第二章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,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。,应力状态软性系数,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，特引入应力状态软性系数 的概念。,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力。 最大正应力Smax按第二强度理论计算，即, 泊松系数。,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

2、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。,一、材料压缩的特点 应力状态系数=2，即应力状态软，材料易产生塑性变形。 铸铁： 拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断，表现出一定的塑性。 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。,第一节 单向压缩,压缩曲线与拉伸曲线的形式相同,二、压缩实验,1：拉伸曲线， 2：压缩曲线 二者弹性模量不同,压缩性能指标（与单向拉伸时基本一致）,1: 规定非比例压缩应力 pc,2: 抗压强度bc：表征材料所能承受的最大压缩载荷,pc = F pc/ A0,bc = F bc/ A0,第二节 弯

3、曲,一、弯曲试验的特点 弯曲试验常用于测定脆性材料的力学性能。 （1）两面应力方向不同：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）可灵敏反应材料表面缺陷； （4）力点处的作用力最大。 弯曲试验常用来作为承受弯曲载荷机件设计和选材依据。,二、弯曲试验,通过三点弯曲获四点弯曲试验，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塑性。 挠度f: 试样截面形心沿y方向的位移。 韧性材料一般不作弯曲强度检测。 加载曲线一般无屈服现象,M为最大弯矩，W为抗弯截面系数。,弹性范围内，受拉侧表面最大弯曲应力,三点弯曲 最大弯矩 M=FL/

4、4 四点弯曲 最大M=FL/2,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 ；,力学性能指标,1、规定非比例弯曲应力（pb）,试样弯曲时，外侧表面的非比例弯曲应变达到规定值（pb）时，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力。,此时弯曲应变应转换成挠度,2、抗弯强度（bb）,试样弯曲至断裂前，达到最大弯曲应力，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力。,pbOC,第三节 扭转,一、扭转试验的特点,1、变形特点 （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。（无颈缩现象） （3）能敏感地

5、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）,2、应力特点 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。 弹性阶段：横截面切应力和切应变线性分布 表层产生塑性变形后：切应变线性分布，且应力在塑性层下降,二、扭转试验 扭转变形曲线：扭矩和扭角的关系 弹性范围内表面切应力和切应变分别为： =T / W T扭矩， T=PL W抗扭截面系数 扭角,W=（d3）/16,获得的力学性能指标,1、切变模量（在弹性范围内）,2、屈服点s 呈明显屈服现象的材料扭转时也呈现屈服现象 s=Ts / W (此时Ts可直接从曲线读取),3、规定非比例扭转应力p(无

6、明显屈服现象时),按弹性扭转公式计算的地表面切应力,p =OC=p2L0n/d0,4、抗扭强度b,按弹性扭转公式计算的，直至断裂时表面的最大切应力, b=Tb / W,此时扭转应变应转换成扭角,1、硬度 表征材料软硬程度的一种性能,随试验方法的不同，物理意义不同。 2）硬度的种类 压入法：布氏硬度、洛氏、维氏、（显微硬度）维氏、普氏 表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。 应力状态软性系数最大，a2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。 划痕法：莫氏硬度 表征材料对切断的抗力。（抗切削能力） 回跳法：肖氏硬度 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

7、定。（都列入表中）,第四节 硬度 一、硬度及其意义,二、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，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(mm2)就是布氏硬度。,d压痕直径 mm，不标出单位。,（2）种类 布氏硬度试验用压头材料不同时，硬度用不同符号表示 HBS 淬火钢（450） 直径D有10，5，2.5，2，1 mm五种。 F/D2的比值有30、15、10、5、2.5、1.25和1七种。 保持时间：黑色金属为1015s；有色金属为30s；对于35HBS的材料为60s。 注意： （1）不同厚度，相

8、同材料时，应尽量保证F/D2=常数（保证压痕相似） （2）不同软硬材料， F/D2值应不同，为保证压入角在一定范围内（2874）,(3)布氏硬度的优缺点 优点：微观组织不均匀影响较小，能较大范围的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，不能直接在工件上测量；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。 d应控制在（0.240.6）D之间,（1）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： 不同的压头，k值不同。 金刚石 k=0.2mm；钢球 k=0.26mm， 锥头又分成=120o的圆锥或四面

9、锥。,2、洛氏硬度,即规定0.002为一个洛氏硬度单位,初始实验力：98N,（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，以测量不同软硬或厚薄试样的硬度。,(3)洛氏硬度的优缺点 优点：压痕小，属无损检测，可直接在工件上进行；硬度值可直接读出。 缺点：压痕小，微观不均匀性影响大；重复性差； HRA、HRB、HRC硬度值彼此没有联系，不能直接进行比较。,分类组合方式,3、维氏硬度,=136o的金刚石四棱锥体压头 与布氏硬度的计算方法相同(加载力除以压痕锥面面积mm2)。 通过测量对角线长度d（mm）计算出HV。 维氏硬度可分为宏观和显微观两种： 宏观：F=49.03980.7N 六级 大载荷 测定较大工件和较深表面层的硬度。 F=1.96149.03N 七级 小载荷，用于测定较薄工件 和工具和表面层或镀层的硬度；测定试