材料性能与测试材料在其它静载下的力学性质讲义学习教案

1、会计学1材料材料(cilio)性能与测试材料性能与测试材料(cilio)在其在其它静载下的力学性质讲义它静载下的力学性质讲义第一页，共45页。2第1页/共44页第二页，共45页。32.1 应力状态(zhungti)软性系数2.2 扭转、弯曲(wnq)和压缩的力学性能2.3 缺口(quku)试样静载力学性能2.4 硬度 单向静拉伸不能充分反映材料的应用特点，实际上静载荷还有扭转、弯曲、压缩等，本章介绍扭转、弯曲、压缩、带缺口试样拉伸、硬度实验方法、特点及指标。目 录 第2页/共44页第三页，共45页。42.1 应力状态软性(run xn)系数 一、受力分析一、受力分析(fnx)二、应力状态软性系

2、数二、应力状态软性系数第3页/共44页第四页，共45页。53）（例如；单向（例如；单向(dn xin)拉伸拉伸时的应力状态只有时的应力状态只有 1，2=3= 0， =0.5）第4页/共44页第五页，共45页。6加载方式加载方式 主应力主应力12 3三向不等拉伸三向不等拉伸(89)(89)0.1三向等拉伸三向等拉伸0单向拉伸单向拉伸000.5扭转扭转0-0.8二向等压缩二向等压缩0-1单向压缩单向压缩00-2三向不等压缩三向不等压缩-(73)-(73)4表2-1 不同条件下的应力状态(zhungti)软性系数 (0.25)第5页/共44页第六页，共45页。7q 值越大的试验方法，金属越易产生塑性

3、 q 变形和韧性断裂。q 一般对塑性好的材料在较“硬”的应力(yngl)状q 态下考查其脆性倾向；对塑性差的材料在q 较“软”的应力(yngl)状态下考查其塑性倾向。r越大，表示应力状态较软，即最大切应力分量较大，越大，表示应力状态较软，即最大切应力分量较大，表明在最大正应力尚小时，最大切应力得到较充分得发展，表明在最大正应力尚小时，最大切应力得到较充分得发展，因此容易引起塑性变形。反之因此容易引起塑性变形。反之(fnzh)，较小时，应力状较小时，应力状态较硬，最大正应力分量容易得到发展，导致脆性断裂。态较硬，最大正应力分量容易得到发展，导致脆性断裂。第6页/共44页第七页，共45页。82.2

4、 扭转(nizhun)、弯曲与压缩的力学性能一、扭转一、扭转(nizhun)及其性能指标及其性能指标图2-1 扭转(nizhun)实验机和扭转(nizhun)试样示意图标距部分的直径d0 = 10mm；标距长度=100mm 或50mm。试验机的自动绘图装置可把M曲线同步记录下来。有关指标可根据定义在图上测试。 第7页/共44页第八页，共45页。91 1、扭转的应力、扭转的应力(yngl)(yngl)状态状态图2-2 扭转试样(sh yn)的应力和应变示意图第8页/共44页第九页，共45页。10扭扭矩矩MOABCMp扭转角扭转角M0.3Mbf2 2、低碳钢扭转、低碳钢扭转(nizhun)(niz

5、hun)曲线曲线图2-3 退火(tu hu)低碳钢扭转曲线1). 弹性(tnxng)阶段(OA)： 外加扭矩不超过弹性(tnxng)范围时，变形是弹性(tnxng)的, M- 曲线是直线。在此范围内卸载，试样仍恢复原状，没有残余变形产生。截面上的应力成线形分布，表面的剪应力最大。即max= M / Wp 2). 屈服阶段(AB)： 屈服过程是由表面至圆心逐渐进行，这时曲线开始变弯，横截面的塑性区逐渐向圆心扩展，截面上的应力不再是线形分布。出现屈服平台,屈服极限记作s。 3)强化阶段（BC） 超过屈服阶段后曲线上升，表明材料又恢复了抵抗变形的能力。低碳钢有很长的强化阶段但没有颈缩直至断裂。试验前

6、在试样表面画的一条母线试验后变成了麻花状，形象的说明了低碳钢断裂前有很大的塑性变形。强度极限记作b 。 第9页/共44页第十页，共45页。111) 规定非比例扭转应力规定非比例扭转应力P， W为试样截面系数，圆柱样为为试样截面系数，圆柱样为 材料对扭转塑性变形的抗力材料对扭转塑性变形的抗力 2) 扭转屈服强度扭转屈服强度s为：为： Ms为残余为残余(cny)扭转切应变为扭转切应变为0.3%时的扭矩时的扭矩 3) 扭转强度极限扭转强度极限b为：为： 4) 真实扭转强度极限真实扭转强度极限f：3 3、扭转、扭转(nizhun)(nizhun)的性能指标的性能指标WMpp1630dWMssWMbb)

