第一章 金属在其它静载荷下的力学性能.ppt

金属的力学行为 材料科学与工程学院 重庆理工大学ChongQingInstitueofTechnology MechanicalBehaviourofMetal 典型静载实验 压缩实验 弯曲实验 扭转 静拉伸 硬度试验 应力状态 应力状态软性系数 单向拉伸扭转单向压缩 静载试验 扭转 弹性变形 各点的切应变 应力与该点距中心的距离成正比塑性变形 各点的切应变仍与该点距中心的距离成正比 但切应力则因塑性变形而降低 扭转 试样规格 表面应力状态 切线和平行于轴线的方向上切应力最大 与轴线成45 的方向上 最大 用圆柱形 实心或空心 试件 在扭转试验机上进行 扭转试件标距为100mm 有时也采用标距为50mm的短试件 扭转 扭转图 扭转特点 D 应力状态柔度系数较大 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 塑性变形始终均匀 不会出现静拉伸颈缩现象 精确地测定 单向拉伸或压缩试验时难以做到的 高塑性材料的变形抗力和能力 扭转试验明确区分断裂方式 正断或切断 对金属表面缺陷敏感 可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 用热扭转试验确定材料在热加工 轧制 锻造 挤压 时的最佳温度 研究 评定单相合金材料在高温时发生的动态回复和动态再结晶过程 研究多相合金不稳定组织的转变 或模拟某种热加工成形方式研究其组织特点 扭转 应用 弯曲实验 应力状态介于拉伸和扭转试验方法之间 测定脆性和低塑性材料 如铸铁 高碳钢 工具钢等 的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度 特点应用 钢铁试验方法选择 结构钢常温下的力学性能由拉伸试验评定 结构材料的热变形性能由扭转试验评定 工具钢常温下的力学性能由弯曲试验评定 试样规格 圆形 矩形跨距 一般为直径的10倍 脆性材料 弯曲试验测弯曲断裂强度 塑性材料 检验其延展性和均匀性展性和均匀性 冷弯试验 试验时将试样加载 使其弯曲到一定程度 观察试样表面有无裂缝 三点弯曲 四点弯曲 最大挠度fmax 表征材料的变形性能 脆性材料抗弯强度 bb GB14452 93 bb Mb W 三点弯曲试件 Mb PbL 4四点弯曲试件 Mb PbK 2d0的圆柱试件 W d03 32 宽b 高h的矩形截面试件 W bh2 6 一些材料的抗张 挠曲及压缩强度 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 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 规格 5 5 30mm 跨距为24mm 陶瓷材料的抗弯强度测定 弯曲 应用 高塑性材料 弯曲试验难以测得塑性材料的强度 实验结果的分析复杂 塑性材料的力学性能由拉伸试验测定 不采用弯曲试验 压缩 用于测定脆性材料 铸铁 轴承合金 水泥和砖石等 的力学性能 压缩时的应力状态较软 可能获得拉伸 扭转和弯曲试验时不能显示的力学行为 拉伸和压缩的区别塑性材料压缩时只发生压缩变形而不断裂 压缩曲线一直上升 低碳钢铸铁 铸铁试样破裂后呈鼓形 破裂面与轴线大约成45o 由切应力造成 压缩强度 bc bc Pbc A0 塑性指标相对压缩eck相对断面扩展率 ck eck h0 hk h0 100 ck Ak A0 A0 100 低塑性和脆性材料 一般只测抗压强度 相对压缩率 相对断面扩展率 缺口力学性能 机械零 构件的外形具有几何不连续性 缺口或者切口 切口危害 引起应力和应变集中 引起应力和应变的多向性 对材料的塑性变形和断裂过程产生很大的影响 效应 缺口处存在应力集中 效应 应力状态变为两向或者三向拉伸 较厚 Z方向变形受到约束 z 0 z 0 z v x y 平面应变状态 y z x 三向拉伸应力状态 构件脆性最大 在缺口部位造成硬化形成断裂 缺口强化是材料的三向应力状态约束材料的塑性变形 并非提高材料的屈服强度 非强化材料的手段 缺口强化效应 缺口存在导致材料的强度因为塑性变形受到约束而有一定增加 缺口强化 塑性材料 缺口试样弹性变形 断裂 不能通过缺口前方的塑性变形调整应力分布 缺口材料的强度比光滑试样低 脆性材料 缺口试样与光滑试样的强度比较 缺口敏感性 材料因为缺口存在造成的三向应力状态和应力集中而变脆的倾向 缺口拉伸试验 缺口弯曲试验 压缩和扭转试验的意义不大 缺口敏感性评定 缺口静拉伸试验 评定高强度钢的缺口敏感性 钢的氢脆 高温合金的缺口敏感性 缺口静弯曲试验 弯曲试样按照GB制备 尺寸 10mm 10mm 