材料力学第2章

第二章,第一节应力状态软性系数第二节压缩、弯曲、扭转性能第三节缺口试样静载荷试验第四节硬度,第二章金属在其它静载荷下的力学性能,前言,研究金属材料常温静载荷下的力学性能选用压缩、弯曲、扭转试验方法。目的：测定机件或工具的材料在相应承载条件下的力学性能指标作为设计选材依据；选用不同应力状态的试验方法便于研究材料相应力学性能的变化。,第二章,第一节应力状态软性系数,同一种金属材料，在一定承载条件下产生何种失效形式，除与自身强度大小有关外，还与承载条件下的应力状态有关。不同的应力状态，其最大正应力max与最大切应力max的相对大小是不一样的。因此，对金属变形和断裂性质将产生不同影响。为此，我们必须知道不同静加载方式下试样中max和max的计算方法及其相对大小的表示方法。,由材料力学可知，任何复杂应力状态均可用三个主力1、2和3（123）来表示。根据这三个主应力，由最大切应力理论计算最大切应力：max=(13)/2；由相当最大正应力理论计算最大正应力：max1（23）。,第二章,应力状态软性系数max和max的比值表示它们的相对大小，记为,对于金属材料：取0.25，则单向拉伸时的应力状态只有1，230，因此0.5max应力状态越软，金属越易产生塑性变形和韧性断裂。,第二章,应力状态软性系数,单向静拉伸的应力状态较硬，一般适用于塑性变形抗力与切断强度较低的所谓塑性材料试验。对于塑性较好的金属材料，则常采用三向不等拉伸的加载方法，使之在更“硬”的应力状态下显示其脆性倾向。,第二章,第二节压缩、弯曲、扭转性能,一、压缩试验1、压缩试验的特点：应力状态软性系数2，应力状态较软，材料易产生塑性变形。主要测定拉伸时呈脆性的金属材料在塑性状态下的力学行为。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。脆性材料在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线45方向产生断裂，具有切断特征。软钢:易压缩成腰鼓状、扁饼状。铸铁:拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断。因此,塑性变形小的材料，或者使用工况为压缩状的材料，应采用压缩实验。,第二章,2、压缩试验压缩试验用的试样其横截面为圆形或正方形，试样长度L一般为直径或边长的2.53.5倍。金属的单向压缩试验按GB/T7314-2005金属材料室温压缩试验方法进行。3、主要性能指标：1、规定非比例压缩应力pc2、抗压强度bc试样压至破坏过程中的最大应力。如果试验时金属材料产生屈服现象，还可测定压缩屈服点sc.,第二章,第二章,为了减小试样在压缩过程呈腰鼓状的趋势，试样的两端需加工成具有角度的凹圆锥面，以便使试样能均匀变形。,第二章,二、弯曲试验,1、弯曲试验的特点1）弯曲试验的试样形状简单，操作方便。2）弯曲试验时不存在试样偏斜对试验结果的影响，可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。3）弯曲试验时，试样的表面应力最大，可较灵敏地反映材料的表面缺陷。2、弯曲试验的应用1）常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。2）常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等化学热处理及表面热处理机件的质量和性能。,第二章,弯曲试验,第二章,3、弯曲试验原理,试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力：M最大弯矩：(三点弯曲M=FLS/4四点弯曲M=Fl/2)W试样的抗弯截面系数：圆形试样矩形试样,第二章,4、弯曲试验力学性能指标,金属抗弯试验方法按GB/T232-1999金属材料弯曲试验方法进行。1）规定非比例弯曲应力pb试样弯曲时，外侧表面上的非比例弯曲应变pb达到规定值时，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力。例如：pb0.01或pb0.2三点弯曲：四点弯曲：n挠度放大系数Y圆形试样的半径或矩形试样的半高,2）抗弯强度bb根据试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力，称为抗弯强度。3）其它力学性能指标弯曲弹性模量、断裂挠度fbb、断裂能量U。,第二章,弯曲力挠度曲线,第二章,三、扭转试验,金属扭转试验按GB10128-88金属扭转试验方法进行。主要采用直径d010mm、标距长度L0为50mm或100mm的圆柱形试样。1、扭转试验的特点1）扭转的应力状态软性系数0.8，比拉伸大，易显示金属的塑性行为。2）圆形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象。所以能反映高塑性材料直至断裂前的变形能力和强度。3）能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。4）扭转试验是测定大部分材料切断强度最可靠的方法。