第三章其他静载下的力学性能

1、第三章第三章 其他静载下的力学性能其他静载下的力学性能3.1 扭转扭转0.8扭转试样的应力和应变扭转试样的应力和应变(a)表面应力表面应力(b)弹性变形弹性变形(c)弹塑性变形弹塑性变形特点：表面应特点：表面应力最大，心部力最大，心部应力最小应力最小表面最危险表面最危险扭转实验测定的力学性能指标扭转实验测定的力学性能指标 或 ( )MM/ppMW0.30.3/MW/KKMW/bbMW30/16Wd0dWM002ld扭转试样的断口形态扭转试样的断口形态45(a)切断切断(b)正断正断(c)混合混合 断口断口(a)三点弯曲 (b)四点弯曲弯曲实验测定的力学性能指标弯曲实验测定的力学性能指标 v弯曲

2、图(下图) 通常采用矩形或圆柱形试样，通过弯曲实验记录弯曲载荷和最大挠度之间的曲线。v测定断裂时的抗弯强度 ： 式中： 断裂载荷 下的最大弯矩。对三点弯曲实验， ；对四点弯曲实验， W试样的弯曲截面系数另：可通过最大挠度比较不同材料的塑性。 /bbbM WbMbF/4bbMF L/2bbMF k典型弯曲图v（a）塑性材料）塑性材料v（b）中等塑性材料）中等塑性材料v（c）脆性材料）脆性材料3.3 压缩压缩2008hd0031dh 压缩曲线压缩曲线 v压缩实验通常在压缩试验机上测出压力F和压缩量h之间的关系，给出Fh曲线，称为压缩图或压缩曲线。v塑性材料与脆性材料的 压缩曲线具有不同的特 点，见

3、右图。压缩实验测定的力学性能指标压缩实验测定的力学性能指标 v由压缩曲线可确定压缩强度指标和塑性指标。 v压缩强度极限（抗压强度）： 或v相对压缩率：v相对断面扩展率：v条件压缩强度与真实压缩强度 ： 、0/SFbcbcKbcbcSF/真%100)(00hhhKc%100)(00SSSKcbcbc真(1)bccbc真bccbc)1 ( 真3.4 硬度硬度 /HBSHBWF SFDh或221/ 22()FHBSHBWD DDd或)2sin11 (2HBW2DFHBS 或2/F D)2sin11 (2102. 0HBW2DFHBS或洛氏硬度实验原理（方法）和规程洛氏硬度实验原理（方法）和规程 12

4、00F1F01FFFv0-0位置为压头没有和试样接触时的位置；1-1为压头受到初载荷后压入试样深度为 的位置；2-2为压头受到主载荷后压入试样深度 为的位置；3-3为压头卸除主载荷但仍保留初载荷时的位置，由于试样弹性变形的恢复，压头位置提高了 。此时压头受主载荷作用 压 入 试 样 的 实 际 深 度 为 h（ ）。最后卸除初载荷。0h1h2h12hh0.002khHR洛氏硬度的特点及应用洛氏硬度的特点及应用维氏硬度维氏硬度 维氏硬度实验原理维氏硬度实验原理 22/2sin68/1.8544Sdd22/1.8544 /(/)HVF SF d kgf mm显微硬度显微硬度显微维氏硬度显微维氏硬度

5、 v显微硬度实质上就是小载荷的维氏硬度，因此也称显微维氏硬度。其实验原理与维氏硬度一样，所不同的是：载荷以计量、压痕对角线长度以计量，主要用于测定极小尺寸范围内各组成相、夹杂物等的硬度值。v通常，显微硬度实验采用的载荷为2、5、10、50、100、200gf。由于压痕微小，试样必须制成金相样品，并配备显微放大装置，以提高测量精度。 3.5 缺口对静加载力学性能的影响缺口对静加载力学性能的影响 由于实际的机械设备总是由多个零部件组成，由于实际的机械设备总是由多个零部件组成，各零件因其自身结构和加工制造的需要，总是存在各零件因其自身结构和加工制造的需要，总是存在一些有截面突变的台阶、键槽、孔等几何

6、不均匀的一些有截面突变的台阶、键槽、孔等几何不均匀的结构，从一般意义上说它们都是结构，从一般意义上说它们都是。 缺口的存在改变了零件的受力条件、造成硬性缺口的存在改变了零件的受力条件、造成硬性的应力状态，并引起应力集中等。因此，缺口被认的应力状态，并引起应力集中等。因此，缺口被认为是造成材料脆化的主要因素之一。为是造成材料脆化的主要因素之一。 航天零件缺口示意图缺口效应v应力集中v多轴应力状态v应变集中v局部应变速率增大v腐蚀倾向加大理论应力集中系数（弹性变形状态）理论应力集中系数（弹性变形状态）：v表示应力集中的程度，它是最大轴向应力与平均应力之比。即： mltKmax对于椭圆形缺口：a：椭

