第02章-金属在其他静载荷下的力学性能Li-30P课件

1、1第二章 金属在其他静载荷下的力学性能2.1 应力状态软性系数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2 本章内容： 压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。 原因：零部件在服役中因为承受着不同类型的外应力；造成零件内部存在着不同的应力状态。2.1 应力状态软性系数 材料的塑性或脆性并不是绝对的。 为表示外应力状态对材料塑性变形的影响，特引入应力状态软性系数 的概念，以方便选择检测方法。 例如：铸铁 压缩时呈现一定的韧性；拉伸时表现出脆性3 1、应力状态软性系数 的定义：最大切应力与最大正应力之比式中 最大切应力max按第三强度理论计算，即 max= (

2、1-3) /2 1，3分别为最大和最小主应力。 最大正应力 max 按第二强度理论计算，即, 泊松比。4 单向拉伸 = 1/2 扭 转 = 1 /（1+）0.8 单向压缩 = 1 /（2） 2 应力状态系数的技术意义表示了材料塑性变形的难易程度 越大，表示该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑变。 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。如单向静拉伸，应力状态较硬，适于塑变抗力与切断强度较低的所谓塑性材料试验；而正断强度较低的所谓脆性材料（淬低回的高碳钢、灰铸铁及某些铸造合金）在此种加载方式下会产生脆性正断，显示不出它们在韧性状态下所表现出的力学行为。反之，对于塑性较好的金属

3、材料，则采用三向不等拉伸，使之在更“硬”的应力状态下显示其脆性倾向。5 2、力学状态图 力学状态图（涉及第二强度理论和第三强度理论的应用） 纵坐标为按第三强度理论计算最大切应力max ， 横坐标为按第二强度理论计算最大正应力 max。 自原点作出不同斜率的直线，这些直线可代表不同的应力状态软性系数，其位置反映了应力状态对断裂的影响。62.2 压缩2.2.1 材料压缩的特点 应力状态系数 = 2，即应力状态“软”， 此时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；压缩时则沿45o方向切断。 对塑性变形能力小的材料，或者使用工况为压缩状态的材料，在静拉伸外，还应采用

4、压缩实验来评定其性能。72.2.2 压缩实验 曲线与拉伸曲线的形式相同， (左) 1拉伸力与伸长曲线， (右) 1脆性材料 2压缩力与变形曲线； 2塑性材料压缩测试指标：抗压强度bc、压缩0.01、压缩0.2或压缩S 、压缩E、压缩断面收缩率bc 等8 为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。9 2.3 弯曲2.3.1 弯曲试验的特点 常用于测定低塑性、脆性材料的力学性能。 分析： （1）正应力 试样上表面为压应力，下表面为拉应力； （2）表面应力最大，中心线区域为零；（3）加力点处的作用力最大；（4）对试样的要求比拉伸时宽松。 如铸铁、

5、工具钢、表面渗碳钢, 硬质合金、陶瓷等，常采用弯曲试验评定其力学性能。102.3.2 弯曲试验（1）抗弯强度bbM为最大弯矩，W为抗弯截面系数。 还可测定弯曲弹性模量、断裂挠度fbb、断裂能量U（弯曲力挠度 曲线下所包围的面积，See图2-5，P42） 11 三点弯曲(前页左图) 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(前页右图) 弯矩M = PL/2 （2）断裂挠度f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bb和最大挠度fbb，

6、以表示材料弯曲时的强度和塑性。 例如，灰铁的抗弯性能优于其抗拉性能 （bb 280650MPa，b= 150-350MPa）； 而球铁和可锻铸铁的bb比灰铁又大的多 （例如珠光体球铁bb 7001200MPa，是灰铸铁的1.61.9倍） 韧性材料一般不作弯曲强度检测。122.4 扭转2.4.1 扭转试验的特点1、特点（1）能检测拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。（2）沿长度方向，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 参见右图 (a)切断（有回旋状塑变痕迹） (b)正断(螺旋状) (c)木纹状断口（纵向剥层或裂纹）分别对应 (a）塑性材料 （b）脆性

