金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能

金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四1引言主要指：壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、硬度和帶缺口試樣力學(xué)性能。

原因：

零部件在使用過程中將承受不同類型的外應(yīng)力；零件內(nèi)部存在不同的應(yīng)力狀態(tài)。第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2§2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)任何復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)可用三個(gè)主應(yīng)力σ1，σ2和σ3來表示最大切應(yīng)力τmax=(σ1-σ3）/2最大正應(yīng)力σ

max=σ1-v(σ2+σ3）第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四3切應(yīng)力是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，只有切應(yīng)力才能引起材料的塑形變形，而位錯(cuò)在障礙物面前的塞積可以引起裂紋的萌生和發(fā)展，所以切應(yīng)力對(duì)材料的變形和開裂都起作用。而拉應(yīng)力（正應(yīng)力）只促進(jìn)材料的斷裂。近似地講，切應(yīng)力促進(jìn)塑形變形，使材料傾向于韌性斷裂；而拉應(yīng)力促進(jìn)斷裂，使材料傾向于脆性斷裂。第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四4

1、應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α（柔度系數(shù)）

應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α定義為：

式中,最大切應(yīng)力τmax按第三強(qiáng)度理論計(jì)算，即τmax=1/2(σ1-σ3)，σ1，σ3分別為最大和最小主應(yīng)力。最大正應(yīng)力Smax按第二強(qiáng)度理論計(jì)算，即,

ν——泊松系數(shù)。第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5

單向拉伸α=1/2

扭轉(zhuǎn)α=1/（1+ν）≈0.8

單向壓縮α=1/（2ν）≈2

應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α表示材料塑性變形的難易程度。

α越大表示在該應(yīng)力狀態(tài)下切應(yīng)力分量越大，材料就越易塑性變形。

∴把α值較大的稱做軟的應(yīng)力狀態(tài)，α值較小的稱做硬的應(yīng)力狀態(tài)。第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四62、力學(xué)狀態(tài)圖力學(xué)狀態(tài)圖以第二強(qiáng)度理論和第三強(qiáng)度理論兩者的聯(lián)合為基礎(chǔ)，縱坐標(biāo)為按第三強(qiáng)度理論計(jì)算最大切應(yīng)力，橫坐標(biāo)為按第二強(qiáng)度理論計(jì)算最大正應(yīng)力。

自原點(diǎn)作不同斜率的直線，可代表應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α，這些直線的位置反映了應(yīng)力狀態(tài)對(duì)斷裂的影響。

返回第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四7§2.2壓縮一、材料壓縮的特點(diǎn)

應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α=2，即應(yīng)力狀態(tài)軟，∴材料易產(chǎn)生塑性變形。

軟鋼易壓縮成腰鼓狀、扁餅狀。

鑄鐵拉伸時(shí)斷口為正斷；壓縮時(shí)沿45o方向切斷。

第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四8二、壓縮實(shí)驗(yàn)

塑性材料：在壓縮試驗(yàn)時(shí)，只發(fā)生壓縮變形而不斷裂；脆性材料：在拉伸試驗(yàn)時(shí)，正斷，幾乎不發(fā)生塑性變形；在壓縮試驗(yàn)時(shí)，能產(chǎn)生塑性變形，切斷（沿與軸線成45o的方向斷裂）第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四9壓縮試驗(yàn)要求：1.試驗(yàn)橫截面為圓形或正方形，長度一般為直徑的2.5-3.5之間。2.可測定材料的抗壓強(qiáng)度σbc(試樣壓至破壞過程中的最大應(yīng)力）Fbc:最大的壓縮力第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四10

為了減小試樣在壓縮過程呈腰鼓狀的趨勢，試樣的兩端需加工成具有α角度的凹圓錐面，以便使試樣能均勻變形。

返回第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四11§2.3彎曲一、彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)

彎曲試驗(yàn)常用于測定脆性材料的力學(xué)性能。（1）正應(yīng)力上表面為壓應(yīng)力，下表面為拉應(yīng)力；

（2）表面應(yīng)力最大，中心的為零；可反映材料表面缺陷，用途：比較和鑒別滲碳和表面淬火等化學(xué)熱處理和表面熱處理的質(zhì)量和性能。

（3）力點(diǎn)處的作用力最大；

第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四12二、彎曲試驗(yàn)（1）抗彎強(qiáng)度

M為最大彎矩，W為抗彎截面系數(shù)。第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四13三點(diǎn)彎曲彎矩M=FL/4直徑為d的圓形試樣,抗彎截面系數(shù)W=（πd3）/32對(duì)于寬度為b，高為h的矩形試樣，抗彎截面系數(shù)W=bh2/6；四點(diǎn)彎曲M=FL/2