7、(3430ffffddMMdMf为试样(sh yn)断裂时最大扭矩；f试样(sh yn)断裂时单位长度扭转角第10页/共44页第十一页，共45页。125) 剪切弹性模量(tn xn m lin)G： 400040203232dMlIMlGddApIGIMlpApp式中，l0-标距长；d0-试样(sh yn)直径；M-扭矩；Ip-极惯性矩第11页/共44页第十二页，共45页。134 4、扭转、扭转(nizhun)(nizhun)的特点和应用的特点和应用 切断断口：断面(dun min)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(dun min)和试样轴线约成4

8、5。呈螺旋状或斜劈状。 正应力作用，脆性材料。(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(gngy)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。图2-4 扭断试样断口特征第12页/共44页第十三页，共45页。14二、弯曲二、弯曲(wnq)及其及其性能指标性能指标图2-5 弯曲(wnq)加载方式 (a)三点弯曲(wnq); (b) 四点弯曲(wnq)圆柱试样或方形试祥； 万能试验机；加载方式一般(ybn)有两种： 三点弯

9、曲加载和四点弯曲加载。1 1、弯曲测试、弯曲测试第13页/共44页第十四页，共45页。15用载荷F与试样最大挠度fmax弯曲图来表征材料(cilio)弯曲强度。Ff fmaxmaxO塑性材料塑性材料中等中等(zhngdng)塑性塑性脆性脆性(cuxng)材料材料图2-6 典型的弯曲图和试样试样受拉截面的的最大弯曲应力按下式计算： =MW， M最大弯矩；三点弯曲加载：M=FL4四点弯曲加载：M=FK2 W试样抗弯截面系数 直径为d的圆柱试样： W=(d3 ) /32； 宽度为b，高度为h的矩形试样 ： W=(bh2) /6L试样支座距离；l压头间的距离；b试样宽度；h试样厚度第14页/共44页第

10、十五页，共45页。16（1）规定非比例弯曲应力pb （如规定非比例弯曲应变为0.01%或0.2%时的弯曲应力 ，分别记 为pb0.01、pb0.2）。 方法(fngf)：在弯曲力挠度曲线上截取相应于规定非比例弯曲应变 的线段OC，其长度计算为： 三点弯曲：OC=nL12YPb 四点弯曲：OC=n（3L-4L224YPb （n为挠度放大倍数，Y为d 2，h 2 ） 找出OC对应的弯曲力Fpb，按公式计算出规定非比例弯曲应力（2）抗弯强度bb 方法(fngf)：找出最大弯曲力，按公式计算出最大弯曲应力，即抗弯强 度bb。2 2、弯曲、弯曲(wnq)(wnq)性能性能指标指标第15页/共44页第十六

11、页，共45页。17三、压缩三、压缩(y su)及其性及其性能指标能指标F F图2-7 典型(dinxng)的压缩曲线0AFpcpc0AFbcbc%10000AAAfc%10000hhhfcFbc为压缩断裂载荷；为压缩断裂载荷；h0、hf分别为分别为试样原始高度和断裂高度试样原始高度和断裂高度; A0、Af分别为试样原始截面积和断裂分别为试样原始截面积和断裂截面积截面积第16页/共44页第十七页，共45页。18金属(jnsh)的压缩照片第17页/共44页第十八页，共45页。192.3 缺口(quku)试样静载力学性能一、缺口一、缺口(quku)效应效应第18页/共44页第十九页，共45页。20图

12、2-8 缺口(quku)材料拉伸时弹性状态下的应力分布(a) 薄板; (b)厚板第19页/共44页第二十页，共45页。21第20页/共44页第二十一页，共45页。22二、缺口试样二、缺口试样(sh yn)的静拉伸和静弯的静拉伸和静弯曲性能曲性能第21页/共44页第二十二页，共45页。23试样的缺口形状和尺寸(ch cun)应符合规定。 缺口偏斜拉伸试验装置：在试样与试验机夹头之间有一垫圈， 垫圈的倾斜角有0、4、83种，测定不同倾斜角下的抗拉强度bN。相应的抗拉强度以BN 4， BN 8表示。NSR= BN4或BN 8（偏斜缺口试样的抗拉强度）/ b（光滑试样的抗拉强度）图2-9 缺口(quk

