力学性能2013-2

1、第2章 材料在其他静载荷下的力学性能材料在实际应用时承受扭转、弯曲、压缩以及带有台阶、孔洞、螺纹等情况。第1节 应力状态软性系数对材料的单向静拉伸试验的分析研究表明，材料的塑性变形和断裂方式主要与应力状态有关正应力容易导致脆性的解理断裂，切应力容易导致材料的塑性变形和韧性断裂，而实际应用中的材料，其变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态. 1.应力状态软性系数定义：最大切应力最大正应力应力状态软性系数13max2max123() max13max1232() 2.几种应力状态下的应力状态软性系数取泊松比单向拉伸：单向压缩：扭转：值越大，切应力所占比例越大，越有利于塑性变形。0.25max

2、1313max1231232()20.5() 12300.51203 21203 0.8第2节 压缩、弯曲与扭转下的力学性能2.1 压缩1.压缩试验特点1)单向压缩试验的应力状态软性系数：=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，以显示这类材料在塑性状态下的力学行为。 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。脆性金属材料在拉伸时产生来自于载荷轴线的正断，塑性变形量几乎为零，而在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线呈45方向产生断裂，具有切断特征。 2.压缩试验下力学性能指标( a) 规定非比例应力pc非比例压缩变形到达规定原

3、始 标 距 百 分 比 时 的 应力,pc0.01，pc0.2压缩屈服强度sc(b)抗压强度bc试样压制破坏最大应力(c)相对压缩率相对断面扩展率(d) 压缩弹性模量Ec00100%kclll00100%kcAAA2.2 弯曲1.弯曲试验的特点(1)弯曲试验试佯形状简单、操作方便 ，可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。 (2) 弯曲试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷。 2.弯曲下的力学性能三点弯曲、四点弯曲试验一般记录弯曲力F与试样挠度f的关系曲线。在弹性范围为内，受拉侧表面最大弯曲应力M为最大弯矩W为试样弯曲截面系数MW()4sFlM 三点弯曲()2sFlM 四点弯曲3()32dWd

4、直径为 的圆柱2()6bhW 宽为b,高为h的矩形试样力学性能指标(a)规定非比例弯曲应力pb试样弯曲时外侧表面的非比例弯曲应变 达到规定值计算的最大弯曲应力。 pb0.01 pb0.2(b)抗弯强度bb压缩弯曲至断裂前最大弯曲力。(c)弯曲弹性模量Eb,断裂挠度fb，及断裂能量。pb2.3 扭转1.扭转试验的特点1)扭转的应力状态软性系数=0.8，比拉伸时的值大，易于显示金属的塑性行为。 2)圆柱形试样扭转时整个长度上塑性交形是均匀的，没有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量的试验。 3)能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。因此，可利用扔转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面

5、强化上艺的效果。4)扭转时试样中的最大正府力与最大切应力在数值上大体相等而生产上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度。所以，扭转试验是测定这些材料切断强度最可靠的方法。 2.扭转下力学性能指标试样尺寸：直径d0=10mm,标距长度l0=50mm 或100mm.获得扭矩T-扭角曲线。TW切应力00d=2l切应变2. 扭转力学性能指标(a)切变模量G弹性范围内，切应力与切应变之比。(b) 扭转屈服点s 具有明显拉伸物理屈服现象的金属材料，扔转试验时也同样有屈服现象。(c)抗扭强度b 试样在扭断前承受的最大扭短(Tb)，利用弹性扭转公式计算的切应力称为抗扭强度. 第3节 材料的硬度金属硬度的

6、意义及硬度试验的特点硬度试验方法很多大体上分为压入法(如硬度、洛氏硬度、维氏硬度等) 、划痕法(如莫氏硬度)和弹性回跳法(如肖氏硬度)等三类。硬度是表征金属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。例如，划痕法硬度值主要表征金属切断强度；回跳法硬度值主要表征金属弹性变形功的大小：压入法硬度值则表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力。因此，硬度不是金属独立的力学性能。3.1 布氏硬度试验1.测试原理：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，将其压入试样表面，经规定保持时间t(s)后，卸除试验力，试样表面将残留压痕。测量压痕平均直径d(mm)

7、，求得压痕球形面积A(mm2)。布氏硬度值HB就是试验力F除以压痕球形表面积A所得的商其计算公式为 F单位为kgf, D和d单位为mm时:F单位为N D和d单位为mm时:布氏硬度单位：kgf/mm2 一般不标，MPa, 标记222()FFHBAD DDd220.204()FFHBAD DDd2.布氏硬度表示方法压头为淬火钢球：HBS 布氏硬度450以上的太硬材料，因钢球变形已很显著，影响所测数据的正确性，因此不能使用。由于压痕较大，不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于薄件试验。此外，因需测量d值，故被测处要求平稳，操 作和测量都需较长时间，故在要求迅速检定大量成品时不适合。 3.