7、材料 （c）材料内部存在较多的非金属夹杂或偏析，并在轧制中沿轴向分布。应用： 可根据断口宏观特征来判断承受扭矩而断裂的机件的性能。13 2.应力状态（ 值比拉伸时大，容易显示金属的塑性行为） 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比值近于1。如下图： a）T-扭矩，-相对扭角、(与试样轴线呈45的斜截面上)1 -最大正应力、 3 -最小正应力； (与试样轴线平行和垂直的截面上) -最大切应力； b）弹变，应力 vs 应变是线性的； C）表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，但切应力则因塑性变形而有所降低，不再呈线性分布。扭转可测试：切变模量G、扭转屈服点

8、s 、抗扭强度b。142.4.2 扭转试验 性能指标 切应力 = T/W T扭矩， W抗扭截面系数,圆柱试样的W为 切应变 （-扭角,rad)切变模量 T-扭矩增量，-扭角增量 扭转屈服点：S 抗扭强度：b例如，用于表面强化层抗扭强度的测试与评定152.5 硬度2.5.1 硬度及其意义 1、硬度 表征材料软硬程度的一种性能。 随试验方法的不同，其物理意义不同。 2、硬度的种类(根据试验方法划分) 压入法：布氏HB、洛氏HR、维氏HV、努氏HK等。压入法硬度（的实质） 表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。其应力状态软性系数最大（2），几乎令所有的材料都能产生塑变。 刻划法：莫氏硬度（Mohn）

9、。表征材料对切断的抗力。 回跳法：肖氏硬度HS 表征金属弹性变形功的大小。 同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一材料进行标定。（都列入有关技术数据表中，可查阅手册文献）162.5.2 硬度试验1、布氏硬度（1）原理 用一定直径D的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F，将其压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力。试样表面留下压痕。 力除以压痕球形表面积的商就是布氏硬度。 d - 压痕直径 0.102F/D2 (N/mm2) 的常用比值规范有30、10和2.5。以得到相同规范情况下的几何相似的压痕。17 （2）种类 布氏硬度试验用压头直径D (10，5，2.5，2，1mm)

10、。 淬火钢球压头-HBS（适用450HB以下）； 硬质合金压头-HBW（适用450HB650HB）。(3)布氏硬度的优缺点 优点：能在较大范围内反映材料的平均性能。试验数据稳定，重复性好，应用广泛。缺点：属有损检测；不能连续检测。 为保证数据可靠，需根据材料的种类和试样的厚薄更换压头。压痕直径 d = 0.240.6D，18 2、洛氏硬度 （1）测试原理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： 压头不同，k值不同；金刚石k=0.2；钢球k=0.26 锥头又分成=120o的金刚石圆锥（HRC、HRA） 或一定直径的淬火钢球(HRB)。 （2）种类（See P

11、52 表2-3、P53 表2-4） HRA、HRB、HRC 最常用，变换压力和压头，可适于不同的测试范围。 表面洛氏（小负荷）：HR15N、HR30N、HR45N（金刚石圆锥），HR15T（淬火钢球）等用来测定极薄试样及渗氮层的硬度。特点：操作简便、迅速，硬度值（HRC、HRA）可直接读出，压痕较小。不足：测试数据有一定分散性，不同标尺下测得的硬度值之间没有联系，不能直接比较。19 3、维氏硬度 = 136o 的金刚石正四棱锥体取=136o 与布氏硬度的计算方法相同。维氏硬度可分为宏观和显微观两种宏观HV：F=49.03980.7N F=1.96129.42N 小载荷显微Hm：F = 98.0

12、710-30.9807N 通过测量对角线长度d计算出HV。采用正四棱锥体压头， 是为了当改变试验力时，压痕的几何形状总保持相似。优点：形成了统一标度，测试精度较高，不同材料硬度测试值之间可以比较；不足：测试效率低。204、努氏硬度（也属显微硬度）采用四棱锥，对面夹角分别为172o30和130o。 力F除以压痕投影面积之商。它的压痕细长，比四等角锥测量值精确。 试样的表面不一定是很平整，而且组织不均匀，尤其是回旋体的表面。F为试验力，可在0.490319.61N内选取。215、肖氏硬度HS 一种动载荷试验法。将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来

