第02章 金属在其他静载荷下的力学性能Li_30P.ppt

1、1,第二章 金属在其他静载荷下的力学性能,2.1 应力状态软性系数 2.2 压缩 2.3 弯曲 2.4 扭转 2.5 硬度 2.6 带缺口试样静载荷试验,2,本章内容： 压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。 原因：零部件在服役中因为承受着不同类型的外应力；造成零件内部存在着不同的应力状态。,2.1 应力状态软性系数 材料的塑性或脆性并不是绝对的。 为表示外应力状态对材料塑性变形的影响，特引入应力状态软性系数 的概念，以方便选择检测方法。 例如：铸铁 压缩时呈现一定的韧性；拉伸时表现出脆性,3,1、应力状态软性系数 的定义：最大切应力与最大正应力之比,式中 最大切应力max按第三强度理论

2、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, 泊松比。,4,单向拉伸 = 1/2 扭 转 = 1 /（1+）0.8 单向压缩 = 1 /（2） 2 应力状态系数的技术意义表示了材料塑性变形的难易程度 越大，表示该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑变。 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。 如单向静拉伸，应力状态较硬，适于塑变抗力与切断强度较低的所谓塑性材料试验；而正断强度较低的所谓脆性材料（淬低回的高碳钢、灰铸铁及某些铸造合金）在此种加载方式下会产生脆性正断，显示不出它们在韧性状态下所表现出的力学行为

3、。 反之，对于塑性较好的金属材料，则采用三向不等拉伸，使之在更“硬”的应力状态下显示其脆性倾向。,5,2、力学状态图,力学状态图（涉及第二强度理论和第三强度理论的应用） 纵坐标为按第三强度理论计算最大切应力max ， 横坐标为按第二强度理论计算最大正应力 max。 自原点作出不同斜率的直线，这些直线可代表不同的应力状态软性系数，其位置反映了应力状态对断裂的影响。,6,2.2 压缩,2.2.1 材料压缩的特点 应力状态系数 = 2，即应力状态“软”， 此时材料易产生塑性变形。 软钢 易压缩成腰鼓状、扁饼状。铸铁 拉伸时断口为正断；压缩时则沿45o方向切断。 对塑性变形能力小的材料，或者使用工况为

4、压缩状态的材料，在静拉伸外，还应采用压缩实验来评定其性能。,7,2.2.2 压缩实验,曲线与拉伸曲线的形式相同， (左) 1拉伸力与伸长曲线， (右) 1脆性材料 2压缩力与变形曲线； 2塑性材料 压缩测试指标：抗压强度bc、压缩0.01、压缩0.2或压缩S 、压缩E、压缩断面收缩率bc 等,8,为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园锥面，以便使试样能均匀变形。,9,2.3 弯曲,2.3.1 弯曲试验的特点 常用于测定低塑性、脆性材料的力学性能。 分析： （1）正应力 试样上表面为压应力，下表面为拉应力； （2）表面应力最大，中心线区域为零；（3）加力点处的作用力

5、最大；（4）对试样的要求比拉伸时宽松。 如铸铁、工具钢、表面渗碳钢, 硬质合金、陶瓷等，常采用弯曲试验评定其力学性能。,10,2.3.2 弯曲试验（1）抗弯强度bb,M为最大弯矩，W为抗弯截面系数。 还可测定弯曲弹性模量、断裂挠度fbb、断裂能量U（弯曲力挠度 曲线下所包围的面积，See图2-5，P42）,11,三点弯曲(前页左图) 弯矩 M = PL/4 直径为d的圆形试样,抗弯截面系数 W=（d3）/32 对于宽度为b，高为h的矩形试样，抗弯截面系数 W=bh2/6 ； 四点弯曲(前页右图) 弯矩M = PL/2 （2）断裂挠度f试样断裂之前被压下的最大距离。 通过记录弯曲力F和试样挠度f