13、u)拉伸试样 缺口试样偏斜拉伸试验因同时承受拉伸和弯曲载荷复合作用，其应力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更不均匀，因而更能显示材料对缺口的敏感性。很适合高强度螺栓之类零件的选材(xun ci)和热处理工艺的优化。F 缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸第22页/共44页第二十三页，共45页。24图2-10 缺口弯曲(wnq)试样和弯曲(wnq)曲线F 缺口试样(sh yn)的静弯曲 V型或U型缺口试样 试验可在室温或低温下进行，记下(j xi)全部弯曲曲线为止。 弹性变形区、塑性变形区、和断裂区； 各区所占面积分别为弹性功、塑性功和断裂功 断裂功表示材料阻止裂纹扩展能力。第23页/共44页第二十四页

14、，共45页。252.4 硬度(yngd)第24页/共44页第二十五页，共45页。26一、布氏硬度一、布氏硬度图2-11 布氏硬度计图2-12 布氏硬度试验(shyn)原理1、测定原理(yunl)： 淬火钢球或硬质合金D(mm) ； 加载F(kgf)；保压 卸载 圆形压痕 用直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以(sh y)一定的力(Kgf或N)将压头压入试样表面，保持规定的时间(S)后卸除试验力，试样表面将存在压痕。测量压痕平均直径d(mm)，求得压痕球形面积A(mm2)。)(204. 022dDDDF第25页/共44页第二十六页，共45页。27 2、表示方法： 数字 + 硬度符号 +

15、数字 / 数字 / 数字 硬度值 (HBW或HBS) 钢球直径 载荷(zi h) 定时 280 HBS10/3000/30； 50 HBW5/75。 压头直径及试验力的确定： 对于材料相同而厚薄不同的工件，为了(wi le)测得相同的布氏硬度值，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)。试验力的保持时间：对于黑色金属为1015 s, 对于有色金属为30s,对于35HBS的材料为60s。第26页/共44页第二十七页，共45页。28图2-13 压痕相似(xin s)原理)2/sin11 (204. 0)(204. 02222DFdDDDFHB第27页/共44

16、页第二十八页，共45页。29第28页/共44页第二十九页，共45页。30材料材料布氏硬度布氏硬度F/D2钢及铸铁钢及铸铁 1401401030铜及其合金铜及其合金353513013051030轻金属及其合金轻金属及其合金351.252.5表2-2 布氏硬度实验(shyn)的F/D2值的选择第29页/共44页第三十页，共45页。31二、洛氏硬度二、洛氏硬度图2-14 洛氏硬度计图2-15 洛氏硬度试验(shyn)原理1、测定原理：圆锥角120的金刚石圆锥 或直径(zhjng)为1.588mm、3.175mm的淬火钢球； 加载F(kgf)；保压 卸载 不是(b shi)测量压痕面积，而是测量压痕深

17、度。002. 0hkHR第30页/共44页第三十一页，共45页。32第31页/共44页第三十二页，共45页。33硬度符号压头类型初始力F0(N)主试验力F1总试验力F测量硬度范围应用举例HRA金刚石圆锥98.07490.3588.42088硬质合金HRB1.588钢球882.6980.720100低碳钢HRC金刚石圆锥137314712070淬火钢HRD金刚石圆锥882.6980.74077薄钢板HRE3.175钢球882.6980.770100铝、镁合金HRF1.588钢球490.3588.460100铜合金表2-3 洛氏硬度实验(shyn)的规范及应用布氏硬度只能测定硬度值小于布氏硬度只能

18、测定硬度值小于450HB(或或650)的材料；洛氏硬度虽可测定各种硬度，但的材料；洛氏硬度虽可测定各种硬度，但标尺不同，所测硬度值不能直接换算。为了使得软硬材料有个连续标尺不同，所测硬度值不能直接换算。为了使得软硬材料有个连续(linx)一致的硬度一致的硬度指标，制定了维氏硬度。指标，制定了维氏硬度。第32页/共44页第三十三页，共45页。34三、维氏硬度三、维氏硬度图2-16 维氏硬度计图2-17 维氏硬度试验(shyn)原理1、测定原理：圆锥(yunzhu)角136的金刚石四棱锥 加载F(kgf/gf)；保压 卸载 测量(cling)压痕面积第33页/共44页第三十四页，共45页。35 2

19、、表示方法： 数字 + 硬度符号(fho) + 数字 / 数字 硬度值 (HV) 载荷 定时 640HV30/20； 50 HV5。3、优缺点： 优点： 采用对角线长度计量(jling)，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。第34页/共44页第三十五页，共45页。36 二是硬度(yngd)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=1.451 F/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(yngd)， 可以测定渗层截面上的硬度(yngd)分布等。四、其它四、其它(qt)硬度硬度图2-18 努氏硬度试验第35页/共44页第三十六页，共45页。37图