第二章金屬在其他靜載荷下的力學性能

1、第二章 金屬在其他靜載荷下的力學性能,主要指： 壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、硬度、和帶缺口試樣力學性能 原因： 零部件在使用過程中將承受不同類型的外應力；零件內(nèi)部存在不同的應力狀態(tài)。,應力狀態(tài)軟性系數(shù),材料的塑性或脆性并非絕對，為了表示外應力狀態(tài)對材料塑性變形的影響，特引入應力狀態(tài)軟性系數(shù) 的概念。,式中 最大切應力max按第三強度理論計算， 即 max=1/2(1-3)， 1，3分別為最大和最小主應力。 最大正應力Smax按第二強度理論計算，即, 泊松系數(shù)。,單向拉伸 =1/2 扭轉(zhuǎn) =1/（1+）0.8 單向壓縮 =1/（2） 2 應力狀態(tài)系數(shù)表示材料塑性變形的難易程度。 越大表示在該應力狀態(tài)下切應

2、力分量越大，材料就越易塑性變形。 把 值較大的稱做軟的應力狀態(tài)， 值較小的稱做硬的應力狀態(tài)。,一、材料壓縮的特點 應力狀態(tài)系數(shù)=2，即應力狀態(tài)軟，材料易產(chǎn)生塑性變形。 鑄鐵： 拉伸時斷口為正斷；壓縮時沿45o方向切斷，表現(xiàn)出一定的塑性。 塑性變形小的材料，或者使用工況為壓縮狀的材料，應采用壓縮實驗。,第一節(jié) 單向壓縮,壓縮曲線與拉伸曲線的形式相同,二、壓縮實驗,1：拉伸曲線， 2：壓縮曲線 二者彈性模量不同,壓縮性能指標（與單向拉伸時基本一致）,1: 規(guī)定非比例壓縮應力 pc,2: 抗壓強度bc：表征材料所能承受的最大壓縮載荷,pc = F pc/ A0,bc = F bc/ A0,第二節(jié) 彎

3、曲,一、彎曲試驗的特點 彎曲試驗常用于測定脆性材料的力學性能。 （1）兩面應力方向不同：上表面為壓應力，下表面為拉應力； （2）表面應力最大，中心的為零； （3）可靈敏反應材料表面缺陷； （4）力點處的作用力最大。 彎曲試驗常用來作為承受彎曲載荷機件設計和選材依據(jù)。,二、彎曲試驗,通過三點彎曲獲四點彎曲試驗，記錄彎曲力F和試樣撓度f之間的關(guān)系，求出斷裂時的抗彎強度和最大撓度，以表示材料的強度和塑性。 撓度f: 試樣截面形心沿y方向的位移。 韌性材料一般不作彎曲強度檢測。 加載曲線一般無屈服現(xiàn)象,M為最大彎矩，W為抗彎截面系數(shù)。,彈性范圍內(nèi)，受拉側(cè)表面最大彎曲應力,三點彎曲 最大彎矩 M=FL/

4、4 四點彎曲 最大M=FL/2,直徑為d的圓形試樣，抗彎截面系數(shù) W=（d3）/32 對于寬度為b，高為h的矩形試樣，抗彎截面系數(shù) W=bh2/6 ；,力學性能指標,1、規(guī)定非比例彎曲應力（pb）,試樣彎曲時，外側(cè)表面的非比例彎曲應變達到規(guī)定值（pb）時，按彈性彎曲應力公式計算的最大彎曲應力。,此時彎曲應變應轉(zhuǎn)換成撓度,2、抗彎強度（bb）,試樣彎曲至斷裂前，達到最大彎曲應力，按彈性彎曲應力公式計算的最大彎曲應力。,pbOC,第三節(jié) 扭轉(zhuǎn),一、扭轉(zhuǎn)試驗的特點,1、變形特點 （1）能檢測在拉伸時呈脆性的材料的塑性性能。 （2）長度方向，宏觀上的塑性變形始終是均勻的。（無頸縮現(xiàn)象） （3）能敏感地

