σ1-σ3)/2相當(dāng)最大正應(yīng)力理論：σmax=σ1-υ(σ2+σ3)切應(yīng)力

塑性變形和韌性斷裂正應(yīng)力脆性解理斷裂變形和斷裂方式主要與承載條件下應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)不同的應(yīng)力狀態(tài)，其σmax和τmax不一樣α越大，切應(yīng)力分量越大，應(yīng)力狀態(tài)越“軟”，易塑變和韌斷α越小，正應(yīng)力分量越大，應(yīng)力狀態(tài)越“硬”，易脆性斷裂應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)思考：（1）預(yù)考查脆性材料的塑性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，α取大還是取小？（2）預(yù)考查塑性材料的脆性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，α取大還是取??？取大取小§2.2壓縮(1)α=2(單向)，脆性材料，在韌性狀態(tài)下的力學(xué)行為。(2)塑性材料不用此法(3)多向不等壓縮α＞2，適用于脆性更大的材料一、壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)壓縮拉伸脆性材料塑性材料二、壓縮試驗(yàn)（GB/T7314-2005）試樣：圓柱形或板狀尺寸：長(zhǎng)度=直徑或邊長(zhǎng)的2.5~3.5倍根據(jù)壓縮曲線，獲得壓縮強(qiáng)度和塑性指標(biāo)σbc=Fbc/A0§2.3彎曲(1)彎曲試驗(yàn)的試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便，不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣偏斜對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并可用試樣彎曲的撓度顯示材料的塑性。(2)表面上應(yīng)力最大，反映表面缺陷。常用來比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。(3)不能使塑性材料斷裂，很少使用。一、彎曲試驗(yàn)特點(diǎn)二、彎曲試驗(yàn)（GB/T14452-92）試樣：圓柱或方形試樣，三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲加載記錄：載荷F（或彎矩M）和試樣撓度fF-fmax彎曲圖規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力σpb:試樣彎曲時(shí)外側(cè)表面上的非比例彎曲應(yīng)變達(dá)到規(guī)定值時(shí)，按公式計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力。σpb0.01或σpb0.02抗彎強(qiáng)度σbb：試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的最大彎曲力W—試樣抗彎截面系數(shù)；M—最大彎矩彎曲彈性模量斷裂撓度fbb斷裂能量U圖2-5彎曲力-撓度曲線脆性或低塑性材料§2.4扭轉(zhuǎn)一、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)(1)α=0.8(2)精確評(píng)定高塑性材料的形變能力和形變抗力(3)能敏感的反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能(4)σ≈τ，σc＞τf，測(cè)定材料切斷抗力最可靠的方法(5)由扭轉(zhuǎn)斷口特征，區(qū)分正斷或切斷圖2-7扭轉(zhuǎn)試樣的宏觀斷口(a)切斷斷口(b)正斷斷口(c)木紋狀斷口(a)斷裂面與試樣軸線垂直，斷口平整，有回旋狀塑性變形痕跡，切應(yīng)力造成的切斷；(b)脆性材料的斷裂面與試樣軸線成45°角，呈螺旋狀，這是正應(yīng)力作用下產(chǎn)生的正斷；(c)斷裂面順著試樣軸線形成縱向剝層或裂紋，因?yàn)榻饘僦写嬖谳^多的非金屬夾雜物或偏析，并在軋制過程中使其沿軸向分布，從而降低了試樣軸向的切斷抗力而造成的。二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)（GB/T10128-1998）試樣：d0=10mm，L0=50或100mm扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)圖扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)切應(yīng)力和切應(yīng)變?chǔ)?T/WT—扭矩，W—截面系數(shù)（πd03/16）

切變模量扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度扭矩-扭角（T-φ）扭矩-扭角曲線§2.5缺口試樣的靜載荷試驗(yàn)實(shí)際機(jī)件，截面存在突變，如鍵槽、螺紋等“缺口”→應(yīng)力狀態(tài)變化→“缺口效應(yīng)”。一、缺口效應(yīng)（1）缺口造成應(yīng)力應(yīng)變集中

應(yīng)力集中系數(shù)，Kt決定于缺口形狀、角度、深度及根部曲率半徑（2）缺口改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)單向→兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)只有兩個(gè)方向上存在應(yīng)力的狀態(tài)——平面應(yīng)力狀態(tài)σy＜σs存在σx，σz=0縱向伸長(zhǎng)→橫向縮短金屬變形連續(xù)性要求的結(jié)果平面應(yīng)變狀態(tài)缺口第一效應(yīng)：引起應(yīng)力集中，改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使缺口試樣或機(jī)件中所受的應(yīng)力，由原來的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)。Z向收縮受約束，產(chǎn)生σz厚板缺口內(nèi)側(cè)為三相拉伸的平面應(yīng)變狀態(tài)，且σy>