8、2 洛氏硬度 1. 测试原理：测量压痕深度表示材料硬度。 压头：a)圆锥角=120的金刚石圆锥体； b) 直径=1.588 mm淬火钢球或硬质合金球计算公式：洛氏硬度以压痕深度h来计算。h越大，硬度值越低，为了习惯，洛氏硬度计算公式为：金刚石圆锥压头k=0.2mm，淬火钢球或硬质合金球k=0.26mm.HRk-h=0.0022. 几种不同洛氏硬度标尺符号 压头类型 F0 (N/kgf) F1 (N/kgf) 测量范围 应用HRA金刚石圆锥98.07/10490.3/5020-88硬质合金，硬化薄钢板，表面薄层硬化钢HRB=1.588mm 钢球882.6/9020-100低碳钢，铜合金，铁素体可

9、锻铸铁HRC金刚石圆锥1373/14020-70淬火钢，高硬度铸件，珠光体可锻铸铁符号压头类型F0 (N/kgf)F1 (N/kgf)测量范围 应用HR15N金刚石圆锥29.42/3117.7/1270-94渗氮钢，渗碳钢，极保钢板，刀刃，零件边缘部分，表面镀层HR30N264.8/2742-86HR45N411.9/4220-77HR15T=1.588mm 钢球29.42/3117.7/126793低碳钢、铜合金、铝合金等薄件HR30T264.8/272982HR45T411.9/42172表面洛氏硬度试验标尺3.洛氏硬度表示方法60HRBW 50HRC 45HR45N S-淬火钢球，W-硬

10、质合金球。4.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）压痕小，代表性差，不均匀材料，硬度分散性大。2）用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。 3.3维氏硬度1. 测试原理压头为锥面夹角为136的金刚石四棱锥体。 计算公式F单位kgf; d单位mmHV单位：kgf/mm2F单位N; d单位mmHV单位：kgf/mm2通常载荷：100, 50, 30, 20, 10, 5 kgf 小负荷：3, 2, 1, 0.5

11、, 0.3, 0.2 kgf 122ddd21.854FFHVAd20.1020.1891FFHVAd2.维氏硬度表示方法：640HV30/203.维氏硬度特点：a)金刚石四棱锥压头不存在压头变形和更换压头的过程。b)软硬材料都可测，压痕清晰，易于测量。c)HV对于厚板缺口试样根据Tresca最大切应力判据：在缺口根部在缺口内部，应力增加到塑性区与弹性区交界处。yxsyxs()zxy 0 xys0 xys缺口第二个效应缺口使塑性材料强度增加，塑性降低，脆断倾向加大1）冲击弯曲实验 缺口试样冲击弯曲试验原理如图所示。试样为U型缺口或V型缺口，分别成为夏比U型缺口或夏比V型缺口尺寸101055mm

12、34. 冲击弯曲实验和冲击韧性2）冲击功、冲击韧性冲击功：试样在冲击载荷下变形和断裂所消耗的功。韧性：材料在断裂前 吸收塑性变形功和断裂功的能力。静力韧性：静拉伸载荷下，冲击韧性：冲击载荷下，韧度：韧性的度量。静力韧度：金属材料在静拉伸载荷下单位体积断裂前所吸收的功。冲击韧度：单位面积冲击功B冲击试样的净截面积12()KUAAmgHmhH()()KVKUKVKUAAaaB3)冲击功（冲击能）与测试温度的关系4）冲击韧性的应用(a)控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量。通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析可揭示原材料中的夹渣、气泡、严重分层、偏祈以及夹杂物超级等冶金缺陷；检查过热、过烧

13、、回火脆性等锻造或热处理缺陷。(2)根据系列冲击试验(低温冲击试验)可得AKU或AKV与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。据此可以评定材料的低温脆性倾向，供选材时参考或用于抗脆断设计。设计时，要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。第3节 低温脆性 1. 低温脆性现象及韧脆转变温度TK系列冲击实验证明：体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度Tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度TK称为韧脆转变温度或冷脆转变温度 2.

14、低温脆性产生的原因材料低温脆性的产生与其屈服强度s和断裂强度c随温度的变化有关 1/22scEa2(1)21abp nGe3. 韧脆转变温度TK的确定1)按能量定义TK的方法：a)当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为“低阶能”。以低阶能开始上升的温度定义为TK，记为NDT.b)高于某一温度，材料吸收的能量也基本不变，出现一个上平台，称为“高阶能”。以开始的高阶能对应的温度为TK，记为FTP。c)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义TK，记为FTE。2)按断口形貌定义TK的方法：实验表明：温度下降，断口纤维区面积减小，结晶区面积增大，材料由韧变脆。取结

15、晶区面积占整个断口面积50%时的温度为TK，记为FATT50韧脆转变温度TK的实际应用韧脆转变温度TK也是材料韧性指标，反映温度对韧性的影响。一般选用材料应该具有一定的韧性温度储备，即具有一定的值， =T0- TK其中T0为使用温度。为保证安全，要求： =60度 冲击载荷重要零件 =20度 不受冲击载荷的非重要零件=40度 介于二者之间。4. 影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素1)晶体结构 体心立方金属及其合金存在低温脆性，面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性 。中、低强度钢的基体是体心立方结构的铁素体，故都有明显的低温脆性。2) 化学成分(a)间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提

16、高(b)加入置换型溶质元素(Ni、Mn例外)一般也降低高阶能，提高韧脆转变温度，但这种影响较间隙溶质原子小很多(c)杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致 3)显微组织(a)晶粒尺寸：细化晶粒可使材料韧性增加。 铁素体晶粒尺寸d与TK满足下列关系：马氏体板条束宽度、上贝氏体铁素体条束宽度、原始奥氏体晶粒尺寸和韧脆转变温度也有类似的关系。 1/2lnlnlnKTBCd细化晶粒增加韧性的原因：细化晶粒增加韧性的原因：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿品脆性断裂(b)金相组织 (1)在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功