13、表征金属硬度值的大小。 也称为回跳硬度。 原理：重锺从一定高度落下，使材料产生弹性变形和塑性变形。塑性变形功被试样吸收；弹性变形功使重锤回跳一定的高度。 材料的屈服强度越高，弹性变形功越大，则金属越硬。 优点：方便；可在现场测大型工件的硬度；注意：不同的硬度值，在弹性模量相同时才可进行比较。 不足：精度和准确度较差。 此外还有里氏硬度HL，也是动载荷测试法（用碳化钨球冲头的回弹速度来表征金属的硬度大小值）22232.6 带缺口试样静载荷试验2.6.1 问题的提出 材料内部存在裂纹，或体积较大的缺陷。 零件上有螺纹、键槽、油孔、退刀槽，焊缝等沟槽。缺口产生应力集中 引起三向拉应力状态，使材料脆化

14、； 由应力集中产生应变集中； 使缺口附近的应变速率增高。 标准方式的测试结果，已不能满足实际需要。242.6.2 缺口效应1、理论应力集中系数 Kt = max/ Kt值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状。2、拉伸时，缺口试样上的应力分布（1）弹性状态下25 侧面带有缺口的薄板和厚板受拉伸时的应力分布(a)薄板缺口下的弹性应力(平面应力)缺口根部为单向拉应力状态y，内部为两向拉应力状态， z等于0 。(b)厚板缺口下的弹性应力(平面应变)弹变时，缺口根部为两向拉应力状态，内部为三向拉应力状态。(c) 平面应变时的应力分布 在材料内部，沿厚度方向， z不等于0。(d)平面应变时,局部屈服后的

15、应力分布26 （2）塑性状态下 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。 应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处，该处y，x，z均为最大值。 随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。试样中心区的y最大。出现“缺口强化”（三向拉应力约束了塑性变形） 塑性降低，影响材料的安全使用。27三、缺口试样静拉伸试验1、方法 缺口试样，有轴向拉伸和偏斜拉伸两种。 通常用缺口敏感度 NSR (Notch Sensitivity Ratio) 衡量静拉伸下缺口敏感度指标： NSR=bn/bbn为缺口试样的抗拉强度，b为等截面光滑试样的抗拉强度。

16、 NSR越大，表示缺口敏感度越小. 脆性材料(如铸铁、高碳钢），NSR1，这些材料对缺口很敏感。 高强度材料的NSR一般也小于1。 塑性材料的NSR一般大于1。 利用缺口拉伸试验，还能查明光滑拉伸试样不能显示的力学行为（高强度钢的淬火低温回中火、钢和钛的氢脆，高温合金的缺口敏感性等）。 NSR是反映安全性的力学性能指标。偏斜拉伸，=4o和8o，试样承受拉伸和弯曲。28 2、断口 由于缺口的存在，裂纹源一般在缺口处，然后向内部扩展，一般不存在剪切唇。 偏斜拉伸试样 初始阶段可能呈纤维状；第二阶段则可能呈放射状；当初始阶段与第二阶段相交截时，便形成最终断裂区。29四、缺口试样静弯曲试验 缺口试样的

17、静弯试验则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。 采用试样与冲击样品类似。（图216）30 缺口试样静弯曲曲线 曲线下所包围的面积，表示试样从变形到断裂的总功。 总功由三部分组成： (1)只发生弹性变形的弹性功; (2)发生塑性变形的变形功以面积表示；(3)在达到最大载荷Pmax时试样即出现裂纹。如果裂纹到截荷P1点时开始迅速扩展，直至试样完全破断。这一部分功以面积表示，叫作撕裂功。 可用断裂功，或Pmax/P1,来表示材料的缺口敏感度。P1 试样发生断裂所对应的作用力。 Pm

