力学性能2013-2.ppt

第2章材料在其他静载荷下的力学性能材料在实际应用时承受扭转 弯曲 压缩以及带有台阶 孔洞 螺纹等情况 第1节应力状态软性系数对材料的单向静拉伸试验的分析研究表明 材料的塑性变形和断裂方式主要与应力状态有关 正应力容易导致脆性的解理断裂 切应力容易导致材料的塑性变形和韧性断裂 而实际应用中的材料 其变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态 1 应力状态软性系数定义 最大切应力最大正应力应力状态软性系数 2 几种应力状态下的应力状态软性系数取泊松比单向拉伸 单向压缩 扭转 值越大 切应力所占比例越大 越有利于塑性变形 第2节压缩 弯曲与扭转下的力学性能2 1压缩1 压缩试验特点1 单向压缩试验的应力状态软性系数 2 比拉伸 扭转 弯曲的应力状态都软 所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定 以显示这类材料在塑性状态下的力学行为 2 拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂 脆性金属材料在拉伸时产生来自于载荷轴线的正断 塑性变形量几乎为零 而在压缩时除能产生一定的塑性变形外 常沿与轴线呈45 方向产生断裂 具有切断特征 2 压缩试验下力学性能指标 a 规定非比例应力 pc非比例压缩变形到达规定原始标距百分比时的应力 pc0 01 pc0 2压缩屈服强度 sc b 抗压强度 bc试样压制破坏最大应力 c 相对压缩率相对断面扩展率 d 压缩弹性模量Ec 2 2弯曲1 弯曲试验的特点 1 弯曲试验试佯形状简单 操作方便 可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性 2 弯曲试样表面应力最大 可较灵敏地反映材料表面缺陷 2 弯曲下的力学性能三点弯曲 四点弯曲试验 一般记录弯曲力F与试样挠度f的关系曲线 在弹性范围为内 受拉侧表面最大弯曲应力M为最大弯矩W为试样弯曲截面系数 力学性能指标 a 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计算的最大弯曲应力 pb0 01 pb0 2 b 抗弯强度 bb压缩弯曲至断裂前最大弯曲力 c 弯曲弹性模量Eb 断裂挠度fb 及断裂能量 2 3扭转1 扭转试验的特点1 扭转的应力状态软性系数 0 8 比拉伸时的 值大 易于显示金属的塑性行为 2 圆柱形试样扭转时 整个长度上塑性交形是均匀的 没有缩颈现象 所以能实现大塑性变形量的试验 3 能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能 因此 可利用扔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上艺的效果 4 扭转时试样中的最大正府力与最大切应力在数值上大体相等 而生产上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度 所以 扭转试验是测定这些材料切断强度最可靠的方法 2 扭转下力学性能指标试样尺寸 直径d0 10mm 标距长度l0 50mm或100mm 获得扭矩T 扭角曲线 2 扭转力学性能指标 a 切变模量G弹性范围内 切应力与切应变之比 b 扭转屈服点 s具有明显拉伸物理屈服现象的金属材料 扔转试验时也同样有屈服现象 c 抗扭强度 b试样在扭断前承受的最大扭短 Tb 利用弹性扭转公式计算的切应力称为抗扭强度 第3节材料的硬度金属硬度的意义及硬度试验的特点硬度试验方法很多 大体上分为压入法 如硬度 洛氏硬度 维氏硬度等 划痕法 如莫氏硬度 和弹性回跳法 如肖氏硬度 等三类 硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能 其物理意义随试验方法不同而不同 例如 划痕法硬度值主要表征金属切断强度 回跳法硬度值主要表征金属弹性变形功的大小 压入法硬度值则表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力 因此 硬度不是金属独立的力学性能 3 1布氏硬度试验1 测试原理 布氏硬度试验的原理是用一定直径D mm 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t s 后 卸除试验力 试样表面将残留压痕 测量压痕平均直径d mm 求得压痕球形面积A mm2 布氏硬度值HB就是试验力F除以压痕球形表面积A所得的商 其计算公式为F单位为kgf D和d单位为mm时 F单位为ND和d单位为mm时 布氏硬度单位 kgf mm2一般不标 MPa 标记 2 布氏硬度表示方法压头为淬火钢球 HBS布氏硬度 450压头为硬质合金球 HBW布氏硬度450 650280HBS10 300 30540HBW5 750 3 布氏硬度试验规程对于材料相同而厚薄不同的试样 要测得相同的布氏硬度值 或对软硬不同的材料 要求测得的硬度具有可比性 在选配压头直径D及试验力F时 应保证得到几何相似的压痕 即压痕的压入角 保持不变 如图所示 为此 应使与此同时 压痕直径d应控制在 