第二章材料在其他静载下的力学性能要点.ppt

1 材料力学性能 第二章材料在其他静载下的力学性能 2 前言 1 受力 扭转 弯曲 压缩 以及有缺口试样的受力情况 轴间 螺纹 油孔 退刀槽 焊缝 不均匀组织 夹杂物 第二相 晶界 亚晶界 以及裂纹等 2 介绍扭转 弯曲 压缩与带缺口试样试样的静拉伸 以及材料硬度试验 3 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能 2 4硬度 第二章材料在其他静载下的力学性能 4 2 2扭转 弯曲与压缩的力学性能 2 4硬度材料力学之应力应变分析 补充 2 1应力状态软性系数 2 3缺口试样静载力学性能 第二章材料在其他静载下的力学性能 5 2 2扭转 弯曲与压缩的力学性能 一 扭转及其性能指标1 扭转试验测定的力学性能指标 1 试验过程 圆柱形试样 扭转试验机 扭转图 6 2 2扭转 弯曲与压缩的力学性能 2 扭转图 与轴线呈45 方向上承受 max 与轴线平行或垂直方向上承受 max 弹性变形阶段 切应力和切应变沿半径方向呈线性分布 弹塑性变形 切应变保持线性关系 切应力呈非线性变化 M 7 2 2扭转 弯曲与压缩的力学性能 3 性能指标 非比例切应变 P 规定非比例扭转应力 P P MP W材料对扭转塑性变形的抗力 扭转屈服强度 s为 s Ms W扭转强度极限 b为 b Mb W真实扭转强度极限 f 剪切弹性模量G为 G 32Ml0 d04 8 2 2扭转 弯曲与压缩的力学性能 2 扭转试验特点及应用 1 测定在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性 2 对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验 3 精确评定拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力 4 测定材料的切断强度的最可靠方法 5 根据断口特征区分断裂方式是正断还是切断 切断断口 断面和试样轴线垂直 有回旋状塑性变形痕迹 切应力作用 塑性材料 正断断口 断面和试样轴线约成45 呈螺旋状或斜劈状 正应力作用 脆性材料 9 2 2扭转 弯曲与压缩的力学性能 二 弯曲及其性能指标1 弯曲试验测定的力学性能指标 1 弯曲试验 圆柱试样或方形试祥 万能试验机 加载方式一般有两种 三点弯曲加载和四点弯曲加载 2 载荷F与试样最大挠度fmax 弯曲图 10 2 2扭转 弯曲与压缩的力学性能 3 性能指标 试样弯曲时 受拉一侧表面的最大正应力 max Mmax W抗弯强度 脆性材料 bb bb Mb W最大弯曲挠度 弯曲弹性模数 规定非比例弯曲应力 断裂挠度等 2 弯曲试验的特点及应用 1 常用于测定那些由于太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度 并能显示出它们的塑性差别 2 用来比较和评定材料表面处理层的质量 3 可测定规定非比例弯曲应力 11 2 2扭转 弯曲与压缩的力学性能 三 压缩及其性能指标试样通常为圆柱形 压缩曲线 1为脆性材料的压缩曲线 2为塑性材料的压缩曲线 规定非比例压缩应力抗压强度相对压缩率相对断面扩展率 12 2 4硬度 一 硬度试验的意义1 定义 指材料表面上不大体积内 抵抗变形或破裂的能力 2 分类 加载方式 压入法和刻划法 压入法 动载压入法和静载压入法 动载压入法 超声波硬度 肖氏硬度和锤击式布氏硬度 静载压入法 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度和显微硬度 刻划法 莫氏硬度顺序法和挫刀法等 3 特点 1 2 max max 几乎所有材料都会产生塑性变形 2 设备简单 操作方便快捷 故被广泛应用 3 可视为无损检测 13 2 4硬度 二 硬度试验方法1 布氏硬度 1 测定原理 淬火钢球或硬质合金球D mm 加载F kgf 卸载 压入 定时 测量圆形压痕d 圆形压痕表面积S D D D2 d2 2 圆形压痕 布氏硬度HB HB F S 2F D D D2 d2 淬火钢球 HBS 450 硬质合金球 HBW 450 650 14 2 4硬度 2 表示方法 数字 硬度符号 数字 数字 数字 硬度值 HBW或HBS 钢球直径载荷定时280HBS10 3000 30 50HBW5 75 15 2 4硬度 3 压痕几何相似原理 载荷F与压头直径D d Dsin 2HB 2F D D D2 d2 HB F D2 2 1 1 sin2 两个条件 一是 为常数 二是保证F D2为常数 F D2为常数 一定为常数 F D2为常数 HB恒定 16 2 4硬度 4 优缺点 优点 压痕面积大 反映较大区域内各组成相的平均性能 适合灰铸铁 