55mm 缺口深度2mm 夹角60 可在不同温度下试验 曲线上升阶段断裂 残余挠度f1 总挠度 弹性挠度 小 对缺口敏感 在曲线下降阶段断裂 残余挠度f2较大 缺口敏感度较低 曲线弯曲不断 取相当于0 25Fmax的残余挠度为其挠度 很大 表明对缺口不敏感 三部分面积 弹性变形功I塑性变形功 断裂功 裂纹产生和扩展的能量 反映了裂纹扩展的难易程度 也表示材料阻止裂纹扩展的能力 断裂功越大 裂纹不易扩展 缺口敏感性低 弯曲试验曲线分析 只有I 对缺口极敏感 I 无 敏感 I 不敏感 若断裂功部分出现f陡降段长度 1 3fmax 则敏感 弯曲试验曲线分析 缺口敏感度 切口强度比 衡量拉伸条件下材料对缺口的敏感性 作用2 衡量在应力状态软性系数 0 5和应力集中条件下材料脆化倾向 NSR 1 不敏感 切口韧性 1 敏感 切口脆性 金属的力学行为 材料科学与工程学院 重庆理工大学ChongQingInstitueofTechnology MechanicalBehaviourofMetal 硬度 静载 布氏洛氏维氏显微硬度 莫氏硬度锉刀法划痕 动载里氏超声波肖氏锤击布氏 压入法 刻划法 布氏硬度 单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值 压痕几何相似 压入角应相等 保证压入角相等 P D2应为常数 布氏硬度表征 HBS HBW 硬度值 压头直径 压力 保持时间 可省略 压头为淬火钢球 HBS 压头为硬质合金球 HBW HB试验时的P D2值选择表 洛氏硬度 测量压痕深度 压痕愈浅表示材料愈硬 顶角为120 的金刚石圆锥体直径为 1 588mm 1 16英寸 的钢球压头 硬度值可从硬度机的表盘上直接读出 测定洛氏硬度简便迅速 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 不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较 由于压痕小 对材料组织不均匀性很敏感 测试结果比较分散 重复性差 与布氏硬度相同 HV 1 8544P d2单位 kgf mm2 一般不标注 载荷5kgf10kgf20kgf30kgf50kgf100kgf 维氏硬度 HV 硬度值 压力 保持时间 可省略 金刚石四方角锥体 两相对面间的夹角136 载荷较小 640HV30 20 载荷30kgf 保持时间20s 维氏硬度值为640N mm2 MPa 可测硬度值范围为5 1000HV 压痕几何相似 载荷大小任意选择 所得硬度值均相同 不受布氏法那种载荷P和压头D的规定条件的约束 可测硬度值范围为5 1000HV 压痕几何相似 载荷大小任意选择 所得硬度值均相同 不受布氏法那种载荷P和压头D的规定条件的约束 测量范围较宽 软硬材料都可测 压痕正方形 对角线长度易于精确测量 故精度较布氏法的高 450HV时 维氏硬度值与布氏硬度值大致相同 德国标准DIN50150 测试载荷 200g力的硬度试验 常用有显微维氏硬度和努氏硬度 显微硬度 小载荷的维氏硬度试验 测试原理和维氏硬度试验相同 用HV表示 显微维氏硬度 测试载荷小 载荷与压痕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 以便比较 金刚石棱锥体压头克努普 Knoop 金刚石压 维氏硬度的发展 长棱形金刚石压头 两长棱夹角为172 5 压痕是长对角线比短对角线长度大7倍 显微努氏硬度 努氏硬度值定义单位压痕投影面积上所承受的力 已知载荷P 压痕长对角线长度L 计算努氏硬度值 HK HK 14 22P L2 与维氏硬度不同硬度 努氏硬度试验没有专门的硬度计 通常是共用显微维氏硬度计 只要更换压头并改变硬度值的算法 美国 采用努氏压头和100g力 欧洲 习惯于采用维氏压头和较大的500g力 原理 金刚石圆头或钢锭球的标准冲头从一定高度h0自由下落到试件表面 试件的弹性变形使其回跳到某高度h 用两个高度的比值计算肖氏硬度值 回跳硬度 肖氏 HS K h h0 K为肖氏硬度系数 C型肖氏硬度计K 104 65 D型肖氏硬度计K 140 英国人肖尔 AlbertF Shore 首先提出 操作简便 测量迅速 压痕小 携带方便 可到现场进行测试等 测定精度较低 重复性差 弹性模数不同的材料 其结果不能相互比较 肖氏硬度计便于携带 特别适用于冶金 重型机械行业中的中大型工件 例如大型构件 铸件 锻件 曲轴 轧辊 特大型齿轮 机床导轨等工件 在橡胶 塑料行业中常称作邵氏硬度 原理 规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面 用冲