6、之间的关系，求出断裂时的抗弯强度bb和最大挠度fbb，以表示材料弯曲时的强度和塑性。 例如，灰铁的抗弯性能优于其抗拉性能 （bb 280650MPa，b= 150-350MPa）； 而球铁和可锻铸铁的bb比灰铁又大的多 （例如珠光体球铁bb 7001200MPa，是灰铸铁的1.61.9倍） 韧性材料一般不作弯曲强度检测。,12,2.4 扭转2.4.1 扭转试验的特点,1、特点（1）能检测拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。（2）沿长度方向，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 参见右图 (a)切断（有回旋状塑变痕迹） (b)正断(螺旋状) (c)木纹

7、状断口（纵向剥层或裂纹） 分别对应 (a）塑性材料 （b）脆性材料 （c）材料内部存在较多的非金属夹杂或偏析，并在轧制中沿轴向分布。,应用： 可根据断口宏观特征来判断承受扭矩而断裂的机件的性能。,13,2.应力状态（ 值比拉伸时大，容易显示金属的塑性行为） 纵向 受力均匀； 横向 表面最大，心部为0； 最大正应力与最大切应力比值近于1。 如下图： a）T-扭矩，-相对扭角、(与试样轴线呈45的斜截面上)1 -最大正应力、 3 -最小正应力； (与试样轴线平行和垂直的截面上) -最大切应力； b）弹变，应力 vs 应变是线性的； C）表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，但切应力则因塑

8、性变形而有所降低，不再呈线性分布。,扭转可测试：切变模量G、扭转屈服点s 、抗扭强度b。,14,2.4.2 扭转试验 性能指标 切应力 = T/W T扭矩， W抗扭截面系数,圆柱试样的W为 切应变 （-扭角,rad) 切变模量 T-扭矩增量，-扭角增量 扭转屈服点：S 抗扭强度：b 例如，用于表面强化层抗扭强度的测试与评定,15,2.5 硬度2.5.1 硬度及其意义,1、硬度 表征材料软硬程度的一种性能。 随试验方法的不同，其物理意义不同。 2、硬度的种类(根据试验方法划分) 压入法：布氏HB、洛氏HR、维氏HV、努氏HK等。 压入法硬度（的实质） 表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。 其应

9、力状态软性系数最大（2），几乎令所有的材料都能产生塑变。 刻划法：莫氏硬度（Mohn）。表征材料对切断的抗力。 回跳法：肖氏硬度HS 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。（都列入有关技术数据表中，可查阅手册文献）,16,2.5.2 硬度试验,1、布氏硬度（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F，将其压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力。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 0.102F/D2 (N/mm2) 的常用比值规范有30、10和2.5。以得到相同规范情况下的

10、几何相似的压痕。,17,（2）种类 布氏硬度试验用压头直径D (10，5，2.5，2，1mm)。 淬火钢球压头-HBS（适用450HB以下）； 硬质合金压头-HBW（适用450HB650HB）。 (3)布氏硬度的优缺点 优点：能在较大范围内反映材料的平均性能。试验数据稳定，重复性好，应用广泛。 缺点：属有损检测；不能连续检测。 为保证数据可靠，需根据材料的种类和试样的厚薄更换压头。压痕直径 d = 0.240.6D，,18,2、洛氏硬度 （1）测试原理以压头留下的压痕深度来表示材料的硬度值。 压痕深度h越大，硬度值越低。 规定： 压头不同，k值不同；金刚石k=0.2；钢球k=0.26 锥头又分

11、成=120o的金刚石圆锥（HRC、HRA） 或一定直径的淬火钢球(HRB)。 （2）种类（See P52 表2-3、P53 表2-4） HRA、HRB、HRC 最常用，变换压力和压头，可适于不同的测试范围。 表面洛氏（小负荷）：HR15N、HR30N、HR45N（金刚石圆锥），HR15T（淬火钢球）等用来测定极薄试样及渗氮层的硬度。 特点：操作简便、迅速，硬度值（HRC、HRA）可直接读出，压痕较小。 不足：测试数据有一定分散性，不同标尺下测得的硬度值之间没有联系，不能直接比较。,19,3、维氏硬度,= 136o 的金刚石正四棱锥体 取=136o 与布氏硬度的计算方法相同。 维氏硬度可分为宏观

