第2章-金属在其它静载荷下的力学性能

1,第二章金属在其它静载荷下的力学性能,2,2.0引言,其它静载荷原因,主要指：压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。,零部件在使用过程中将承受不同类型的外应力；零件内部存在不同的应力状态。,3,2.1应力状态系数,材料的塑性或脆性并非绝对，为了表示外应力状态对材料塑性变形的影响，特引入应力状态系数的概念，以方便选择检测方法。例如：铸铁压韧，拉脆,4,单元六面体上的应力分量,5,最大切应力引起塑性变形和导致韧性断裂；最大正应力一般是导致脆性断裂。值越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，金属越易先产生塑性变形，然后韧性断裂。反之，值越小，表示应力状态越硬。则金属越易产生脆性断裂。把值较大的称做软的应力状态，值较小的称做硬的应力状态。,6,单向静拉伸的应力状态最硬，一般适用于塑性变形抗力与切断强度较低的塑性材料试验。弯曲、扭转等应力状态较软，适用于对于正断强度较低的脆性材料。对于塑性较好的金属材料，则常采用三向不等拉伸的加载方法，使之在更硬的应力状态下显示其脆性倾向。,7,佛里德曼()力学状态图,8,2.2压缩,2、拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂。,一、压缩试验的特点,压缩试验就是对试样施加轴向压力，在其变形和断裂过程中测定材料的强度和塑性。,1、单向压缩试验的应力状态软性系数=2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定，以显示其在静拉伸、扭转和弯曲试验时所不能反映的材料在韧性状态下的力学行为。,9,10,二、压缩试验,可测定的主要压缩性能指标：,1、规定非比例压缩应力pc试样标距段内的非比例压缩变形达到规定的原始标距百分比时的应力。,2、抗压强度单位试样被压至破坏过程中的最大应力。,3、相对压缩率c=(h0hk)/h0100,4、相对断面扩展率c=(AkA0)/A0100,常用的压缩试件为圆柱体。为了防止试验时试样纵向失稳，对于脆性或低塑性材料其试件的高度和直径之比h0d0最好是2.53.5。,11,12,2.3弯曲,一、弯曲试验的特点,金属杆状试样承受弯矩作用后，其内部应力主要为正应力，与单向拉伸和压缩时产生的应力雷同。但由于杆件截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变化。所以金属在弯曲加载下的力学行为与单纯拉应力或压应力作用下的力学行为不完全相同，有它自身的特点。,弯曲试验的试样形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的试样偏斜对结果的影响，可用弯曲的挠度显示材料的塑性。因此弯曲试验方法常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。,13,弯曲试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷。因此，常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。,应力状态,(1)正应力上表面为压应力，下表面为拉应力；(2)表面应力最大，中心的为零；(3)力点处的作用力最大；(4)对试样的要求比拉伸时的宽松。,14,二、弯曲实验,将圆柱形或矩形试样放置于一定跨距Ls的支座上，进行三点弯曲或四点弯曲加载，通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系曲线，就可确定金属在弯曲力下的力学性能。,15,16,17,挠度：试样断裂之前被压下的最大距离。,弯曲试验所测的主要性能指标：,弯曲试验主要测定脆性或低塑性材料的抗弯强度。试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力，称为抗弯强度。弯曲试验还可测定弯曲弹性模量、断裂挠度fbb和断裂能量U等力学性能指标。,18,2.4扭转,一、扭转试验的特点,(1)应力状态软性系数=0.8，比拉伸时的大，易于显示金属的塑性行为。,(2)圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象，能实现大塑性变形量下的试验。,(3)能较敏感的反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。,(4)扭转试验时的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生产上所用大部分金属材料的正断抗力大于切断抗力，所以扭转试验是测定这些材料切断抗力最可靠的方法。,19,在与试样轴线呈45的两个斜面上承受最大正应力，在与试样轴线平行和垂直的平面上承受最大切应力。两者的比值近于1。,2、应力状态,20,扭转试验采用圆柱形(实心或空心)试件,在扭转试验机上进行。标距长度L0分别为50mm或100mm，直径d010mm。,二、扭转试验,21,22,切变模量扭转比例极限p式中Tp为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩。扭转屈服点s抗扭强度式中Tb为试件断裂前的最大扭矩。,扭转试验可测定以下主要性能指标：,23,然而，扭转试验的特点和优点在某些情况下也会变为缺点。例如，由于扭转试件中表面切应力大，越往心部切应力越小，当表层发生塑性变形时，心部仍处于弹性状态。因此，很难精确地测定表层开始塑性变形的时刻，故用扭转试验难以精确地测定材料的微量塑性变形抗力。,综上所述，扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标，并且还有着其它力学性能试验方法所无法比拟的优点。因此，扭转试验在科研和生产检验中得到较广泛地应用。,24,2.5缺口试样静载荷试验,一、缺口效应,试样上存在缺口时，会在缺口截面上产生应力和应变集中现象。,金属材料在有缺口时，其力学性能与无缺口时不同，具体表现是使材料变脆。,试样截面变化可视为“缺口”。材料内部的组织不均匀、夹杂物、第二相、晶界、亚晶界，以及表面或内部裂纹也有类似缺口的作用,25,1、缺口试样在弹性状态下的应力分布,理论应力集中系数,Kt值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状。应力集中的大小决定于缺口几何参数(形状、深度、角度及根部曲率半径)，其中以根部曲率半径影响最大，缺口越尖，集中应力越大。,26,平面应力状态,平面应变状态,27,缺口效应,缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，也就是出现了x(平面应力状态)或x与z(平面应变状态)，视板厚而定。,28,2、缺口试样在塑性状态下的应力分布,在有缺口条件下，由于出现了三向应力状态，并产生了应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高，产生了所谓的“缺口强化”现象。由于此时材料本身的屈服强度未变，故“缺口强化”纯粹是由于三向应力约束了塑性变形所致。所以不能把缺口强化看作是强化金属材料的手段。,29,塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。,缺口的第二个效应是使塑性材料强度提高，塑性降低。,30,。,二、缺口试样静拉伸试验,缺口试样静拉伸试验分为轴向拉伸和偏斜拉伸两种。通常用缺口敏感度NSR(NotchStrengthRatio)作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标,NSR属安全力学性能指标。NSR越大缺口敏感度越小，对于脆性材料如铸铁，高碳钢，其NSR1，说明这些材料对缺口很敏感，缺口根部尚未发生明显塑性变形就已经脆性断裂。高强度材料NSR一般也小于1。对于塑性材料，若缺口不太尖有可能产生塑性变形时，NSR总大于1。,31,32,缺口敏感性影响因素：,金属材料的缺口敏感性除和材料本身性能、应力状态(加载方式)有关外，尚与缺口形状和尺寸、试验温度有关。,缺口尖端曲率半径越小、缺口越深，材料对缺口的敏感性也越大。,缺口类型相同，增加试样截面尺寸，缺口敏感性也增大。这是由于较大试样弹性能储存较高所致。,降低温度，尤其对bcc金属，因屈服强度显著增高，塑性储存下降，故缺口敏感性急剧增大。缺口静拉伸试验广泛应用于高强度钢的力学性能、钢和钛的氢脆以及研究高温合金的缺口敏感性等。,33,偏斜拉伸，=4o和8o，试样承受拉伸和弯曲。故其应力状态更硬，缺口截面上的应力分布更不均匀，因而更能显示材料对缺口的敏感性。这种试验方法很适合高强度螺栓之类零件的选材和热处理工艺的优化，因为螺栓带有缺口，并且在工作时难免有偏斜。,34,缺口试样的静弯曲试验用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的应力应变分布的不均匀性更大。但应力应变的多向性则减少。,三、缺口试样静弯曲试验,试验时要记录弯曲曲线，直到试样发生折断，记下全部弯曲曲线为止。根据断裂时的残余挠度或弯曲破断点(裂纹出现)的位置评定材料的缺口敏感性。,35,36,37,38,缺口弯曲曲线,弯曲曲线所包围的面积分成弹性区I、塑性区II和断裂区III，各区所占面积分别为弹性功、塑性功和断裂功。,断裂功的大小决定于缺口处材料塑性变形能力。若材料塑性变形能力大，裂纹扩展就慢，断裂功也越大。,用断裂功或Fmax/F1来表示材料的缺口敏感度。断裂功大，缺口敏感性小；反之，则缺口敏感性大。若断裂功为零，则裂纹发展极快，材料表现突然脆性断裂，缺口敏感性很大。,39,2.6硬度,一、硬度及其意义,1、硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能，其物理意义随试验方法的不同而不同。,2、硬度的种类(1)压入法：表示金属抵抗变形的能力静载压入法：布氏、洛氏、维氏、显微硬度动载压入法：肖氏硬度(弹性回跳法)、锤击式布氏硬度压入法硬度值实际上是综合反映了压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑性变形抗力、形变强化能力以及大量塑变抗力等物理量的大小。(2)刻划法：表征材料对切断方式破坏的抗力。莫氏硬度,40,压入法硬度试验的应力状态最软，即最大切应力远大于最大正应力。在这样的应力状态下几乎所有的金属都会产生塑性变形。