18、ax/P1 =1时，裂纹扩展极快，缺口敏感度最大。111醉翁亭记 1反复朗读并背诵课文，培养文言语感。2结合注释疏通文义，了解文本内容，掌握文本写作思路。3把握文章的艺术特色，理解虚词在文中的作用。4体会作者的思想感情，理解作者的政治理想。一、导入新课范仲淹因参与改革被贬，于庆历六年写下岳阳楼记，寄托自己“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的政治理想。实际上，这次改革，受到贬谪的除了范仲淹和滕子京之外，还有范仲淹改革的另一位支持者北宋大文学家、史学家欧阳修。他于庆历五年被贬谪到滁州，也就是今天的安徽省滁州市。也是在此期间，欧阳修在滁州留下了不逊于岳阳楼记的千古名篇醉翁亭记。接下来就让我们一起来学

19、习这篇课文吧！【教学提示】结合前文教学，有利于学生把握本文写作背景，进而加深学生对作品含义的理解。二、教学新课目标导学一：认识作者，了解作品背景作者简介：欧阳修(10071072)，字永叔，自号醉翁，晚年又号“六一居士”。吉州永丰(今属江西)人，因吉州原属庐陵郡，因此他又以“庐陵欧阳修”自居。谥号文忠，世称欧阳文忠公。北宋政治家、文学家、史学家，与韩愈、柳宗元、王安石、苏洵、苏轼、苏辙、曾巩合称“唐宋八大家”。后人又将其与韩愈、柳宗元和苏轼合称“千古文章四大家”。关于“醉翁”与“六一居士”：初谪滁山，自号醉翁。既老而衰且病，将退休于颍水之上，则又更号六一居士。客有问曰：“六一何谓也？”居士曰：

20、“吾家藏书一万卷，集录三代以来金石遗文一千卷，有琴一张，有棋一局，而常置酒一壶。”客曰：“是为五一尔，奈何？”居士曰：“以吾一翁，老于此五物之间，岂不为六一乎？”写作背景：宋仁宗庆历五年(1045年)，参知政事范仲淹等人遭谗离职，欧阳修上书替他们分辩，被贬到滁州做了两年知州。到任以后，他内心抑郁，但还能发挥“宽简而不扰”的作风，取得了某些政绩。醉翁亭记就是在这个时期写就的。目标导学二：朗读文章，通文顺字1初读文章，结合工具书梳理文章字词。2朗读文章，划分文章节奏，标出节奏划分有疑难的语句。节奏划分示例环滁/皆山也。其/西南诸峰，林壑/尤美，望之/蔚然而深秀者，琅琊也。山行/六七里，渐闻/水声潺

21、潺，而泻出于/两峰之间者，酿泉也。峰回/路转，有亭/翼然临于泉上者，醉翁亭也。作亭者/谁？山之僧/曰/智仙也。名之者/谁？太守/自谓也。太守与客来饮/于此，饮少/辄醉，而/年又最高，故/自号曰/醉翁也。醉翁之意/不在酒，在乎/山水之间也。山水之乐，得之心/而寓之酒也。节奏划分思考“山行/六七里”为什么不能划分为“山/行六七里”？明确：“山行”意指“沿着山路走”，“山行”是个状中短语，不能将其割裂。“望之/蔚然而深秀者”为什么不能划分为“望之蔚然/而深秀者”？明确：“蔚然而深秀”是两个并列的词，不宜割裂，“望之”是总起词语，故应从其后断句。【教学提示】引导学生在反复朗读的过程中划分朗读节奏，在划

22、分节奏的过程中感知文意。对于部分结构复杂的句子，教师可做适当的讲解引导。目标导学三：结合注释，翻译训练1学生结合课下注释和工具书自行疏通文义，并画出不解之处。【教学提示】节奏划分与明确文意相辅相成，若能以节奏划分引导学生明确文意最好；若学生理解有限，亦可在解读文意后把握节奏划分。2以四人小组为单位，组内互助解疑，并尝试用“直译”与“意译”两种方法译读文章。3教师选择疑难句或值得翻译的句子，请学生用两种翻译方法进行翻译。翻译示例：若夫日出而林霏开，云归而岩穴暝，晦明变化者，山间之朝暮也。野芳发而幽香，佳木秀而繁阴，风霜高洁，水落而石出者，山间之四时也。直译法：那太阳一出来，树林里的雾气散开，云雾

