第二章-材料在其它静载下力学性能.ppt

1、第二章其他静加载下的力学性能,十五863子课题验收汇报,利用力学模型建立试验方法，可以得到的主要指标： 压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。,单向静拉伸能解决问题吗？,问题的提出,请以身边例子说明材料或者构件承受不同载荷、不同应力状态？,结合工程力学知识，如何抽象其力学模型！,十五863子课题验收汇报,2.1 应力状态软性系数 2.2 扭转、弯曲与压缩的力学性能 2.3 缺口试样静载力学性 2.4 硬度,学习要求：掌握应力状态软性系数的概念，熟悉应力状态软性系数在实验设计中的应用；熟悉扭转、弯曲与压缩测试方法及其测试的力学性能指标的分析；熟悉缺口对应力状态的影响，了解缺口试样的测试方法

2、；了解硬度测试的物理意义、工程意义，熟悉几种常用的硬度的测试方法。,十五863子课题验收汇报,教学重点：应力状态软性系数的应用；材料的扭转、弯曲、压缩、硬度指标的物理意义以及测量方法；了解缺口对材料力学性能影响。 教学难点： 分析缺口对材料力学性能的影响。,十五863子课题验收汇报,过一点不同方向面上应力的集合，称之为这一点的应力状态。,应 力,指明,1、应力状态软性系数概念,应力状态,十五863子课题验收汇报,式中 最大切应力max按第三强度理论计算，最大正应力Smax按第二强度理论计算。,2.1 应力状态软性系数,复习工程力学知识，这为何理论？,应力状态系数 定义为：,十五863子课题验收

3、汇报,从定义看出： 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。,2.1 应力状态软性系数,十五863子课题验收汇报,2、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。 返回,2.1 应力状态软性系数,十五863子课题验收汇报,3.2 材料选择、新材料开发试验方法的选择,3. 的应用（讨论的方式进行

4、）,A.脆性材料试验方法的选择：为什么？ B.塑性材料试验方法：为什么？,2.1 应力状态软性系数,3.1材料、构件性能检测分析 （以实际工况为依据选择，做分析可以做试验设计）,十五863子课题验收汇报,3.3 实际构件在设计、使用中改变应力状态，控制塑性变形大小（比如，大理石使用、深海海底的岩石、钢球体放入沸腾的热油中,将引起爆裂）,思考： 1.如何利用科学的试验方法设计、数据处理方法 表现新材料的优越性能？,1 、应力应变特点,一、扭转试验,2.2 扭转、弯曲与压缩的力学性能,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 （3-1）,式中M为扭

5、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 （3-2） 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,见图3-1(a)；为扭转角; L0为杆的长度。,标准：GB10128-88金属室温扭转试验方法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。扭转试件如图3-2所示(略), 标距为100mm；有时也采用标距为50mm的短试件。,2 、扭转试验及测定的力学性能,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

6、0.3, 和抗扭强度,切变模量 G =/=32Ml0(d04) 3-3) 扭转比例极限p p=Mp/W (3-4) 式中Mp为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩。 扭转屈服强度0.3 0.3 = M0.3 /W (3-5) 式中M0.3为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩。,抗扭强度 b=Mb/W (3-6)式中Mb为试件断裂前的最大扭矩。,扭转试验的特点及应用 (1)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。 (2)圆柱试件在扭转试验时，整个长度上的塑性变形始终是均匀的，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

7、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。 (3)扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式，正断或切断。,(4)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。 (5)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,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，扭转试验在科研和

8、生产检验中得到较广泛地应用。 然而，扭转试验的特点和优点在某些情况下也会变为缺点，例如，由于扭转试件中表面切应力大，越往心部切应力越小，当表层发生塑性变形时，心部仍处于弹性状态(见图3-1(c)。因此，很难精确地测定表层开始塑性变形的时刻，故用扭转试验难以精确地测定材料的微量塑性变形抗力。,三、 弯曲试验,1、弯曲试验方法 （GB/T14452-93）金属弯曲力学性能试验方法,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关系曲线，称为弯曲图。图2-6表示三种不同材料的弯曲图。,图2-6 典型的弯曲图， （a）塑性材料，（b）中等塑性材料

