材料在其它静载下力学性能PPT学习教案

1、会计学1 材料在其它静载下力学性能材料在其它静载下力学性能PPT课件课件 单向静拉伸能解决问题吗？ 问题的提出 请以身边例子说明材料或者构件承受不同载荷、不同应力状态？ 结合工程力学知识，如何抽象其力学模型！ 第1页/共73页 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 2.4 硬度 学习要求：掌握应力状态软性系数的概念，熟悉应力状态软性系数在 实验设计中的应用；熟悉扭转、弯曲与压缩测试方法及其测试的 力学性能指标的分析；熟悉缺口对应力状态的影响，了解缺口试 样的测试方法；了解硬度测试的物理意义、工程意义，熟悉几种 常用的硬度的测试方法。 第2页/

2、共73页 第3页/共73页 1、应力状态软性系数概念 应力状态 第4页/共73页 2.1 应力状态软性系数 复习工程力学知 识，这为 何理论？ 应力状态系数 定义为： 第5页/共73页 2.1 应力状态软性系数 第6页/共73页 2、力学状态图 力学状态图以第二强度理论 和第三强度理论两者的联合为 基础，纵坐标为按第三强度理 论计算最大切应力，横坐标为 按第二强度理论计算最大正应 力。 自原点作不同斜率的直线， 可代表应力状态系数，这些直 线的位置反映了应力状态对断 裂的影响。 返回 2.1 应力状态软性系数 第7页/共73页 3. 的应用（讨论的方式进行） A.脆性材料试验方法的选择：为什么

3、？ B.塑性材料试验方法：为什么？ 2.1 应力状态软性系数 3.1材料、构件性能检测分析 （以实际工况为依据选择，做分析可以做试验设计） 第8页/共73页 思考： 1.如何利用科学的试验方法设计、数据处理方法 表现新材料的优越性能？ 第9页/共73页 一、扭转试验 2.2 扭转、弯曲与压缩的力学性能 第10页/共73页 式中M为扭矩；W为截面系数。对于实心圆杆，Wd0316；对于空心圆杆,W=d03(1-d14/d04)16,其中d0为外径，d1为内径。 因切应力作用而在圆杆表面产生的切应变为 =tg=d0/2L0100 （3-2） 式中为圆杆表面任一平行于轴线的直线因的作用而转动的角度,见

4、图3-1(a)；为扭转角; L0为杆的长度。 第11页/共73页 0 0 K Mb M0.3 ME Mp 扭 矩 M 扭 转角 2 、扭转试验及测定的力学性能 第12页/共73页 第13页/共73页 第14页/共73页 (4)扭转试验时，试件截面上的应力应变分布 表明，它将对金属表面缺陷显示很大的敏感性 因此，可利用扭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工艺的效果。 (5)扭转试验时，试件受到较大的切应力，因 而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的 非同时性的问题，如弹性后效、弹性滞后以及 内耗等 第15页/共73页 综上所述，扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和

5、断裂的全部力学性能指标，并且还有着其它力学性能试验方法所无法比拟的优点。因此，扭转试验在科研和生产检验中得到较广泛地应用。 然而，扭转试验的特点和优点在某些情况下也会变为缺点，例如，由于扭转试件中表面切应力大，越往心部切应力越小，当表层发生塑性变形时，心部仍处于弹性状态(见图3-1(c)。因此，很难精确地测定表层开始塑性变形的时刻，故用扭转试验难以精确地测定材料的微量塑性变形抗力。 第16页/共73页 第17页/共73页 通常用弯曲试件的最大挠度fmax表 征材料的变形性能。试验时，在试 件跨距的中心测定挠度，绘成P-fmax 关系曲线，称为弯曲图。图2-6表示 三种不同材料的弯曲图。 第18