23、聚拢，山谷就显得昏暗了，朝则自暗而明，暮则自明而暗，或暗或明，变化不一，这是山间早晚的景色。野花开放，有一股清幽的香味，好的树木枝叶繁茂，形成浓郁的绿荫。天高气爽，霜色洁白，泉水浅了，石底露出水面，这是山中四季的景色。意译法：太阳升起，山林里雾气开始消散，烟云聚拢，山谷又开始显得昏暗，清晨自暗而明，薄暮又自明而暗，如此暗明变化的，就是山中的朝暮。春天野花绽开并散发出阵阵幽香，夏日佳树繁茂并形成一片浓荫，秋天风高气爽，霜色洁白，冬日水枯而石底上露，如此，就是山中的四季。【教学提示】翻译有直译与意译两种方式，直译锻炼学生用语的准确性，但可能会降低译文的美感；意译可加强译文的美感，培养学生的翻译兴趣

24、，但可能会降低译文的准确性。因此，需两种翻译方式都做必要引导。全文直译内容见我的积累本。目标导学四：解读文段，把握文本内容1赏析第一段，说说本文是如何引出“醉翁亭”的位置的，作者在此运用了怎样的艺术手法。明确：首先以“环滁皆山也”五字领起，将滁州的地理环境一笔勾出，点出醉翁亭坐落在群山之中，并纵观滁州全貌，鸟瞰群山环抱之景。接着作者将“镜头”全景移向局部，先写“西南诸峰，林壑尤美”，醉翁亭坐落在有最美的林壑的西南诸峰之中，视野集中到最佳处。再写琅琊山“蔚然而深秀”，点山“秀”，照应上文的“美”。又写酿泉，其名字透出了泉与酒的关系，好泉酿好酒，好酒叫人醉。“醉翁亭”的名字便暗中透出，然后引出“醉

25、翁亭”来。作者利用空间变幻的手法，移步换景，由远及近，为我们描绘了一幅幅山水特写。2第二段主要写了什么？它和第一段有什么联系？明确：第二段利用时间推移，抓住朝暮及四季特点，描绘了对比鲜明的晦明变化图及四季风光图，写出了其中的“乐亦无穷”。第二段是第一段“山水之乐”的具体化。3第三段同样是写“乐”，但却是写的游人之乐，作者是如何写游人之乐的？明确：“滁人游”，前呼后应，扶老携幼，自由自在，热闹非凡；“太守宴”，溪深鱼肥，泉香酒洌，美味佳肴，应有尽有；“众宾欢”，投壶下棋，觥筹交错，说说笑笑，无拘无束。如此勾画了游人之乐。4作者为什么要在第三段写游人之乐？明确：写滁人之游，描绘出一幅太平祥和的百姓

26、游乐图。游乐场景映在太守的眼里，便多了一层政治清明的意味。太守在游人之乐中酒酣而醉，此醉是为山水之乐而醉，更是为能与百姓同乐而醉。体现太守与百姓关系融洽，“政通人和”才能有这样的乐。5第四段主要写了什么？明确：写宴会散、众人归的情景。目标导学五：深入解读，把握作者思想感情思考探究：作者以一个“乐”字贯穿全篇，却有两个句子别出深意，不单单是在写乐，而是另有所指，表达出另外一种情绪，请你找出这两个句子，说说这种情绪是什么。明确：醉翁之意不在酒，在乎山水之间也。醉能同其乐，醒能述以文者，太守也。这种情绪是作者遭贬谪后的抑郁，作者并未在文中袒露胸怀，只含蓄地说：“醉能同其乐，醒能述以文者，太守也。”此句与醉翁亭的名称、“醉翁之意不在酒，在乎山水之间也”前后呼应，并与“滁人游”“太守宴”“众宾欢”“太守醉”连成一条抒情的线索，曲折地表达了作者内心复杂的思想感情。目标导学六：赏析