0 24 0 6 D之间 以保证得到有效的硬度值 硬度试验用的压头直径D有10mm 5mm 2 5mm 2mm和1mm五种 要根据试样厚度选择 应使压痕深度h小于试杆厚度的1 10 当试样厚度足够时 应尽可能选用直径为10mm的压头 布氏硬度试验的F D2的比值有30 15 10 5 2 5 1 25和1七种 其中30 10 2 5三种最常用 4 布氏硬度的优缺点适用范围优点 代表性全面 因为其压痕面积较大 能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数据 故特别适宜于测定灰铸铁 轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料 试验数据稳定 试验数据从小到大都可以统一起来 缺点 钢球本身变形问题 对HB 450以上的太硬材料 因钢球变形已很显著 影响所测数据的正确性 因此不能使用 由于压痕较大 不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验 也不宜于薄件试验 此外 因需测量d值 故被测处要求平稳 操作和测量都需较长时间 故在要求迅速检定大量成品时不适合 3 2洛氏硬度1 测试原理 测量压痕深度表示材料硬度 压头 a 圆锥角 120 的金刚石圆锥体 b 直径 1 588mm淬火钢球或硬质合金球计算公式 洛氏硬度以压痕深度h来计算 h越大 硬度值越低 为了习惯 洛氏硬度计算公式为 金刚石圆锥压头k 0 2mm 淬火钢球或硬质合金球k 0 26mm 2 几种不同洛氏硬度标尺 表面洛氏硬度试验标尺 3 洛氏硬度表示方法60HRBW50HRC45HR45NS 淬火钢球 W 硬质合金球 4 洛氏硬度试验的优缺点优点 1 因有硬质 软质两种压头 故适于各种不同硬质材料的检验 不存在压头变形问题 2 压痕小 不伤工件表面 3 操作迅速 立即得出数据 生产效率高 适用于大量生产中的成品检验 缺点 1 压痕小 代表性差 不均匀材料 硬度分散性大 2 用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来 无法进行比较 3 3维氏硬度1 测试原理压头为锥面夹角为136 的金刚石四棱锥体 计算公式F单位kgf d单位mmHV单位 kgf mm2F单位N d单位mmHV单位 kgf mm2通常载荷 100 50 30 20 10 5kgf小负荷 3 2 1 0 5 0 3 0 2kgf 2 维氏硬度表示方法 640HV30 203 维氏硬度特点 a 金刚石四棱锥压头不存在压头变形和更换压头的过程 b 软硬材料都可测 压痕清晰 易于测量 c HV 450与布氏硬度值大致相当 3 4显微硬度1 测试原理 当HV硬度测试载荷减小时 可以测量极小范围的HV硬度值 载荷 0 01 0 02 0 03 0 1 0 2 kgf10 20 30 100 200 gf2 表示方法 F单位gf d单位 mHV单位 kgf mm2340HV0 05 3 5硬度与其它力学性能指标的关系不同金属材料k值不同 同一金属材料 尽管经过热处理后k值基本不变 但冷变形提高硬度 k值不在是常数 对于钢铁 第三章材料在冲击载荷下的力学性能引言 1 冲击载荷 高速作用物体上的载荷称为冲击载荷 加载速率比较快102 104 s 加载速率快 材料应变速率快 许多机器零件在服役时往往受冲击载荷的作用 a 汽车行驶通过道路上的凹坑 b 飞机起飞和降落的起落架 c 内燃机膨胀冲程的活塞和连杆 d 金属压力加工 锻造 模锻 等 实验表明 应变速率10 4 10 2 s范围内 力学性能没有明显变化 但应变速率大于10 2 s性能发生显著变化 第1节冲击载荷下材料变形和断裂的特点弹性变形是以声速在介质中传播的 在金属介质中声速是相当大的 如在钢中为4982m s 普通摆锤冲击试验的绝对变形速度只有5 5 5m s 这样 冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化 因而应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响 但是应变率对塑性变形 断裂及有关的力学性能能却有显著的影响 特点 1 材料出现附加的硬化效应在冲击载荷下 几乎瞬时作用于位错上相当高的应力 结果位错运动速率增加 这将使派纳力增大 因为位错宽度及其能量与位错运动速率有关 运动速率越大 则能量越大 宽度越小 故派纳力越大 结果滑移临界切应力增大 金属产生附加强化 2 塑性变形极不均匀由于冲击载荷下应力水平比较高 将使许多位错源同时开动 结果抑制了单晶体中的易滑移阶段的产生和发展 此外 冲击载荷还增加位锗密度和滑移系数目 出现孪晶 减小位错运动自由行程平均长度 增加点缺陷浓度 使金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行 显微观察表明 在静载荷下下 塑性交形比较均匀地分布在各个晶粒中 而在冲击载荷下 塑性变形则比较集中在某些局部区域 这反映了塑性变形是极不均匀的 3 在高形变速率下某些金属可能显示较高的塑性如密排六方金属爆炸成形 4 塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂力式有关 