5、反映材料表面的性能 （4）斷口的特征最明顯 （正斷、切斷、層狀斷口等）,2、應力特點 縱向 受力均勻； 橫向 表面最大，心部為0； 最大正應力與最大切應力相等。 彈性階段：橫截面切應力和切應變線性分布 表層產(chǎn)生塑性變形后：切應變線性分布，且應力在塑性層下降,二、扭轉(zhuǎn)試驗 扭轉(zhuǎn)變形曲線：扭矩和扭角的關(guān)系 彈性范圍內(nèi)表面切應力和切應變分別為： =T / W T扭矩， T=PL W抗扭截面系數(shù) 扭角,W=（d3）/16,獲得的力學性能指標,1、切變模量（在彈性范圍內(nèi)）,2、屈服點s 呈明顯屈服現(xiàn)象的材料扭轉(zhuǎn)時也呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象 s=Ts / W (此時Ts可直接從曲線讀取),3、規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應力p(無

6、明顯屈服現(xiàn)象時),按彈性扭轉(zhuǎn)公式計算的地表面切應力,p =OC=p2L0n/d0,4、抗扭強度b,按彈性扭轉(zhuǎn)公式計算的，直至斷裂時表面的最大切應力, b=Tb / W,此時扭轉(zhuǎn)應變應轉(zhuǎn)換成扭角,1、硬度 表征材料軟硬程度的一種性能,隨試驗方法的不同，物理意義不同。 2）硬度的種類 壓入法：布氏硬度、洛氏、維氏、（顯微硬度）維氏、普氏 表征材料的塑性變形抗力及應變硬化能力。 應力狀態(tài)軟性系數(shù)最大，a2，幾乎所有的材料都能產(chǎn)生塑性變形。 劃痕法：莫氏硬度 表征材料對切斷的抗力。（抗切削能力） 回跳法：肖氏硬度 表征金屬彈性變形功的大小。 同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一材料進行標

7、定。（都列入表中）,第四節(jié) 硬度 一、硬度及其意義,二、硬度試驗,1、布氏硬度 （1）原理 用一定直徑D的鋼球或硬質(zhì)合金球為壓頭，施以一定的試驗力，將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力。試樣表面留下壓痕。力除以壓痕球形表面積(mm2)就是布氏硬度。,d壓痕直徑 mm，不標出單位。,（2）種類 布氏硬度試驗用壓頭材料不同時，硬度用不同符號表示 HBS 淬火鋼（450） 直徑D有10，5，2.5，2，1 mm五種。 F/D2的比值有30、15、10、5、2.5、1.25和1七種。 保持時間：黑色金屬為1015s；有色金屬為30s；對于35HBS的材料為60s。 注意： （1）不同厚度，相

8、同材料時，應盡量保證F/D2=常數(shù)（保證壓痕相似） （2）不同軟硬材料， F/D2值應不同，為保證壓入角在一定范圍內(nèi)（2874）,(3)布氏硬度的優(yōu)缺點 優(yōu)點：微觀組織不均勻影響較小，能較大范圍的反映材料的平均性能。試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性好，應用廣泛。 缺點：屬有損檢測，不能直接在工件上測量；不能連續(xù)檢測。 為保證數(shù)據(jù)可靠，需根據(jù)材料的種類和試樣的厚薄更換壓頭。 d應控制在（0.240.6）D之間,（1）原理 以壓頭留下的壓痕深度來表示材料的硬度值。 壓痕深度h越大，硬度值越低。？ 規(guī)定： 不同的壓頭，k值不同。 金剛石 k=0.2mm；鋼球 k=0.26mm， 錐頭又分成=120o的圓錐或四面

9、錐。,2、洛氏硬度,即規(guī)定0.002為一個洛氏硬度單位,初始實驗力：98N,（2）種類 HRA、HRB、HRC 最常用。改變壓力和壓頭，可適用于不同的測試范圍，以測量不同軟硬或厚薄試樣的硬度。,(3)洛氏硬度的優(yōu)缺點 優(yōu)點：壓痕小，屬無損檢測，可直接在工件上進行；硬度值可直接讀出。 缺點：壓痕小，微觀不均勻性影響大；重復性差； HRA、HRB、HRC硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能直接進行比較。,分類組合方式,3、維氏硬度,=136o的金剛石四棱錐體壓頭 與布氏硬度的計算方法相同(加載力除以壓痕錐面面積mm2)。 通過測量對角線長度d（mm）計算出HV。 維氏硬度可分為宏觀和顯微觀兩種： 宏觀：F=49.03980.7N 六級 大載荷 測定較大工件和較深表面層的硬度。 F=1.96149.03N 七級 小載荷，用于測定較薄工件 和工具和表面層或鍍層的硬度；測定試