工程材料力学性能-第二章

1、静拉伸：静拉伸： 包括弹性变形、塑性变形和断裂三个过程包括弹性变形、塑性变形和断裂三个过程其他静加载方式：扭转，弯曲，压缩，硬度等其他静加载方式：扭转，弯曲，压缩，硬度等静扭转试验的特点静扭转试验的特点l应力状态的软性系数应力状态的软性系数a0.8l用圆柱形试样进行扭转试验时，没有颈缩现象。用圆柱形试样进行扭转试验时，没有颈缩现象。l扭转试验中的正应力和切应力数值上大体相等。扭转试验中的正应力和切应力数值上大体相等。l扭转试验可明确地区分金属材料最终断裂方式：正断和切断。扭转试验可明确地区分金属材料最终断裂方式：正断和切断。l扭转试验不能显示材料的体积缺陷。扭转试验不能显示材料的体积缺陷。 扭

2、转变形是指杆件受到大小相等扭转变形是指杆件受到大小相等, ,方向方向相反且作用平面垂直于杆件轴线的力偶作用相反且作用平面垂直于杆件轴线的力偶作用, ,使杆件的横截面绕轴线产生转动。使杆件的横截面绕轴线产生转动。 横截面间绕轴线的相对角位移，称为扭横截面间绕轴线的相对角位移，称为扭转角。转角。 按输入功率、转速计算按输入功率、转速计算T = Me右手螺旋法则右手螺旋法则右手拇指指向外法线方向为右手拇指指向外法线方向为 正正(+),(+),反之为反之为 负负(-)(-)G弹性范围内的剪应力剪应变关系弹性范围内的剪应力剪应变关系TdAdxdGA圆轴扭转变形的基本公式圆轴扭转变形的基本公式静力学方程静

3、力学方程l总结总结几何方面几何方面物理方面物理方面静力学方面静力学方面pGITdxddxdGdxdpIT圆轴扭转切应力的一般公式圆轴扭转切应力的一般公式pIT圆轴最大扭转切应力圆轴最大扭转切应力当当R时应力最大时应力最大令令则则 试样在弹性范围内每一瞬间的表面切试样在弹性范围内每一瞬间的表面切应力应力和表面切应变和表面切应变分别为：分别为： 试样的切变模量：试样的切变模量： 扭转比例极限扭转比例极限p、扭转屈服强度、扭转屈服强度0.3和和扭转条件强度极限扭转条件强度极限K分别为：分别为：MW002dlPPMW0.30.3MWKKMW04032MlGd弯曲试验的加载方式：三点弯曲和四点弯曲弯曲试

4、验的加载方式：三点弯曲和四点弯曲三点弯曲：断裂位置被固定在集中加载截面处三点弯曲：断裂位置被固定在集中加载截面处四点弯曲：断裂具体位置由均匀加载段内相对四点弯曲：断裂具体位置由均匀加载段内相对 较弱的组织决定较弱的组织决定弯曲试验的特点：弯曲试验的特点： (1) 从整体上比拉伸试样的几何外形简单，从整体上比拉伸试样的几何外形简单， 适用于测定加工不方便的脆性适用于测定加工不方便的脆性材料。材料。 (2) 退火、正火、调质后的碳素结构钢或者合金结构钢由于其塑性较好，退火、正火、调质后的碳素结构钢或者合金结构钢由于其塑性较好，不宜采用弯曲试验，而应改用拉伸试验来测定其有关断裂的抗力。不宜采用弯曲试

5、验，而应改用拉伸试验来测定其有关断裂的抗力。 (3) 可以较灵敏的反映材料的表面缺陷。可以较灵敏的反映材料的表面缺陷。 弯曲试样拉伸侧表面的最大正应力：弯曲试样拉伸侧表面的最大正应力： 脆性材料只测定断裂时的抗弯强度：脆性材料只测定断裂时的抗弯强度：maxmaxMW334bm lEb h纯弯曲实验现象观察纯弯曲实验现象观察平面假设：平面假设：变形前为平面的横截面变形后仍保持为变形前为平面的横截面变形后仍保持为平面，只是绕截面内某一轴线偏转了一个角度。平面，只是绕截面内某一轴线偏转了一个角度。单向受力假设：单向受力假设：梁内各纵向梁内各纵向“纤维纤维”仅承受轴向拉仅承受轴向拉应力或压应力。应力或

6、压应力。凹入凹入一侧纤维一侧纤维缩短缩短突出突出一侧纤维一侧纤维伸长伸长中间一层纤维长度不变中间一层纤维长度不变中性层中性层中间层与横截面的交线中间层与横截面的交线中性轴中性轴1、变形几何关系、变形几何关系OO2、物理关系、物理关系胡克定理胡克定理EyE3、静力学条件、静力学条件纯弯曲：纯弯曲：Z1EIMMdAyMAz 4、正应力公式、正应力公式变形几何关系变形几何关系物理关系物理关系yEyE静力学关系静力学关系Z1EIMZIMy正应力公式正应力公式弯曲刚度5 5、横截面上最大正应、横截面上最大正应力力zIMymaxmaxmax/ yIMzmaxyIWzz截面的截面的抗弯截面系数，抗弯截面系数