7、圆长轴之半；：曲率半径。特别地：对圆形缺口，有特别地：对圆形缺口，有 a= ，Kt=3aKt21塑性变形时的应力分布塑性变形时的应力分布v对于塑性较好的金属材料来说，即使缺口处出现对于塑性较好的金属材料来说，即使缺口处出现了三向拉应力，缺口截面仍可进行较明显的塑性了三向拉应力，缺口截面仍可进行较明显的塑性变形。变形。v根据塑性变形的条件，当外加最大切应力大于材根据塑性变形的条件，当外加最大切应力大于材料的屈服强度时，材料就发生塑性变形。料的屈服强度时，材料就发生塑性变形。max2lrv在缺口截面上，由于轴向应力轴向应力 和 径向应力径向应力 r 分布不均匀，最大切应力最大切应力 max（= l

8、 - r / 2）的分布也是不均匀的，在表面处为最大（=0.5）；v当外力增加时，沿截面的塑性变形是先从表面开始，再逐步向中心扩展进行的；v由于表面的塑性变形削减了应力峰，造成截面上的应力重新分布，即使应力峰应力峰离开缺口表面而移向弹性变形和塑性变形弹性变形和塑性变形的交界处交界处。试样缺口根部截面由表面开始进入弹塑性状态后(在不同时刻-载荷不断增大) 轴向应力l分布的变化v图表示了缺口试样在外力增加时沿截面的应力分布和塑性变形扩展情况。曲线16表示在外力增加的不同阶段轴向应力轴向应力的分布情况。v其中，曲线1是弹性变形阶段的分布，曲线2是塑性变形刚开始阶段的分布，a1 a2区已进入了塑性变形

9、，应力被削减，应力峰移向2点（弹性和塑性变形的交界点），曲线36是塑性变形逐步依次扩展时的情况，同样是塑性区内的应力被削减，应力峰依次移向弹-塑变形交界点。 v若将最大轴向应力的顶点（1、26）连成曲线，用ls表示，则情况。可见，在缺口截面上，使各点（a1,a6），这主要与径向力的存在及塑性区的形变这主要与径向力的存在及塑性区的形变硬化有关硬化有关。并且， 试样缺口根部截面由表面开始进入弹塑性状态试样缺口根部截面由表面开始进入弹塑性状态后的后的 l 应力分布的变化应力分布的变化ls曲线曲线v若材料的屈服强度等于或近于断裂抗力，则在缺口根部尚未开始塑性变形时，最大轴向应力就已达到断裂抗力（应力集

10、中阶段），材料会发生早期脆断，此时缺口试样的抗拉强度较光滑试样的低（曲线1），脆性和低塑性材料即属于此；v若材料的屈服强度较低而断裂抗力较高，则塑性变形向内扩展可充分进行，此时缺口试样的抗拉强度较光滑试样的高（曲线5、6），塑性材料即属于此；v若材料的屈服强度和断裂强度都很高，则塑性变形的扩展开始得很迟，且还未充分扩展就会发生断裂，此时的抗拉强度也较高些（曲线4），中强度钢多属于此。v缺口截面SN上的塑性变形扩展程度，主要决定于材料的性质和缺口的形状。材料性质主要决定于屈服强度屈服强度和断裂抗力断裂抗力。 前者决定了塑变扩展开始点，后者决定了塑变扩展终止点。就缺口形状来说，缺口越尖锐，ls曲线

11、就越陡，塑性变形向内扩展程度就越小，脆化倾向越大，反之，则脆化倾向减小。v基于以上缺口对塑性变形的影响，实际生产中在机件设计时应尽可能应尽可能地增大缺口曲率半径地增大缺口曲率半径，以降低应力以降低应力集中系数和集中系数和ls曲线的斜率曲线的斜率；选材时不应盲目追求高强度材料，而应注意足够的塑性配合，从而减小脆化倾向和脆断危险。 mNKmNKvNeber关系式 常数常数2tKKKmmtNNK2Neber关系的应用-确定二、缺口拉伸及斜拉伸实验二、缺口拉伸及斜拉伸实验 v缺口对静拉伸力学性能的影响要视材料在光滑试样拉伸时的变形能力及缺口形状而定。v材料的屈服强度和断裂抗力不同，变形能力不同，且缺口曲率半径不同，ls曲线斜率也不同，从而使缺口试样的屈服强度和断裂抗力与光滑试样的不相等。v缺口的应力集中和三向应力状态均与缺口几何形状有关。应力集中对缺口曲率半径很敏感，而缺口深度影响三向应力状态。v鉴于此，用缺口试样来考查缺口对拉伸性能的影响时，试样的缺口形状和尺寸应该有所规定，以使数据有可比性。常用的缺口试样见P44图3.15。v注意：与缺口试样对比的光滑试样，直径应等于缺口直径，且应热处理之后加工缺口。Fig.3.15缺口拉伸试样O604