轴承合金等测量 压痕面积较大 试验数据稳定 重复性高 缺点 压痕直径大 不宜在成品件上直接进行检验 硬度不同 更换压头直径D和载荷F 压痕直径的测量也比较麻烦 17 2 4硬度 2 洛氏硬度 1 测定原理 圆锥角 120 的金刚石圆锥或直径为1 588mm 3 175mm的淬火钢球 载荷分先后两次施加 先加初载荷F1 再加主载荷F2 总载荷为F F F1 F2 0 0 未加载 l 1 加F1 压入深度为hl 2 2 加F2 压入深度为h2 3 3 卸F2 留F1 压头提高h3 实际压入的深度为h h值越大 硬度愈低 反之则愈高 HR k h 0 002 金刚石圆锥 k 0 2 淬火钢球 k 0 26 18 2 4硬度 4 优缺点 优点 操作简便迅速 压痕小 可对工件直接进行检验 采用不同标尺 可测定各种软硬不同和薄厚不一试样的硬度 缺点 压痕较小 代表性差 尤其是材料中的偏析及组织不均匀等情况 使所测硬度值的重复性差 分散度大 用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较 又不能彼此互换 2 分类说明HR HRA HRBHRC等 GB T230 91 3 表面洛氏硬度 测定极薄工件 经各种表面处理后工件的表面层硬度 19 2 4硬度 3 维氏硬度与显微硬度 1 测定原理 两相对面夹角 为136 的金刚石四棱锥体 加载F kgf 压入 定时 卸载 四方锥形压痕 对角线长度分别为dl和d2 mm 取其平均值d 求表面积S HV F S 2 表示方法 数字 硬度符号 数字 数字 硬度值 HV 载荷定时640HV30 20 50HV5 20 2 4硬度 3 显微维氏硬度计 两相对面夹角 为136 的金刚石四棱锥体 加载F gf 压入 定时 卸载 四方锥形压痕 对角线长度分别为dl和d2 m 取其平均值d 求表面积S HV F S 4 优缺点 优点 采用对角线长度计量 精确可靠 可以任意选择载荷 比洛氏硬度所测试件更薄 缺点 测定方法较麻烦 工作效率低 压痕面积小 代表性差 不宜用于成批生产的常规检验 21 2 4硬度 4 其它硬度 1 努氏硬度试验 一种显微硬度试验方法 一是压头形状不同 两个对面角不等的四棱锥金刚石压头 其对面角分别为172 30 和130 长 短对角线长度比为7 11的棱形压痕 二是硬度值是试验力除以压痕投影面积之商值 故测量出压痕长对角线的长度l m HK 1 451F l2 压痕细长 且只测量长对角线长度 故精确度较高 适于测定表面渗层 镀层及淬硬层的硬度 可以测定渗层截面上的硬度分布等 22 2 4硬度 2 肖氏硬度试验 动载试验法 原理 一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤 从一定高度落向试样表面 根据重锤回跳的高度来表征材料硬度值大小 肖氏硬度的符号用KS表示 标准重锤从一定高度落下 以一定的动能冲击试祥表面 使其产生弹性变形与塑性变形 其中一部分冲击能转变为塑性变形功被试祥吸收 另一部分以弹性变形功形式储存在试祥中 当弹性变形回复时能量被释放 使重锤回跳至一定高度 材料的屈服强度越高 塑性变形越小 则存储的弹性能越高 重锤回跳得也越高 表明材料越硬 因此 肖氏硬度试验只有在材料弹性模量相同时才可进行比较 优缺点 一般为手提式 使用方便 便于携带 可测现场大型工件的硬度 其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大 测量精度较低 23 2 4硬度 3 莫氏硬度陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度 它只表示硬度从小到大的顺序 不表示软硬的程度 后面的材料可以划破前面材料的表面 起初 莫氏硬度为分10级 后来因为出现了一些人工合成的高硬度材料 故又将莫氏硬度分为15级 24 里氏硬度简介 一 什么是里氏硬度 由美国Dr DietmarLeeb提出 是一种动态硬度试验法 硬度传感器的冲击体在与被测工件冲击过程中 距工件表面1mm时的反弹速度 Vb 与冲击速度 Va 的比值乘以1000 定义为里氏硬度值 以HL表示里氏硬度计算公式如下 HL Vb Va 1000二 里氏硬度仪的特点1 肖氏硬度仪要垂直向下使用 里氏可在任意方向上使用 2 布 洛 维氏硬度计不便于在现场使用 里氏硬度仪便于在现场使用 三 里氏硬度的相关因素里氏硬度值与金属材料的弹性模量E有关 所以里氏硬度仪是按材料种类进行分类测试的 四 里氏硬度与其它硬度的转换里氏硬度值与其它硬度值 HRC HB HV等 之间有对应关系 可将里氏值 HL 通过机内微电脑转换成其它硬度值 25 巴氏 巴柯尔 Barcol 硬度计 由美国Barber Colman公司提出 以特定压头在标准弹簧的压力作用下压入试样 