7、，反映了截面反映了截面的几何形状、尺寸对强度的影响。的几何形状、尺寸对强度的影响。ZmaxWM常见截面的常见截面的 IZ 和和 WZ圆截面圆截面矩形截面矩形截面空心圆截面空心圆截面空心矩形截面空心矩形截面AdAyI2ZmaxZZyIW 644ZdI323ZdW)1 (6444ZDI)1 (3243ZDW123ZbhI 62ZbhW 12123300ZbhhbI)2/()1212(03300ZhbhhbW横向弯曲正应力公式横向弯曲正应力公式弯曲正应力分布弯曲正应力分布ZIMy 弹性力学精确分析表明，弹性力学精确分析表明，当跨度当跨度 l 与横截面高度与横截面高度 h 之之比比 l / h 5 （

8、细长梁）时，（细长梁）时，纯弯曲正应力公式对于横向纯弯曲正应力公式对于横向弯曲近似成立。弯曲近似成立。ZmaxmaxmaxIyM横向弯曲最大正应力横向弯曲最大正应力ZmaxmaxWM1. 1. 降低降低 M Mmaxmax 合理安排支座合理安排支座合理布置载荷合理布置载荷提高梁强度的主要措施提高梁强度的主要措施合理布置支座合理布置支座FF合理布置支座合理布置支座合理布置载荷合理布置载荷ZmaxmaxWM2. 2. 增大增大 W WZ Z 合理设计截面合理设计截面合理放置截面合理放置截面62bhWZ左62hbWZ右合理放置截面合理放置截面压缩试验特点：压缩试验特点： 塑性好的材料只能压缩变形，不

9、能破坏，因此压缩试验塑性好的材料只能压缩变形，不能破坏，因此压缩试验主要用于脆性材料和低塑性材料。主要用于脆性材料和低塑性材料。 压缩时，端面存在很大的摩擦力，影响测试结果。摩擦力压缩时，端面存在很大的摩擦力，影响测试结果。摩擦力可以阻碍试样端面的横向变形，形成腰鼓形（图可以阻碍试样端面的横向变形，形成腰鼓形（图2.10）；还）；还会引起附加变形阻力，从而提高总的变形抗力，降低便性会引起附加变形阻力，从而提高总的变形抗力，降低便性能。能。 压缩试验通常采用一定高度的试样，规定压缩试验通常采用一定高度的试样，规定h0/d013。材材料料在在压压缩缩时时的的力力学学性性能能塑性材料塑性材料：在屈服

10、之前压：在屈服之前压缩曲线与拉伸曲线缩曲线与拉伸曲线基本重基本重合合，但之后，但之后不会不会断裂，只断裂，只会越压越扁。会越压越扁。材材料料在在压压缩缩时时的的力力学学性性能能脆性材料脆性材料：压缩强度：压缩强度远高于远高于拉伸强度，但材拉伸强度，但材料料变形很小变形很小，会，会突然断裂突然断裂（剪断）。（剪断）。脆性材料脆性材料bb压缩：压缩： 适于做抗压构件。破坏适于做抗压构件。破坏时破裂面与轴线约成时破裂面与轴线约成55 60。 硬度试验按照物理意义可分为：刻划硬度、硬度试验按照物理意义可分为：刻划硬度、回跳硬度和压入硬度回跳硬度和压入硬度 压入硬度主要包括布氏硬度，洛氏硬度，维压入硬度

11、主要包括布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度和显微硬度。氏硬度和显微硬度。 压入硬度特点：可以间接地估计一些基本力压入硬度特点：可以间接地估计一些基本力学性能，简单易行，几乎不损伤零件。学性能，简单易行，几乎不损伤零件。 l材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。l布氏硬度布氏硬度HB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计l压头为钢球时，布氏硬度用符号压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。l压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布表示，适用于布氏硬度在氏

12、硬度在650以下的材料。以下的材料。l符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，之后的数字按顺之前的数字表示硬度值，之后的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间；序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间；l如如120HBS10/1000/30：表示直径为：表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf载载荷作用下保持荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。 缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压痕大，不能用于太薄件、成品件及比 压头还硬的材料。压头还硬的材料。h1-h0洛氏

13、硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示表示l根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为常用的标尺为A、B、C。l洛氏硬度测量原理图：洛氏硬度测量原理图：P35,图图132 l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如如有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕 利用顶角为利用顶角为136度的金刚石四方角锥体作压头，在一定的载荷下压度的金刚石四方角锥体作压头，在一定的载荷下压入试