材料性能学：3-金属在其他静载荷下的力学性能

1、第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 引言 2.1 应力状态系数 2.2 压缩 2.3 弯曲 2.4 扭转 2.5 硬度 2.6 带缺口试样静载荷试验1引言 主要指： 压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。 原因： 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。22.1 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31、应力状态系数 应力状态系数 定义为： 式中 最大切应力max按第三强度理论计算，即 max=1/2(1-3)， 1，3分别为最大和最小主应

2、力。 最大正应力Smax按第二强度理论计算，即, 泊松系数。4 单向拉伸 =1/2 扭转 =1/（1+）0.8 单向压缩 =1/（2） 2 应力状态系数表示材料塑性变形的难易程度。 越大表示在该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑性变形。 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。562、力学状态图 力学状态图以第二强度理论和第三强度理论两者的联合为基础，纵坐标为按第三强度理论计算最大切应力，横坐标为按第二强度理论计算最大正应力。 自原点作不同斜率的直线，可代表应力状态系数， 这些直线的位置反映了应力状态对断裂的影响。 72.2 压缩的力学性能一、单向压缩 单向压缩时应力状态

3、的柔度系数大，故用于测定脆性材料，如铸铁、轴承合金、水泥和砖石等的力学性能。由于压缩时的应力状态较软，故在拉伸、扭转和弯曲试验时不能显示的力学行为，而在压缩时有可能获得。压缩可以看作是反向拉伸。因此，拉伸试验时所定义的各个力学性能指标和相应的计算公式，在压缩试验中基本上都能应用。8二、材料压缩的特点及应用 应力状态系数=2，即应力状态软，材料易产生塑性变形。 软钢 易压缩成腰鼓状、扁饼状。 铸铁 拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断。 塑性变形小的材料，或者使用工况为压缩状的材料，应采用压缩实验。 主要用于脆性材料，如：陶瓷、砖等9三、压缩实验 曲线与拉伸曲线的形式相同， 力学性能指标：b

4、c，0.01，0.2，E，bc 等10 为了减小试样在压缩过程呈腰鼓状的趋势，试样的两端需加工成具有角度的凹园锥面，以便使试样能均匀变形。11压缩载荷变形曲线,1-塑性材料，2-脆性材料常用的压缩试件为圆柱体。试件的高度和直径之比A0d0应取1.5-2.0。d0h012根据压缩曲线，可以求出压缩强度和塑性指标。对于低塑性和脆性材料，一般只测抗压强度bc，相对压缩ck和相对断面扩胀率ck。抗压强度bc bc=Pbc/A0 相对压缩比ck ck=(h0-hk)/h0100 相对断面扩胀率ck ck=(Ak-A0)/A0100式中Pbc为试件压缩断裂时的载荷;h0和hk分别为试件的原始高度和断裂时的

5、高度；A0和Ak分别为试件的原始截面积和断裂时的截面积。132.3 弯曲的力学性能一、弯曲试验的特点及应用 弯曲试验常用于测定脆性材料的力学性能。 （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。铸铁、工具钢、表面渗碳钢，常作弯曲试验。 测定难以加工成拉伸试样的脆性材料 评定材料的表面质量1415二、弯曲试验 （1）抗弯强度 或pc0.01、pc0.2 M为最大弯矩弯矩，W为抗弯截面系数。16通常用弯曲试件的最大挠度fmax表征材料的变形性能。试验时，在试件跨距的中心测定挠度，绘成P-fmax关系曲

6、线，称为弯曲图。下图表示三种不同材料的弯曲图。典型的弯曲图（a）塑性材料（b）中等塑性材料（c）脆性材料abc17 三点弯曲 弯矩 M=PL/4 直径为d的圆形试样,抗弯截面系数 W=（d3）/32 对于宽度为b，高为h的矩形试样，抗弯截面系数 W=bh2/6 ； 四点弯曲 M=PL/2 （2）挠度 试样断裂之前被压下的最大距离。 通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和朔性。 韧性材料一般不作弯曲强度检测。182.4 扭转的力学性能一、应力应变分析纵向：受力均匀；横向：表面最大，心部为0；最大正应力与最大切应力相等。1920二、扭转试验的特点

7、1、特点（1）能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。（2）长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的。 （3）能敏感地反映材料表面的性能（4）断口的特征最明显（正断、切断、层状断口等）21三、切应力 切应变在弹性变形范围内，材料力学给出了圆杆表面的切应力计算公式如下 = M / W式中M为扭矩；W为截面系数。对于实心圆杆，Wd0316；对于空心圆杆,W=d03(1-d14/d04)16,其中d0为外径，d1为内径。因切应力作用而在圆杆表面产生的切应变为 =tg=d0/2L0100 式中为圆杆表面任一平行于轴线的直线因的作用而转动的角度；为扭转角; L0为杆的长度。22四、扭转试验及测定的力学性能

8、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。利用扭转图，确定材料的切变模量G，扭转比例极限p, 扭转屈服强度0.3, 和抗扭强度23切变模量扭转比例极限pp=Mp/W 式中Mp为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩。扭转屈服强度0.30.3 = M0.3 /W 式中M0.3为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩。24抗扭强度 b=Mb/W 式中Mb为试件断裂前的最大扭矩。扭转残余切应变：25五、扭转试验的特点和应用评定扭转服役条件下的材料力学性能扭转时应力状态的柔度系数较大，因而可用于测定那些在拉伸时表现为脆性的材料，如淬火低温回火工具钢的塑性。圆柱试件在扭转试验时，整个长度上的塑性变形始

9、终是均匀的，其截面及标距长度基本保持不变，不会出现静拉伸时试件上发生的颈缩现象。因此，可用扭转试验精确地测定高塑性材料的变形抗力和变形能力，而这在单向拉伸或压缩试验时是难以做到的。26扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式，正断或切断。扭转试验时，试件截面上的应力应变分布表明，它将对金属表面缺陷显示很大的敏感性因此，可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果扭转试验时，试件受到较大的切应力，因而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的非同时性的问题，如弹性后效、弹性滞后以及内耗等测定高塑性材料测定材料的切断强度27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