12、和显微观两种 宏观HV：F=49.03980.7N F=1.96129.42N 小载荷 显微Hm：F = 98.0710-30.9807N 通过测量对角线长度d计算出HV。 采用正四棱锥体压头， 是为了当改变试验力时，压痕的几何形状总保持相似。 优点：形成了统一标度，测试精度较高，不同材料硬度测试值之间可以比较；不足：测试效率低。,20,4、努氏硬度（也属显微硬度）,采用四棱锥，对面夹角分别为172o30和130o。 力F除以压痕投影面积之商。它的压痕细长，比四等角锥 测量值精确。 试样的表面不一定是很 平整，而且组织不均匀，尤 其是回旋体的表面。 F为试验力，可在0.4903 19.61N内

13、选取。,21,5、肖氏硬度HS 一种动载荷试验法。,将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值的大小。 也称为回跳硬度。 原理：重锺从一定高度落下，使材料产生弹性变形和塑性变形。塑性变形功被试样吸收；弹性变形功使重锤回跳一定的高度。 材料的屈服强度越高，弹性变形功越大，则金属越硬。 优点：方便；可在现场测大型工件的硬度；注意：不同的硬度值，在弹性模量相同时才可进行比较。 不足：精度和准确度较差。 此外还有里氏硬度HL，也是动载荷测试法（用碳化钨球冲头的回弹速度来表征金属的硬度大小值）,22,23,2.6 带缺口试样静载荷试验,2.6.

14、1 问题的提出 材料内部存在裂纹，或体积较大的缺陷。 零件上有螺纹、键槽、油孔、退刀槽，焊缝等沟槽。缺口产生应力集中 引起三向拉应力状态，使材料脆化； 由应力集中产生应变集中； 使缺口附近的应变速率增高。 标准方式的测试结果，已不能满足实际需要。,24,2.6.2 缺口效应,1、理论应力集中系数 Kt = max/ Kt值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状。 2、拉伸时，缺口试样上的应力分布（1）弹性状态下,25,侧面带有缺口的薄板和厚板受拉伸时的应力分布,(a)薄板缺口下的弹性应力(平面应力) 缺口根部为单向拉应力状态y，内部为两向拉应力状态， z等于0 。 (b)厚板缺口下的弹性应力(

15、平面应变) 弹变时，缺口根部为两向拉应力状态，内部为三向拉应力状态。 (c) 平面应变时的应力分布 在材料内部，沿厚度方向， z不等于0。 (d)平面应变时,局部屈服后的应力分布,26,（2）塑性状态下,塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。 应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处，该处y，x，z均为最大值。 随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。试样中心区的y最大。出现“缺口强化”（三向拉应力约束了塑性变形） 塑性降低，影响材料的安全使用。,27,三、缺口试样静拉伸试验,1、方法 缺口试样，有轴向拉伸和偏斜拉伸两种。 通

16、常用缺口敏感度 NSR (Notch Sensitivity Ratio) 衡量静拉伸下缺口敏感度指标： NSR=bn/b bn为缺口试样的抗拉强度，b为等截面光滑试样的抗拉强度。 NSR越大，表示缺口敏感度越小. 脆性材料(如铸铁、高碳钢），NSR1，这些材料对缺口很敏感。 高强度材料的NSR一般也小于1。 塑性材料的NSR一般大于1。 利用缺口拉伸试验，还能查明光滑拉伸试样不能显示的力学行为（高强度钢的淬火低温回中火、钢和钛的氢脆，高温合金的缺口敏感性等）。 NSR是反映安全性的力学性能指标。 偏斜拉伸，=4o和8o，试样承受拉伸和弯曲。,28,2、断口 由于缺口的存在，裂纹源一般在缺口处，然后向内部扩展，一般不存在剪切唇。 偏斜拉伸试样 初始阶段可能呈纤维状；第二阶段则可能呈放射状； 当初始阶段与第二阶段相交截时，便形成最终断裂区。,29,四、缺口试样静弯曲试验,缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度 由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的应力应变分布的不均匀性更大。但应