,2、扭转试验的应用1）高温扭转试验可用来研究金属在热加工条件下的流变性能与断裂性能，确定工艺参数；2）可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和表面强化工艺的效果；3）根据扭转试验的宏观断口特征，可明确鉴别金属材料的最终断裂是正断还是切断。切断：断口平整且与试样轴线垂直，有回旋状塑性变形痕迹；正断：断面与试样轴线成45角且呈螺旋状。,第二章,扭转试样中的应力与应变,第二章,3、扭转试验的力学性能指标,试样在弹性范围内表面切应力和切应变为：式中，W为试样抗扭截面系数，圆柱试样1、切变模量G弹性范围内，切应力与切应变之比。测出扭矩增量T和相应扭角增量，求出切应力与切应变，即得2、扭转屈服点s在扭转曲线或试验机扭矩读盘上读出屈服时的扭矩Ts即可得扭转屈服点s,3、规定非比例扭转应力p试样标距部分表面的非比例切应变P达到规定数值时，按弹性扭转公式计算的切应力，称为规定非比例扭转应力p4、抗扭强度b试样在扭断前承受的最大扭矩Tb，利用弹性扭转公式计算的切应力为抗扭强度。,第二章,扭转-扭角曲线及Tp和Tb的确定方法,第二章,第三节缺口试样静载荷试验,一、缺口效应实际机件不是截面均匀而无变化的光滑体，往往存在键槽、螺纹等剧烈变化，截面变化的部位可视为“缺口”。由于缺口的存在，在静载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”。,1、缺口试样在弹性状态下的应力分布,轴向应力y在缺口根部最大，其最大应力决定于缺口几何参数（根部曲率半径影响最大)，缺口越尖锐，应力越大。,x是金属变形连续性要求的结果。,对于薄板，z0，缺口薄板受拉伸后其中心部分是两向拉伸的平面应力状态；在缺口根部，x0，为单向拉伸应力状态。,垂直于厚板方向的收缩变形受到约束，z0,z=(x+y)。在缺口根部为两向拉伸应力状态，缺口内侧为三向拉伸的平面应变状态，且yzx。,缺口引起的应力集中程度常用理论应力集中系数Kt表示：Kt值与材料性质无关，只决定于缺口几何形状。,缺口效应,引起应力集中，并改变缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件所受应力由原来的单向应力状态变为两向或三向应力状态。对于脆性或低塑性材料，使其抗拉强度降低。,第二章,2、缺口试样在塑性状态下的应力分布,y=x+sz=(x+y)随着塑性变形逐步向内转移，各应力峰值越来越大，位置也逐步移向中心，试样中心区y最大。,缺口效应,在存在缺口的条件下，由于出现三向应力状态，并产生应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高，产生了“缺口强化”现象。使塑性材料强度增高，塑性降低。,第二章,二、缺口试样静拉伸试验,缺口试样静拉伸试验又可分为轴向拉伸和偏斜拉伸两种。,第二章,常用缺口试样的抗拉强度bn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度b的比值作为材料的缺口敏感性指标，称为缺口敏感度，用qe或NSR。qe缺口敏感性。脆性材料：qe1，高强度材料qe1。表明缺口根部尚未发生明显塑性变形时就已经脆性断裂。塑性材料，若缺口不太尖锐可能产生塑性变形时，qe1缺口静拉伸试验广泛用于研究高强度钢的力学性能、钢和钛的氢脆，以及用于研究高温合金的缺口敏感性等。,第二章,三、缺口试样偏斜拉伸试验,一般也用缺口试样的bn与光滑试样的b的比值表示材料的缺口敏感度。,第二章,四、缺口试样静弯曲试验,记录试验力F与挠度f关系曲线，直至试样断裂。,第二章,Fmax/F1缺口敏感度亦可用断裂功表示缺口敏感度：断裂功缺口敏感度缺口试样静弯曲试验是造船、压力容器用钢必须进行的一项试验。,第二章,第四节硬度,一、概述1、硬度试验方法分类1）弹性回跳法：如肖氏硬度，表示金属弹性变形功的大小。2）压入法：如布氏、洛氏、维氏硬度等，表示金属塑性变形抗力及应变硬化能力。3）划痕法：如莫氏硬度，表示金属对切断的抗力。2、金属硬度的意义硬度是表征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，因此硬度不是材料独立的力学性能。,第二章,3、金属硬度试验的特点以压入法为例，生产中应用最广的是压入法。1）压入硬度试验方法中2。在这样的应力状态下，几乎所有的金属材料均能产生塑性变形，故它不仅可测定塑性金属材料的硬度，亦可测定淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。2）压痕很小（表面局部体积），可在成品上试验，无需加工专门试样。3）硬度试验易于检查材料表面层的质量，如脱碳、表面淬火和化学热处理后的表面性能等。4）硬度试验设备简单、操作方便迅速，因此硬度试验尤其是压入法硬度试验获得了广泛的应用。,第二章,二、布氏硬度试验,1、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（kgf或N），将其压入试样表面，经规定保持时间t(s)后卸除试验力，试验表面将残留压痕，测量压痕平均直径d(mm)，求得压痕球形面积A。布氏硬度值就是试验力F除以压痕球形表面积A所得的商，计算式如下：通常，布氏硬度值不标单位。