（2）撓度

試樣斷裂之前被壓下的最大距離。通過記錄彎曲力F和試樣撓度f之間的關(guān)系，求出斷裂時(shí)的抗彎強(qiáng)度和最大撓度，以表示材料的強(qiáng)度和塑性。

韌性材料一般不作彎曲強(qiáng)度檢測。

返回第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四14第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四15§2.4扭轉(zhuǎn)一、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)1、特點(diǎn)

（1）應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8，能檢測在拉伸時(shí)呈脆性的材料的塑性性能。

（2）長度方向，宏觀上的塑性變形始終是均勻的。沒有縮頸現(xiàn)象，所以能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的實(shí)驗(yàn)。（3）能敏感地反映材料表面的性能（表面缺陷和表面硬化層）

第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四16（4）斷口的特征最明顯（正斷、切斷、層狀斷口等）塑性材料：斷口平整，有回旋狀塑性變形。脆性材料：斷裂面與試樣軸線成45o角，呈螺旋狀；木紋狀（層狀）斷口：由于金屬中存在較多的非金屬的夾雜物或偏析。降低了試樣軸向切斷強(qiáng)度度造成的。第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四172、應(yīng)力狀態(tài)

縱向受力均勻；

橫向表面最大，心部為0；最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力相等。第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四18二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)試樣在彈性范圍內(nèi)表面的切應(yīng)力和切應(yīng)變：第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四19（1）切變模量G在彈性范圍內(nèi)，切變力與切應(yīng)變的比值稱為切變模量。（2）扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四20（3）抗扭強(qiáng)度Tb試樣在扭斷前承受的最大扭矩W試樣抗扭截面系數(shù)第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四21§2.5帶缺口試樣靜載荷試驗(yàn)一、問題的提出

零件上有螺紋、鍵槽、油孔、退刀槽，焊縫等溝槽。

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)生所謂的“缺口效應(yīng)”從而影響金屬材料的力學(xué)性能。第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四22二、缺口效應(yīng)

1、理論應(yīng)力集中系數(shù)：缺口引起的應(yīng)力集中的程度

Kt=σmax/σ

σmax缺口凈截面上的最大應(yīng)力σ平均應(yīng)力Kt值與材料性質(zhì)無關(guān)，只取決于缺口的幾何形狀。

第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四23σz=0σx=0(x=0)2、拉伸時(shí)，缺口試樣上的應(yīng)力分布

（1）彈性狀態(tài)下第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四24缺口的第一個(gè)效應(yīng)是引起應(yīng)力集中，并改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)。第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四25塑性較好的材料，若根部產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力將重新分布，并隨載荷的增大，塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至整個(gè)截面。

應(yīng)力最大處則轉(zhuǎn)移到離缺口根部ry距離處。σy，σx，σz均為最大值。

隨塑性變形逐步向試樣內(nèi)部轉(zhuǎn)移，各應(yīng)力峰值越來越大。試樣中心區(qū)的σy最大。

∴出現(xiàn)“缺口強(qiáng)化”（三向拉應(yīng)力約束了塑性變形）

強(qiáng)度提高，塑性降低，是缺口的第二個(gè)效應(yīng)。（2）塑性狀態(tài)下第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四26三、缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)

1、方法

缺口試樣，軸向拉伸和偏斜拉伸兩種。通常用缺口強(qiáng)度比NSR(NotchStrengthRatio)作為衡量靜拉伸下缺口敏感度指標(biāo)：

NSR=σbn/σb

σbn：標(biāo)用缺口的抗拉強(qiáng)度；σb：等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度NSR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NSR<1，說明這些材料對(duì)缺口很敏感。塑性材料的NSR>1.

第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四27偏斜拉伸，α=4o和8o，試樣承受拉伸和彎曲。試樣同時(shí)承受拉伸和彎曲載荷復(fù)合作用，缺口截面上的應(yīng)力分布更不均勻，因而更能顯示材料對(duì)缺口的敏感性。第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四282、斷口

由于缺口的存在，裂紋源一般在缺口處，然后向內(nèi)部擴(kuò)展，一般不存在剪切唇。

第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四29四、缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)

缺口試樣的靜彎試驗(yàn)則用來評(píng)定或比較結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度由于缺口和彎曲所引起的應(yīng)力不均勻性疊加，使試樣缺口彎曲的應(yīng)力應(yīng)變分布的不均勻性更大。第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四30靜彎曲曲線