9、，（c）脆性材料,对于脆性材料，可根据弯曲图(见图2-6(c)，用下式求得抗弯强度bb bb=Mb/W 式中Mb为试件断裂时的弯矩，W为截面抗弯系数，可根据弯曲图上的最大载荷Pb,按下式计算： 对三点弯曲试件: Mb=PbL4. 对四点弯曲试件: Mb=PbK2,2、弯曲试验的应用,用于测定灰铸铁的抗弯强度，灰铸铁的弯曲试件一般采用铸态毛坯圆柱试件。 用于测定硬质合金的抗弯强度，硬质合金由于硬度高，难以加工成拉伸试件，故常做弯曲试验以评价其性能和质量。 陶瓷材料的抗弯强度测定。,四、 压缩试验,1 、单向压缩试验（GB7314-87金属压缩试验方法） 单向压缩时应力状态的柔度系数大，故用于测定

10、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。,图2-7 压缩载荷变形曲线,1-塑性材料，2-脆性材料,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和相对断面扩展率ck。 抗压强度bc bc=Pbc/A0 (3-13) 相对压缩ck ck=(h0-hk)/h0100 (3-14) 相对断面扩胀展率ck ck=(Ak-A0)/A01

11、00 (3-15) 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高度；A0和Ak分别为试件的原始截面积和断裂时的截面积。 常用的压缩试件为圆柱体。试件的高度和直径之比h0d0应取1.5-2.0。,十五863子课题验收汇报,第三节 缺口试样静载力学性能,十五863子课题验收汇报,一、缺口处的应力分布特点及缺口效应,1弹性状态下的应力分布,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,2塑性状态下的应力分布,在有缺口条件下，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口“强化”现象缺口使塑性材料得到“强化”，这是缺

12、口的第三个效应,十五863子课题验收汇报,1.缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸,二、缺口试样的静拉伸及静弯曲性能,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,2缺口试样静弯曲,十五863子课题验收汇报,为某材料的缺口弯曲曲线，它反映了缺口试样， 变形和断裂的整个过程。若将该负荷-变形曲线所包围的面积分为三部分：弹性变形区I、塑性变形区和断裂区，则各区所占面积分别为弹性功、塑性功和断裂功。,十五863子课题验收汇报,缺口试样的拉伸试验，用于测定拉伸条件下材料对缺口的敏感性，衡量在硬性应力状态(0.5)和应力集中条件下材料的脆化倾向。试验时常用试样的抗拉强度 bN与等截

13、面尺寸光滑试样的抗拉强度 的比值作为材料的缺口敏感性指标，并称为缺口敏感度，用q或NSR(notch-sensitivity-ratio)表示 qe bN/ (214),三、材料缺口敏感度及其影响因素,十五863子课题验收汇报,对脆性材料，qe永远小于1，表明缺口处尚未发生明显塑性变形就已发生脆性断裂。高强度材料的qe一般小于1，缺口不太尖锐的塑性材料，拉伸时可能产生塑性变形，此时qe总会大于1。总的来讲，无论是塑性材料还是脆性材料，其比值q越大，缺口敏感性 越小。材料缺口敏感性除与材料本身性能、应力状态(加载方式)有关外，还与缺口形状、尺寸、试验温度有关。,第四节 硬度,古时，利用固体互相刻

14、划来区分材料的软硬，目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。 硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。 硬度值大小取决于材料的性质、成分和显微组织，测量方法和条件不符合统一标准就不能反映真实硬度。硬度测定简便，造成的表面损伤小。 测定硬度的方法很多，主要有压入法，回跳法和刻划法三大类。,前言,布氏硬度计,一、布氏硬度试验方法,施加压力P,压头直径D, 压痕深度h或直径d,计算出布氏硬度值，单位为kgf/mm2 。 公式表明，当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。,压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBW HBS或HBW之前的数字表示

15、硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。 例：150HBSl0300030表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值为150；500HBW5750，表示用硬质合金球，压头直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒，测得布氏硬度值为500。,由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，压入角应相等。布氏硬度相同时，要保证压入角相等，则P/D2应为常数。 国标GB231-84根据材料的种类及布氏硬度范围，规定了7种P

16、/D2之值。,十五863子课题验收汇报,由式可知，要保证所得压人角相等，必须使P/D2为一常数,压头直径选定: 试件的厚度应大于压痕深度的10倍。尽可能选用大直径的压头。 测试加载压力与试件表面垂直，均匀平稳，无冲击。 压力作用下的保持时间有规定，对黑色金属应为10秒，有色金属为30秒，对HB35的材料为60秒。,布氏硬度的特点和适用范围,压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。布氏硬度分散性小，重复性好 适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，象灰铸铁和轴承合金等。 压痕较大，不宜在实际零件表面、薄壁件、表面硬化层上测定布氏硬度。 需更换