,第二章,布氏硬度试验,第二章,2、布氏硬度试验的试验方法,布氏硬度试验方法参照GB/T231.1-2002金属布氏硬度试验方法进行。1）对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头球直径D及试验力F时，应使：2）D的选择依据试样厚度，一般应使h1/8试样厚度，压痕直径d应控制在（0.240.6D）之间。3)软硬不同的材料，为了测得统一的、可比较的硬度值，应选用相同的F/D2比值。对于不同的压头材料，布氏硬度值用不同的符号表示：压头为淬火钢HBS(HBS450)压头为硬质合金HBW(450HBW650),第二章,第二章,3、布氏硬度试验的特点,1）压痕面积较大，优点是能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，而不受个别相及微小不均匀性的影响，且试验数据稳定，重复性强；缺点是压痕较大时不宜在成品上进行试验。2）布氏硬度试验对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也比较麻烦，因而自动检测受到限制。3）布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的材料硬度。,4、布氏硬度的表示方法,a.硬度值b.符号HBWc.球直径d.试验力e.试验力保持时间，后三项用斜线隔开。例如：350HBW5/750600HBS1/30/20试说明500HBW10/250/20的含义。,第二章,三、洛氏硬度试验,1、试验过程及原理压头分为：圆锥角=120度的金刚石圆锥体；淬火钢球或硬质合金球。加初始试验力F0，在试样表面得一压痕，深度为h0，此时测量压痕深度的指针指零。然后加主试验力F1，压头压入深度为h1，表盘上指针以逆时针方向转到相应刻度。将F1卸除后，总变形中弹性变形恢复，压头回升一段距离(h-h1)，这时试样表面残留的塑性变形深度h即为压痕深度，指针顺时针方向转动停止时所指的数值即为洛氏硬度。,第二章,洛氏硬度试验的原理是对压头施以一试验力，压入试样表面，通过测量压痕的深度来表示材料的硬度值。h越大，硬度值越低。k为常数，对于金刚石圆锥：k=0.2mm；淬火钢球k=0.26mm.,第二章,2、洛氏硬度试验方法常用的洛氏硬度试验的标尺：HRA、HRB、HRC,第二章,第二章,3、表面洛氏硬度试验由于洛氏硬度试验的试验力较大，不宜用来测定极薄试样及渗氮层、金属镀层等的硬度。为此，以洛氏硬度试验原理为基础，减小试验力，提出了表面洛氏硬度试验方法。,4、洛氏硬度试验特点优点：1）操作简便迅速，硬度值可直接读出；2）压痕较小，可直接在工件上进行试验；3）采用不同标尺，适用范围广，可广泛用于热处理质量的检验；缺点：4)由于压痕小，代表性差，重复性差，数据分散度大；5）用不同标尺的硬度值彼此不能直接进行比较。,第二章,5、洛氏硬度表示方法,洛氏硬度表示方法：a.硬度值b.符号HRc.标尺字母例如：60HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60.表面洛氏硬度表示方法：a.硬度值b.符号HRc.总试验力d.标尺例如：70HR30N表示用总试验力294.2N的30N标尺测得的表面洛氏硬度为70.,第二章,四、维氏硬度试验,1、试验原理维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体，而是两对角面夹角为136的金刚石四棱锥体。,第二章,第二章,2、试验方法(GB/T4043.1-1999)1）GB4340-84金属维氏硬度试验方法，主要用于测定较大工件和较深表面层的硬度；2）GB5030-85金属小负荷维氏硬度试验方法，主要用于测定较薄工件和工具的表面层或镀层的硬度，也可测定试样截面的硬度梯度；3）GB/T4342-91金属显微维氏硬度试验方法，主要用于测定金属箔、极薄的表面层的硬度以及合金中各组成相的硬度。,第二章,3、维氏硬度试验的特点优点：维氏硬度试验力可任意选取，压痕测量精度较高，硬度值较为精确；缺点：维氏硬度值需通过测量压痕对角线长度后才能计算或查表，工作效率较低。,4、维氏硬度表示方法,a.硬度值b.符号HVc.试验力d.试验力保持时间例如：640HV30表示在试验力为294.2N下保持1015s测得的维氏硬度值为640.,第二章,五、其它硬度试验方法,1、努氏硬度试验努氏硬度试验也是一种显微硬度试验，与显微维氏硬度的区别有两点：一是压头形状不同，其压头为两个对面角不等的四棱锥金刚石压头；二是硬度值不是试验力除以压痕表面积的商值，而是除以压痕投影面积之商值。式中：F为试验力，l为压痕长对角线的长度(m)努氏硬度压痕细长，且只测量长对角线长度，故试验精度较高。适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，还可以测定渗层截面上的硬度分布等。,第二章,第二章,2、肖氏硬度试验肖氏硬度试验是一种动载试验法，其原理是将具有一定质量的带有金刚石圆头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硬度值的大小。符号为HS。HS=Kh/h0K-肖氏硬度系数重锤回跳得越高，表面测量越硬，但肖氏硬度试验只有在材料的弹性模量相同时才