2金属在其它静载荷下的力学性能全解

1、中国矿业大学徐海学院Xuhai College , China University of Mining & Technology第二章 金属在其它静载荷下的力学性能金属在其它静载荷下的力学性能01.引 言 01.引 言 01.引 言 02.应力状态系数03.压缩04.弯曲05.扭转06.缺口试样静载荷试验07.硬度金属在其它静载荷下的力学性能拉伸压缩弯曲扭转 不同加载方式在试样中产生的应力状态不同，材料所表现出的力学行为不完全相同 常温静载01 引 言金属在其它静载荷下的力学性能材料的塑性或脆性02 应力状态系数）（32131maxmax5 . 02)(321max 为了表示外应力状

2、态对材料塑性变形的影响，特引入应力状态系数的概念。以方便选择检测方法。 例如：铸铁 压韧，拉脆式中最大切应力max按第三强度理论计算，即max=(1-3)/2 ，1，3分别为最大和最小主应力。最大正应力max按第二强度理论计算， 即 , 为泊松比。 绝对表示应力状态对材料塑性变形的影响应力状态软性系数金属在其它静载荷下的力学性能 应力状态系数表示材料塑性变形的难易程度。 越大表示在该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑性变形。 把值较大的称做软的应力状态，值较小的称做硬的应力状态。单向拉伸扭转单向压缩=1/2 =1/（1+）0.8 =1/（2） 2 02 应力状态系数金属在其它静载荷下的力学

3、性能压缩试验03 压缩0AFbcbc特点特点1）单向压缩试验2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定2）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。试样：截面圆形或正方形，长度为直径或边长的2.53.5倍抗压强度：试样压至破坏过程中的最大应力 （压缩屈服点 sc： 试验时金属产生明显屈服现象）金属在其它静载荷下的力学性能03 压缩塑性材料脆性材料抗压强度抗拉强度VS抗压强度抗拉强度VS金属在其它静载荷下的力学性能塑性材料受拉，脆性材料受压 赵州桥坐落在河北省赵县洨河上。建于隋代（公元581618年）大业年间（公元605618年），由著名匠师

4、李春设计和建造，距今已有约1400年的历史，是当今世界上现存最早、保存最完善的古代敞肩石拱桥。03 压缩金属在其它静载荷下的力学性能特点一拱形结构 整个大桥是由28道各自独立的拱券沿宽度方向并列组合而成。 拱圈各个横截面上均受到的压应力。石料（脆性材料）承受压应力。03 压缩金属在其它静载荷下的力学性能特点二铁拉杆 在主券上均匀沿桥宽方向设置了5个，穿过28道拱券，每个拉杆的两端有半圆形杆头露在石外，以夹住28道拱券，增强其横向联系。在4个小拱上也各有一根铁拉杆起同样作用。03 压缩铁拉杆（塑性材料）承受拉应力金属在其它静载荷下的力学性能特点三腰铁 为了使相邻拱石紧紧贴合在一起，在两侧外券相邻

5、拱石之间都穿有起连接作用的“腰铁”，各道券之间的相邻石块也都在拱背穿有“腰铁”，把拱石连锁起来。03 压缩金属在其它静载荷下的力学性能 苏通长江公路大桥，路线全长32.4公里，主要由跨江大桥和南、北岸接线三部分组成。其主跨跨径达到1088米，是世界位居第二大跨径的斜拉桥。03 压缩金属在其它静载荷下的力学性能03 压缩金属在其它静载荷下的力学性能玻璃杯倒入热水，破裂从哪开始（内、外壁）？薄的和厚的玻璃杯，谁更容易破裂？03 压缩金属在其它静载荷下的力学性能04 弯曲1）试样形状简单、操作方便。同时弯曲试验不存在拉伸试验时的试样偏斜对试验结果影响问题，并可用绕度显示材料的塑性。常用于测定铸铁、铸

6、造合金、工具钢及硬质合金等脆性和低塑性材料的断裂强度。2）试验时，试样截面上的应力分布不均匀，表面应力最大，可灵敏的反映材料表面缺陷。常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等机件的质量与性能。一、弯曲试验的特点及应用金属在其它静载荷下的力学性能 三点弯曲或四点弯曲试验：将圆形或矩形及方形试样放置在一定跨距L的支座上，通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，通常求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和塑性。 试样弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力： 式中M最大弯矩。对三点弯曲M=FLs/4；对四点弯曲M=FL/2。 W抗弯截面系数。对于直径为d的圆形试样，（d2）/32；对于宽度为b，高为h

7、的矩形试样，W=bh2/6WM 04 弯曲二、弯曲试验及力学性能金属在其它静载荷下的力学性能05 扭转（1）能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。（2）长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的。（3）能敏感地反映材料表面的性能（4）断口的特征最明显（切断、正断、层状断口等）一、扭转试验的特点金属在其它静载荷下的力学性能二、扭转试验和力学性能指标 一般采用圆柱形试样(d0=10mm，L050或100)在扭转试验机上进行。 扭矩扭角（T-）曲线 试样在弹性范围内表面的切应力和切应变为 W为试样抗扭截面系数，圆柱试样为 WT 002Ld 16/ )(30d05 扭转金属在其它静载荷下的力学性能切变模量