曲線下所包圍的面積，表示試樣從變形到斷裂的總功?？偣τ扇糠纸M成：

(1)只發(fā)生彈性變形的彈性功Ｉ;

(2)發(fā)生塑性變形的變形功以面積Ⅱ表示；

(3)在達(dá)到最大載荷Pmax時(shí)試樣即出現(xiàn)裂紋。如果裂紋到截荷P點(diǎn)時(shí)開始迅速擴(kuò)展，直至試樣完全破斷。這一部分功以面積Ⅲ表示，叫作撕裂功?？捎脭嗔压?，或Fmax/F1來表示材料的缺口敏感度。

F1—試樣發(fā)生斷裂所對(duì)應(yīng)的作用力。Fmax/F1=1時(shí)，缺口敏感度最大。第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四31§2.6硬度一、硬度及其意義1、硬度表征材料軟硬程度的一種性能,隨試驗(yàn)方法的不同，物理意義不同。2、硬度的種類

壓入法：布氏硬度、洛氏、維氏等。表征材料的塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力。

應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大，α>2，幾乎所有的材料都能產(chǎn)生塑性變形。

刻劃法(劃痕法）：莫氏硬度。表征材料對(duì)切斷的抗力。

回跳法：肖氏硬度表征金屬彈性變形功的大小。

第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四32二、硬度試驗(yàn)

1、布氏硬度

（1）原理

用一定直徑D的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，施以一定的試驗(yàn)力，將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力。試樣表面留下壓痕。力除以壓痕球形表面積的商就是布氏硬度。

d—壓痕直徑

通常布氏硬度值不標(biāo)出單位。第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四33第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四34（2）種類

布氏硬度試驗(yàn)用壓頭直徑D有10，5，2.5，2，1mm五種。

F/D2的比值有六種。

（3）布氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：能較大范圍的反映材料的平均性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好，應(yīng)用廣泛。

缺點(diǎn)：屬有損檢測；

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=0.24-0.6D第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四35布氏硬度的表示方法：①硬度值②符合HBW③球直徑④試驗(yàn)力⑤試驗(yàn)力保持時(shí)間（10-15S不標(biāo)注）舉例：350HBW5/750直徑5mm的硬質(zhì)合金球在7.355kN試驗(yàn)力下保持10-15s測得的布氏硬度值為350.1kgf=9.80665N第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四362、洛氏硬度（1）原理

以壓頭留下的壓痕深度來表示材料的硬度值。

壓痕深度h越大，硬度值越低。

規(guī)定：不同的壓頭，k值不同；金剛石k=0.2；鋼球k=0.26

錐頭又分成α=120o的圓錐或四面錐。（2）種類

HRA、HRB、HRC最常用，改變壓力和壓頭，可適用于不同的測試范圍。

第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四37洛氏硬度表示方法：硬度值，符號(hào)HR,標(biāo)尺字母。60HRC:用C標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為60.注意：B標(biāo)尺洛氏硬度有兩種材料的壓頭，在硬度符號(hào)后面要加以說明：鋼球用S表示；硬質(zhì)合金球用W表示。60HRBW：表示用硬質(zhì)合金球在B標(biāo)尺上測得的洛氏硬度值為60.第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四38表面洛氏

HR15N，HR30N，HR45N，HR15T用來測定極薄試樣及滲氮層的硬度。表面洛氏硬度的表示方法：硬度值，符號(hào)HR,總試驗(yàn)力，標(biāo)尺。70HR30N:表示用總試驗(yàn)力294.2N的30N標(biāo)尺測得的表面洛氏硬度值為70.①87HR15T②100HR15N③45HR45T第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四39可根據(jù)指針的指示值直接讀出硬度值。第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四403、維氏硬度

α=136o的金剛石四棱錐體取α=136o與布氏硬度的計(jì)算方法相同。

維氏硬度可分為宏觀和顯微觀兩種：

宏觀：F=49.03-980.7N（常用的試驗(yàn)力范圍）顯微F=0.098-0.9807N

顯微維氏硬度試驗(yàn)：可測定極薄的表面層的硬度以及合金中各種組成相的硬度。需要配備顯微鏡。第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四41維氏硬度的表示方法：硬度值，符號(hào)HV，試驗(yàn)力，試驗(yàn)力保持時(shí)間（10-15s不標(biāo)注)640HV30:在試驗(yàn)力為294.2N下保持10-15s測得的維氏硬度值為640.①870HV20;②350HV0.5;③450HV0.015第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四42第43頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四434、努氏硬度（也屬顯微硬度）采用四