2金属在其它静载荷下的力学性能全解

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,为了表示外应力状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性能,压缩试验,03 压缩,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,2.5,3.5,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，（,d,2,）,/32,；对于宽度为,b,，高为,h,的矩形试样，,W=bh,2,/6,04,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,(d,0,=10mm,，,L,0,50,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,05,扭转,金属在其它静载荷下的力学性能,切变模量,G,（在弹性范围内，切应力与切应变之比）：,扭转屈服点,（,T,s,为屈服时的扭矩）,抗扭强度,（,T,b,为扭断前承受的最大扭矩）,05,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。,06,缺口试样静载荷试验,缺口试样在弹性状态下的应力分布,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。,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。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,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=0.26,07,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（,49,980N,）（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,172,o,30,和,130,o,。,力,F,除以压痕投影面积之商。,它比四等角锥测量值精确。,07,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,一种动载荷试验法。将一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定的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。,优缺点：,方便；可在现场测大型工件的硬度。,在弹性模量相同时才可进行比较。精度和准确度 较差。,07,硬度,肖氏硬度,金属在其它静载荷下的力学性能,07,硬度,肖氏硬度,金属在其它静载荷下的力学性能,