以压痕的深浅表征试样的硬度 专门测量玻璃钢制品 增强或非增强硬塑料 铝及铝合金 黄铜 紫铜等较软金属的硬度 特别适用于玻璃钢制品 主要特点 1 体积小 重量轻 便于户外和较大工件的测量 2 操作简便 无须专业知识 单手即可操作 3 测量范围广 有效测量范围相当于布氏硬度HB25 150 4 测量精度高 高硬度 1 低硬度 2 5 5 示值换算方便 通过查表即可换算成其他的常用的硬度值 6 价格低 价格仅有进口产品的1 3左右 26 2 4硬度 三 硬度与其他力学性能的关系1 金属的布氏硬度与抗拉强度之间成正比关系 即 b kHB2 布氏硬度与疲劳极限 1 1 m b mkHB 27 硬度转换 补充 1 HB和HV关系当HB 400时 HB HV 当HB 400时 HB HV2 HB和HR关系 28 2 4硬度 29 应力与应变分析 应力状态的概念平面应力状态下的应力研究广义虎克定律平面应变状态下的应力研究 30 一 一点的应力状态 1 一点的应力状态 通过受力构件一点处各个不同截面上的应力情况 2 研究应力状态的目的 找出该点的最大正应力和剪应力数值及所在截面的方位 以便研究构件破坏原因并进行失效分析 应力状态的概念 二 研究应力状态的方法 单元体法 1 单元体 围绕构件内一所截取的微小正六面体 31 32 1 应力分量的角标规定 第一角标表示应力作用面 第二角标表示应力平行的轴 两角标相同时 只用一个角标表示 2 面的方位用其法线方向表示 3 截取原始单元体的方法 原则 用三个坐标轴 笛卡尔坐标和极坐标 依问题和构件形状而定 在一点截取 因其微小 统一看成微小正六面体 单元体各个面上的应力已知或可求 几种受力情况下截取单元体方法 2 单元体上的应力分量 应力与应变分析 33 c 同b 但从上表面截取 b 横截面 周向面 直径面各一对 a 一对横截面 两对纵截面 34 35 三 应力状态分类 按主应力 1 主平面 单元体上剪应力为零的面 主单元体 各面均为主平面的单元体 单元体上有三对主平面 主应力 主平面上的正应力 用s1 s2 s3表示 有s1 s2 s3 应力与应变分析 36 2 应力状态按主应力分类 只有一个主应力不为零称单向应力状态 只有一个主应力为零称两向应力状态 平面应力状态 三个主应力均不为零称三向应力状态 空间应力状态 单向应力状态又称简单应力状态 平面和空间应力状态又称复杂应力状态 37 平面应力 38 3 39 1 有关概念 主应变 沿主应力方向的应变 分别用e1 e2 e3表示 正应力只引起线应变 剪应力只引起剪应变 2 广义虎克定律 推导方法 叠加原理 主应变与主应力关系 一般情况 广义虎克定律 40 41 42 平面应变 3 3 43 2 1应力状态软性系数 1 受力分析 正应力 导致脆性的解理断裂 切应力 导致塑性变形和韧性断裂 变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态 max与 max 2 应力状态软性系数 1 任何应力都可用3个主应力 1 2 3来表示 2 max 1 3 2 max 1 2 3 3 max max 1 3 2 1 2 3 44 2 1应力状态软性系数 45 2 3缺口试样静载力学性能 缺口包括轴间 螺纹 油孔 退刀槽 焊缝 不均匀组织 夹杂物 第二相 晶界 亚晶界 以及裂纹等引起形状改变的部位 以厚薄来分 包括薄板缺口和厚板缺口 46 2 3缺口试样静载力学性能 一 缺口处的应力分布特点及缺口效应二 缺口试样的静拉伸及静弯曲性能三 材料缺口敏感度及其影响因素 47 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 1 薄板缺口 薄板所受拉应力 低于弹性极限 缺口轴向应力 y在缺口根部最大 即在根部产生应力集中 根部应力 y达到的屈服强度 s时 便引起缺口根部附近区域的塑性交形 即缺口造成应力应变集中 这是缺口的第一个效应 缺口根部内侧产生横向拉应力 x 薄板在垂直于板面方向上有 z 0 薄板中心是两向拉伸的平面应力状态 48 一 缺口处的应力分布特点及缺口效应 2 厚板缺口 垂直于板面方向的变形受到约束 z 0缺口根部为两向应力状态 缺口内侧为三向应力状态 缺口改变了缺口前方的应力状态 使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸 这是缺口的第二个效应 49 一 缺口处的应力分布特点及缺口效应 3 应力集中系数Kt 缺口造成应力集中的程度 决定于缺口几何参数 如形状 角度 深度及根部曲率半径等 缺口引起的应力集中程度通常用应力集中系数Kt表示 Kt定义为缺口净截面上的最大应力 max与平均应力 之比 即Kt max 50 一 缺口处的应力分布特点及缺口效应 2 塑性状态下的