8、G（在弹性范围内，切应力与切应变之比）：扭转屈服点 （Ts为屈服时的扭矩） 抗扭强度 （Tb为扭断前承受的最大扭矩） 40032dTLGWTssWTbb05 扭转扭转力学性能指标金属在其它静载荷下的力学性能06 缺口试样静载荷试验缺口效应 由于缺口（截面变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹）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。缺口试样应力线分布、应力集中金属在其它静载荷下的力学性能应力集中系数:表示缺口引起的应力集中程度（在弹性范围内，与材料性质无关，只决定于缺口几何形状） max 、分别为缺口 净截面上的最大应力 与平均应力。Ktmax06 缺口试样静载荷试验缺口试样在弹性状态

9、下的应力分布金属在其它静载荷下的力学性能缺口试样在塑性状态下的应力分布材料在缺口静拉伸时的力学行为：1）对塑性好的材料，缺口使材料的屈服强度或抗拉强度升高，但塑性降低，是谓“缺口强化”。缺口试样的强度不会超过光滑试样强度的三倍。2）对于脆性材料，由于缺口造成的应力集中，不会因塑性变形而使应力重新分布，因此缺口试样的强度只会低于光滑试样。06 缺口试样静载荷试验金属在其它静载荷下的力学性能缺口静拉伸试验（轴向拉伸和偏斜拉伸）三、材料在静载下的缺口强度试验为了比较各种材料对缺口敏感的程度缺口形状06 缺口试样静载荷试验金属在其它静载荷下的力学性能缺口敏感度NSR衡量静拉伸下缺口敏感度指标 NSR越

10、大，缺口敏感性越小，对于脆性材料如铸铁、高碳工具钢，其NSR2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。 刻划法：莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。 回跳法：肖氏硬度 表征金属弹性变形功的大小。 同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一材料进行标定。一、硬度及其意义硬度表征材料软硬程度的一种性能,指金属在表面上的不大体积内抵抗变形或者破裂的能力。随试验方法的不同，物理意义不同。种类金属在其它静载荷下的力学性能二、硬度试验07 硬度莫氏硬度(Mohs hardness) 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。

11、顺序材料顺序材料1滑石1滑石2石膏2石膏3方解石3方解石4萤石4萤石5磷灰石5磷灰石6正长石6正长石7石英7SiO2玻璃8黄玉8石英9刚玉9石榴石10金刚石10熔融氧化锆11刚玉12碳化硅13碳化硼14金刚石金属在其它静载荷下的力学性能具有一定形状的钢制压针，在试验力作用下垂直压入试样表面，当压足表面与试样表面完全贴合时，压针尖端面相对压足平面有一定的伸出长度L，以L值的大小来表征邵氏硬度的大小，L值越大，表示邵尔硬度越低，反之越高07 硬度邵氏硬度计金属在其它静载荷下的力学性能（1）原理 用一定直径D的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力。

12、试样表面留下压痕。力除以压痕球形表面积的商就是布氏硬度。 d压痕直径)(204. 0102. 022dDDDFAFHB 07 硬度布氏硬度金属在其它静载荷下的力学性能HBS（钢球压头）适用于测量退火、正火、调质钢及铸铁、有色合金等硬度小于450HB的较软金属；HBW（硬质合金压头）适用于测量硬度值在650HB以下的较硬材料 优点：压痕面积较大，代表性全面，能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数据，故特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料。试验数据稳定。试验数据从小到大都可以统一起来。 缺点：对不同材料需更换压头直径和改变试验力，压痕直径测量麻烦，因而用

13、于自动检测时受到限制；由于压痕较大，不宜于成品检验，也不宜于薄件试验。07 硬度优缺点和适用范围金属在其它静载荷下的力学性能洛氏硬度（1）原理：以顶角120的金刚石锥体或直径1.588mm的淬火钢球为压头，测量压痕深度可直接从硬度计表盘读出硬度值。 07 硬度金属在其它静载荷下的力学性能 压痕深度h越大，硬度值越低。规定： 不同的压头，k值不同；金刚石k=0.2；钢球k=0.26002. 0hkHR 07 硬度金属在其它静载荷下的力学性能（2）种类 HRA、HRB、HRC 最常用，改变压力和压头，可适用于不同的测试范围。表面洛氏 HR15N，HR30N， HR45N，R15T用来测定极薄试样及

14、渗氮层的硬度。（3）洛氏硬度试验的优缺点优点： 1)因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题； 2)压痕小，不伤工件表面； 3)操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。缺点：1）压痕较小，代表性差；2）所测硬度值重复性差，分散度大；3）用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。 07 硬度金属在其它静载荷下的力学性能（1）原理：基本同布氏硬度，区别在于压头采用锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体，压痕为正四方锥形，测量压痕对角线的平均长度d。07 硬度维氏硬度金属在其它静载荷下的力学性能（2）优缺点优点：它不存在布氏那种负荷F和压

15、头直径D的规定条件的约束，以及压头变形问题；也不存在洛氏那种硬度值无法统一的问题。 1）载荷可任选（49980N）（采用四方角锥，当负荷改变时压入角不变）； 2）压痕测量精度高，数据精确。 3）和洛氏一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)的硬度。缺点：硬度值需通过测量对角线后才能计算(或查表)出来，因此生产效率没有洛氏高。07 硬度金属在其它静载荷下的力学性能 采用四棱锥，对面角分别为172o30和130o。 力F除以压痕投影面积之商。 它比四等角锥测量值精确。22451. 123.14102. 0lFlFHK07 硬度（1）原理：基本同布氏硬度，区别在于压头采用锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体，压痕为正四方锥形，测量压痕对角线的平均长度d。努氏硬度（也属显微硬度）金属在其它静载荷下的力学性能 一种动载荷试验