6、页/共73页 0 0 P 位移 图2-6 典型的弯曲图， （a）塑性材料，（b）中等塑性材料，（c）脆性材料 第19页/共73页 Mb=PbL4. n对 四 点 弯 曲 试 件 : Mb=PbK2 第20页/共73页 定。 第21页/共73页 n压缩可以看作是反向拉伸。因 此，拉伸试验时所定义的各个 力学性能指标和相应的计算公 式，在压缩试验中基本上都能 应用。 第22页/共73页 0 0 2 1 b s e p 压缩 应力 相对 缩 短 第23页/共73页 hk)/h0100(3-14) n相对断面扩胀展率ck ck=(Ak-A0)/A0100 (3-15) n式中Pbc为试件压缩断裂时的载

7、 荷;h0和hk分别为试件的原始高 度和断裂时的高度；A0和Ak分 别为试件的原始截面积和断裂 时的截面积。 n常用的压缩试件为圆柱体。试 件的高度和直径之比h0d0应 取1.5-2.0。 第24页/共73页 第25页/共73页 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 第26页/共73页 第27页/共73页 第28页/共73页 2塑性状态下的应力分 布 在有缺口条件下 ，由于出现了三 向应力，试样的 屈服应力比单向 拉伸时要高，即 产生了所谓缺口 “强化”现象 缺口使塑性材料 得到“强化”， 这是缺口的第三 个效应 第29页/共73页 1.缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸 二、缺

8、口试样的静拉伸及静弯曲性能 第30页/共73页 第31页/共73页 第32页/共73页 2缺口试样静弯曲 第33页/共73页 为某材料的缺口 弯曲曲线，它反映了 缺口试样，变形和断 裂的整个过程。若将该 负荷-变形曲线所包围 的面积分为三部分：弹 性变形区I、塑性变形 区和断裂区，则各 区所占面积分别为弹性 功、塑性功和断裂功。 第34页/共73页 缺口试样的拉伸试验，用于测定拉伸条 件下材料对缺口的敏感性，衡量在硬性应力 状态(0.5)和应力集中条件下材料的脆化 倾向。试验时常用试样的抗拉强度bN与等截 面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值作为材 料的缺口敏感性指标，并称为缺口敏感度， 用q或NS

9、R(notch-sensitivity-ratio)表示 qebN/(214) 三、材料缺口敏感度及其影响因素 第35页/共73页 对脆性材料，qe永远小于1，表明缺口处尚未 发生明显塑性变形就已发生脆性断裂。高强度 材料的qe一般小于1，缺口不太尖锐的塑性材料 ，拉伸时可能产生塑性变形，此时qe总会大于1 。总的来讲，无论是塑性材料还是脆性材料， 其比值q越大，缺口敏感性越小。材料缺口敏 感性除与材料本身性能、应力状态(加载方式)有 关外，还与缺口形状、尺寸、试验温度有关。 第36页/共73页 第四节 硬度 第37页/共73页 前言 第38页/共73页 布氏硬度计 一、布氏硬度试验方法 第3

10、9页/共73页 )( 2 22 dDDD P HB 第40页/共73页 压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBW HBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依 次为压头直径、压力和保持时间。 例：150HBSl0300030表示用10mm直径淬火钢 球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值 为150；500HBW5750，表示用硬质合金球，压头 直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒，测得布氏 硬度值为500。 第41页/共73页 由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同 ，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力 。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不 同的

11、材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形 状必须几何相似，压入角应相等。布氏硬度相同 时，要保证压入角相等，则P/D2应为常数。 国标GB231-84根据材料的种类及布氏硬度范 围，规定了7种P/D2之值。 第42页/共73页 第43页/共73页 第44页/共73页 第45页/共73页 h1-h0 洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计 第46页/共73页 常用A、B和C三种标尺，C标尺最普遍。用这 三种标尺的硬度记为HRA、HRB和HRC： HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表 淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退 火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬

12、火钢等。 第47页/共73页 第48页/共73页 卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复 ，压头将回升一段距离，即(t1-t)，表盘上的指 针将相应地回转(见图4-3(c)。 最后，在试件表面留下的残余压痕深度为t。 为符合人的思维，即数值越大越硬，规定：t 0.2mm时,HRC0；t0,HRC100，压痕深度每增 0.002mm, HRC降低1个单位。于是有 HRC(0.2-t)0.002（100-t）0.002 第49页/共73页 第50页/共73页 第51页/共73页 缺点: 不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。 由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀 性很敏感，测试结果比较分散，重