17、压头和载荷，同时压头直径的测量也较麻烦。 淬火钢球作压头，测定HB450的材料的硬度； 硬质合金球作压头，测定的硬度可达650HB,二、洛氏硬度试验方法,洛氏硬度是直接测量压痕深度，压痕愈浅表示材料愈硬 常用的压头： 顶角为1200的金刚石圆锥体 直径为1.588mm(116英寸)的钢球压头,常用A、B和C三种标尺，C标尺最普遍。用这三种标尺的硬度记为HRA、HRB和HRC： HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。,测定HRC采用金刚石压头。,先加10kgf预载，压入材

18、料表面的深度为t0，调整表盘上的指针指向零点(见图4-3(a)。 然后再加上140kgf主载荷，压头压入表面的深度为t1，表盘上的指针逆时针方向转到相应的刻度(见图4-3(b)。,卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复，压头将回升一段距离，即(t1-t)，表盘上的指针将相应地回转(见图4-3(c)。 最后，在试件表面留下的残余压痕深度为t。 为符合人的思维，即数值越大越硬，规定：t0.2mm时,HRC0；t0,HRC100，压痕深度每增0.002mm, HRC降低1个单位。于是有 HRC(0.2-t)0.002（100-t）0.002,图4-3 洛氏硬度试验过程的示意图,洛氏硬度的优缺点及

19、其应用,优点： 因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，故测定洛氏硬度更为简便迅速,工效高； 对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验； 因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。,缺点: 不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。 由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差.,三、表面洛氏硬度试验方法,洛氏硬度施加的压力大，不宜用于测定极薄的工件和表面硬化层.发展了表面洛氏硬度试验。 与普通洛氏硬度主要不同点： 1）预载荷为3kgf(29.42N)，总载荷比较小,分别为15kgf,30kgf和45kgf(441.3N) 2）取t0.1mm时的洛

20、氏硬度为零，深度每增大0.001mm,表面洛氏硬度降低一个单位。,四、 维氏硬度试验方法,维氏硬度测定的原理与方法基本上与布氏硬度的相同，根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为136，所加的载荷较小。 已知载荷P，测得压痕两对角线长度后取平均值d，计算维氏硬度值，单位为kgf/mm2 HV=1.8544P/d2,维氏硬度的表示方法与布氏硬度的相同： 例：640HV3020，最前数字为硬度值，后面数字依次为载荷/保持时间。,维氏硬度的特点和应用 维氏硬度测试采用了四方角锥体压头，各种载荷作用下所得的压痕几何相似，载荷大小任

21、意选择，所得硬度值均相同。 测量范围较宽，软硬材料都可测。 压痕为一轮廓清晰的正方形，对角线长度易于精确测量，故精度较布氏法的高。 效率低，压痕面积小，代表性差。,五、显微硬度试验方法,布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均硬度值 测定极小范围内的硬度，需用显微硬度试验，例如某个晶粒，某个组成相或夹杂物的硬度 显微硬度试验一般是指测试载荷小于200g力的硬度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度,显微维氏硬度 显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，仍用HV表示。 测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理，必须注明载荷大小，以

22、便比较。,如340HV0.1表示用0.1kgf的载荷测得的维氏显微硬度为340， 340HV0.05则是表示用0.05kgf的载荷测得的硬度为340.,显微硬度试验特点及应用 特点： 1）载荷小，压痕极小，几乎不损坏试 件，便于测定微小区域内的硬度值。 2）灵敏度高。,十五863子课题验收汇报,强度理论复习（工程力学）,材料因强度不足而引起失效,主要取决于：,1.材料本身的性质， 包括塑性材料和脆性材料：,十五863子课题验收汇报,简单应力状态直接通过试验结果建立：,单向拉压：,纯剪切：,2.材料的受力状态，包括简单应力状态，复杂应力状态,十五863子课题验收汇报,强度理论的基本思想 ： 1)

23、确认引起材料失效存在共同的力学原因，提出关于这一共同力学原因的假设； 2)根据实验室中标准试件在简单受力情况下的破坏实验（如拉伸）结果，建立起材料在复杂应力状态下共同遵循的弹性失效准则和强度条件。 3)基本力学原因假设：脆性断裂和塑性屈服两类失效形式,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,一、最大拉应力（第一强度）理论： 认为构件的断裂是由最大拉应力引起的。当最大拉应力达到单向拉伸的强度极限时，构件就断了。,1、破坏判据：,2、强度准则：,3、实用范围：适用于破坏形式为脆断的构件。,十五863子课题验收汇报,试验证明，这一理论与铸铁、岩石、砼、陶瓷、玻璃等脆性材料的拉断试验结果相符，这些材料