如在一定加载规范和温度下 材料产生正断 则断裂应力变化不大 塑性随应变率增加而减小 如果材料产生切断 则断裂应力随应变率提高显著增加 塑性可能不变 也可能提高 第2节缺口试样的力学性能1 缺口效应缺口 截面急剧变化的部位 如键槽 油孔 轴肩 螺纹 退刀槽及焊缝等 缺口效应 出于缺口的存在 在静载荷作用下 缺口截面上的应力状态将发生变化 从而影响金属材料的力学性能 产生所谓 缺口效应 2 缺口试样在弹性状态下应力分布 特点 a 缺口出现应力集中 应力集中系数Kt 缺口几何参数 只与缺口形状 深度 角度和根部曲率半径有关 与材料无关 b 在x轴和Z轴方向出现应力分布 它是材料在该方向收缩引起的 假如沿x方向将薄板等分成很多细小的纵向拉伸试样 每个小试样受拉伸作用 根据小试试样所处位置不同 它们所受的应力大小也不一样 越靠近缺口根部 应力越大 相应的纵向应变也越大 每一小试样在产生纵向应变时 必然要产生横向收缩应变 旦 如果核向收缩能自由进行 则每个小试样将彼此分离开来 们是 实际上薄板是弹性连续介质 不允许各部分自由收缩变形 由于此种约束 各小试样在相邻界面上必然要产生横向拉应力 以阻止横向收缩 缺口第一个效应 缺口存在 引起应力集中 并改变缺口前方应力状态 由原来的单向应力改变为两向或三向应力状态 3 缺口试样在弹塑性下的应力分布对于塑性较好的金属材料 若缺口根部产生塑性变形 应力将重新分布 并随载荷的增大塑性区逐渐扩大 直至整个截面上都产生塑性变形 多向应力状态下的屈服判据 Tresca最大切应力判据 Mises畸变能判据 其中三个方向的主应力 且 对于厚板缺口试样根据Tresca最大切应力判据 在缺口根部在缺口内部 应力增加到塑性区与弹性区交界处 缺口第二个效应缺口使塑性材料强度增加 塑性降低 脆断倾向加大 1 冲击弯曲实验缺口试样冲击弯曲试验原理如图所示 试样为U型缺口或V型缺口 分别成为夏比U型缺口或夏比V型缺口尺寸10 10 55mm3 4 冲击弯曲实验和冲击韧性 2 冲击功 冲击韧性冲击功 试样在冲击载荷下变形和断裂所消耗的功 韧性 材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 静力韧性 静拉伸载荷下 冲击韧性 冲击载荷下 韧度 韧性的度量 静力韧度 金属材料在静拉伸载荷下单位体积断裂前所吸收的功 冲击韧度 单位面积冲击功B冲击试样的净截面积 3 冲击功 冲击能 与测试温度的关系 4 冲击韧性的应用 a 控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量 通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析 可揭示原材料中的夹渣 气泡 严重分层 偏祈以及夹杂物超级等冶金缺陷 检查过热 过烧 回火脆性等锻造或热处理缺陷 2 根据系列冲击试验 低温冲击试验 可得AKU或AKV与温度的关系曲线 测定材料的韧脆转变温度 据此可以评定材料的低温脆性倾向 供选材时参考或用于抗脆断设计 设计时 要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度 第3节低温脆性 1 低温脆性现象及韧脆转变温度TK系列冲击实验证明 体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金 尤其是工程上常用的中 低强度结构钢 当试验温度低于某一温度Tk时 材料由韧性状态变为脆性状态 冲击吸收功明显下降 断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理 断口特征由纤维状变为结晶状 这就是低温脆性 转变温度TK称为韧脆转变温度或冷脆转变温度 2 低温脆性产生的原因 材料低温脆性的产生与其屈服强度 s和断裂强度 c随温度的变化有关 3 韧脆转变温度TK的确定 1 按能量定义TK的方法 a 当低于某一温度 金属材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化 形成一平台 该能量称为 低阶能 以低阶能开始上升的温度定义为TK 记为NDT b 高于某一温度 材料吸收的能量也基本不变 出现一个上平台 称为 高阶能 以开始的高阶能对应的温度为TK 记为FTP c 以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义TK 记为FTE 2 按断口形貌定义TK的方法 实验表明 温度下降 断口纤维区面积减小 结晶区面积增大 材料由韧变脆 取结晶区面积占整个断口面积50 时的温度为TK 记为FATT50 韧脆转变温度TK的实际应用韧脆转变温度TK也是材料韧性指标 反映温度对韧性的影响 一般选用材料应该具有一定的韧性温度储备 即具有一定的 值 T0 TK其中T0为使用温度 为保证安全 要求 60度冲击载荷重要零件 20度不受冲击载荷的非重要零件 40度介于二者之间 4 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素1 晶体结构体心立方金属及其合金存在低温脆性 面心立方金属及其合金一般不存在低温