13、复性差. 第52页/共73页 第53页/共73页 维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕 第54页/共73页 维氏硬度测定的原理与方法基本上与布氏硬 度的相同，根据单位压痕表面积上所承受的压力 来定义硬度值。测定维氏硬度所用的压头为金刚 石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为136 ，所加的载荷较小。 已知载荷P，测得压痕两对角线长度后取平均 值d，计算维氏硬度值，单位为kgf/mm2 HV=1.8544P/d2 第55页/共73页 第56页/共73页 维氏硬度的特点和应用 维氏硬度测试采用了四方角锥体压头，各种 载荷作用下所得的压痕几何相似，载荷大小任意 选择，所得硬度值均相同。 测量范围较

14、宽，软硬材料都可测。 压痕为一轮廓清晰的正方形，对角线长度易 于精确测量，故精度较布氏法的高。 效率低，压痕面积小，代表性差。 第57页/共73页 第58页/共73页 显微维氏硬度 显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维 氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同 ，仍用HV表示。 测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一 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。 第59页/共73页 小负荷维氏硬度计 显微维氏硬度计 第60页/共73页 显微硬度试验特点及应用 特点： 1）载荷小，压痕极小，几乎不损坏试 件，便于测定微小区域内的硬度值。 2）灵敏度高。 第61页/共73页 强度

15、理论复习（工程力学） 材料因强度不足而引起失效,主要取决于： 1.材料本身的性质， 包括塑性材料和脆性材料： 单向拉伸试验 塑性材料出现屈服， s 脆性材料突然断裂 b 第62页/共73页 复杂应力状态时： 1、2、3之间有任意比值，不可能通过做 所有情况的试验来确定其极限应力值。 简单应力状态直接通过试验结果建立： 单向拉压： 纯剪切： 2.材料的受力状态，包括简单应力状态，复 杂应力状态 第63页/共73页 强度理论的基本思想： 1)确认引起材料失效存在共同的力学原因，提出关于 这一共同力学原因的假设； 2)根据实验室中标准试件在简单受力情况下的破坏实 验（如拉伸）结果，建立起材料在复杂应

16、力状态下共 同遵循的弹性失效准则和强度条件。 3)基本力学原因假设：脆性断裂和塑性屈服两类失效 形式 第64页/共73页 脆性断裂最大拉应力理论、最大伸长线应变理论 屈服失效最大切应力理论、畸变能密度理论 材料破坏 第65页/共73页 一、最大拉应力（第一强度）理论： 认为构件的断裂是由最大拉应力引起的。当最大拉应 力达到单向拉伸的强度极限时，构件就断了。 1、破坏判据： 0)( ; 11 b 2、强度准则： 0)( ; 11 3、实用范围：适用于破坏形式为脆断的构件。 第66页/共73页 第67页/共73页 二、最大伸长线应变（第二强度）理论： 认为构件断裂是由最大拉应力引起的。当最大伸长

17、线应变达到单向拉伸试验下的极限应变时，构件断裂。 1、破坏判据： 0)( ; 11 b 2、强度准则： 3、实用范围：适用于破坏形式为脆断的构件。 EE b 3211 1 b 321 321 第68页/共73页 三、最大剪应力（第三强度）理论： 认为构件的屈服是由最大剪应力引起的。当最大 剪应力达到单向拉伸试验的极限剪应力时，构件就破 坏了。 1、破坏判据： s max 3、实用范围：适用于破坏形式为屈服的构件。 s s 22 31 max s 31 2、强度准则： 31 第69页/共73页 2 不超过不超过15，而在大多数情况下远，而在大多数情况下远 比此为小。比此为小。 第70页/共73页 基本假设：畸变能密度是引起材料塑性屈服的主要因素 复杂应力状态下 2 13 2 32 2 21 )()()( 6 1 E v d 屈服准则： s 2 13 2 32 2 21 )()()( 2 1 强度条件 ： n s 2 13 2 32 2 21 )()()( 2 1 单向拉伸屈服时，