因而能用来测定淬火钢、硬质合金、甚至玻璃等脆性材料的性能。,二、压入法硬度试验的特点及应用,41,(1)原理：用直径为D(mm)的钢球或硬质合金球的压头，加一定的试验力F(N)，将其压入试样表面(右图a)，经过规定的保持时间t(s)后卸除试验力，试样表面将残留压痕，然后测量压痕的平均直径d(mm)，求得压痕的球形面积A(mm2)。,1、布氏硬度测定压痕的面积,42,压头为淬火钢球时，其符号为HBS(适用于布氏硬度值在450以下的材料)；当压头为硬质合金球时，其符号为HBW(适用于布氏硬度为450650的材料)。为了得到统一的、可以相互比较的硬度值，关键在于压痕的几何形状遵守相似原理，即压痕的压入角保持不变，F/D2的比值为常数，有七种。,(2)种类,43,直径D有10、5、2.5、2、1mm五种。压痕直径d应控制在(0.240.6)D之间，以保证得到有效的硬度。测定布氏硬度的试样，其厚度至少应为压痕深度的10倍。载荷的保持时间，对黑色金属为1015s，对有色金属为30s，对HB35的材料为60s。,44,符号表示：压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBW。HBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。例：150HBSl0300030表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值为150；500HBW5750，表示用硬质合金球，压头直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒(保持时间为10-15，不加标注)，测得布氏硬度值为500。,45,46,47,缺点,(3)布氏硬度试验的优点和缺点,优点,由于压头的直径较大，所以压痕面积较大，其硬度值能反映各组成相的平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响。因此，布氏硬度试验适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。试验数据稳定，重复性强。,对不同材料需要更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量较麻烦，所以不宜用于自动检测；不能连续检测。压痕较大时不宜在成品上实验。属有损检测。,48,2、洛氏硬度,测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。,(1)原理,1)试验时先加初始试验力F0，以保证压头与试样表面接触良好，得到一个压痕深度h0，此时指针指零。2)施加主作用力F1，压头压入深度为h1，表逆时针转到相应刻度位置，h1包括弹性变形与塑性变形。3)F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一段距离(h2h1)，此时塑性变形深度即为压痕深度h，最终表盘指针所指即为洛氏硬度值。,49,50,以压头留下的压痕深度来表示材料的硬度值。压痕深度h越大，硬度值越低。规定：不同的压头，k值不同；圆锥角=120o的金刚石圆锥体k=0.2；一定直径的小淬火钢球k=0.26。,(2)种类,HRA、HRB、HRC最常用，改变压力和压头，可适用于不同的测试范围。,51,52,53,(3)洛氏硬度试验的优缺点,优点,操作简便、迅速；硬度值可直接读出；压痕小，可在工件上直接实验；采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属或厚薄不一的试样硬度，可广泛用于热处理质量检验。,缺点,压痕较小，代表性差；若材料中存在偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。,54,3、维氏硬度,(1)原理维氏硬度试验的原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。试验用的压头不同，是两个相对面间夹角为136的金刚石四棱锥体。,55,(2)种类,维氏硬度可分为宏观和微观两种。,宏观：大载荷F=49.1、98.1、196.2、294.3、490.5、981N六级显微：小载荷F=0.0981、0.1961、0.4903、0.9807、1.961N五级,显微硬度试验为研究金属微观区域的性能提供了十分方便的手段，广泛用于测定金属组成相的硬度以及研究金属化学成分、组织状态和结构性能的关系。,56,压头在试验力F(N)作用下将样品表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d，d=(d1+d2)/2，来计算压痕的表面积A(mm2)。,维氏硬度的表示方法与布氏硬度的相同，例：640HV3020，最前数字为硬度值，后面数字依次为载荷/保持时间。,57,58,(3)维氏硬度的优点和缺点,优点,载荷可以随意选择，不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度实验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；压痕测量精度较高，硬度值较精确。,缺点,需要通过测量压