σz>σx（3）缺口使塑性材料得到“強(qiáng)化”缺口附近：應(yīng)力集中→造成塑性變形區(qū)擴(kuò)大→試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時(shí)高→“缺口強(qiáng)化”三向拉應(yīng)力狀態(tài)約束塑性變形，塑性降低，材料變脆缺口第二個(gè)效應(yīng)：缺口使塑性材料強(qiáng)度增高，塑性降低。評(píng)價(jià)：缺口軸向拉伸、偏斜拉伸和缺口彎曲試驗(yàn)二、缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)1.軸向拉伸缺口敏感度NSR（NotchSensitivityRatio）NSR越大缺口敏感性越小(1)脆性材料，NSR遠(yuǎn)小于1，對(duì)缺口非常敏感(2)高強(qiáng)度材料，NSR＜1，敏感(3)塑性材料，NSR＞1，不敏感缺口試樣拉伸強(qiáng)度光滑試樣拉伸強(qiáng)度2.偏斜拉伸傾斜角α（0°

、4°

、8°

）

(σbN，σ4bN，σ8bN)高強(qiáng)度螺栓拉伸和彎曲復(fù)合，應(yīng)力狀態(tài)更硬三、缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)

缺口試樣靜彎曲曲線(F~f曲線)Ⅰ：彈性功Ⅱ：塑性功Ⅲ：斷裂功斷裂功的大小取決于材料塑性，塑性好的材料裂紋擴(kuò)展慢，斷裂功增大，因此可用斷裂功或Fmax/F1的比值表示金屬的缺口敏感度。斷裂功或Fmax/F1大，缺口敏感性??；反之，缺口敏感性大。§2.6硬度1.硬度的意義定義：表征材料軟硬程度的一種性能硬度試驗(yàn)方法：彈性回跳法，壓入法，劃痕法一、意義及硬度實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)金屬彈性變形功塑性變形及應(yīng)變硬化能力切斷強(qiáng)度2、硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)α>2，可測(cè)定任何材料的硬度。硬度高，材料的耐磨性好。硬度和強(qiáng)度往往有一定的關(guān)系。不需專門制作試樣，不破壞零件，設(shè)備簡(jiǎn)單，測(cè)量迅速。二、硬度試驗(yàn)（1）布氏硬度HB適用于退火狀態(tài)下的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地較軟的軸承合金。鋼球：HBS＜450HB硬質(zhì)合金球：HBW＜650HB球面壓痕單位面積上所承受的平均力布氏硬度試驗(yàn)（GB/T231.1-2002）布氏硬度計(jì)布氏硬度壓痕表示:例:120HBS10/1000/30

表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。

數(shù)字+HBW(或HBS)+數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字布氏硬度值球體直徑/載荷/載荷保持時(shí)間

壓痕幾何相似原理，壓入角不變布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及過硬的材料HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB鑄鐵：b(MPa)≈1HB

或b(MPa)≈0.6(HB-40)（2）洛氏硬度試驗(yàn)（GB/T230.1-2004）測(cè)量殘余壓入深度h表示硬度值金剛石壓頭k取0.2淬火鋼球k取0.26定義：每0.002mm相當(dāng)于洛氏1度根據(jù)壓頭和載荷：常用B、C、A三種①HRB－－淬火鋼球，中等載荷，測(cè)輕金屬，未淬火鋼②HRC－－120°金剛石圓錐，大載荷，測(cè)較硬，淬硬鋼制品③HRA－－120°金鋼石圓錐，小載荷，測(cè)硬、薄試件表示：數(shù)字（硬度值）+標(biāo)尺

60HRC洛氏硬度壓痕表面洛氏硬度試驗(yàn)與普通洛氏硬度的不同點(diǎn)：預(yù)載荷為3kgf(29.42N)，總載荷比較小,分別為15kgf，30kgf和45kgf(441.3N)取k＝0.1mm時(shí)的洛氏硬度為零，深度每增大0.001mm,表面洛氏硬度降低一個(gè)單位。45HR30N：金剛石圓錐體，載荷294N，測(cè)得的硬度為45；80HR30T：Φ1.588mm鋼球，載荷294N，測(cè)得的硬度為80洛氏硬度測(cè)量（3）維氏硬度（GB/T4340.1-1999）α為136°金剛石四棱錐體四方錐形的壓痕測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度取平均硬薄層工件表示：640HV30（4）顯微硬度HV原理及壓頭等與維氏硬度相同載荷以g計(jì)算測(cè)量組織中某一相硬度其它硬度測(cè)試方法與顯微硬度相比有兩點(diǎn)不同：(1)四棱錐金剛石壓頭對(duì)面角分別為172°30′和130°，棱形壓痕，l/w為7.11(2)硬度值是力除以壓痕投影面積。努氏硬度肖氏硬度：根據(jù)重錘回跳的高度來表征硬度值的大小里氏硬度：用沖頭（碳化鎢球）的回彈速度表征金屬的硬度值常用硬度的比較壓頭載荷kgf硬度范圍HBS鋼球≤3000≤450HBW硬質(zhì)合金球≤