西北工业材料力学性能PPT3

第 三 章其 他 静 加 载 下 的 力 学 性 能 3.2 扭 转 试 验3.2.1 应 力 应 变 分 析 切 应 力 切 应 变 在 弹 性 变 形 范 围 内 ， 材 料 力 学 给 出了 圆 杆 表 面 的 切 应 力 计 算 公 式 如 下 =M / W （ 3-1） 式 中 M为 扭 矩 ； W为 截 面 系 数 。 对 于 实 心 圆 杆 ，W d03 16； 对 于 空 心 圆 杆 ,W= d03(1-d14/d04) 16,其 中 d0为 外 径 ， d1为 内 径 。因 切 应 力 作 用 而 在 圆 杆 表 面 产 生 的 切 应 变 为 =tg = d0/2l0 100 （ 3-2）式 中 为 圆 杆 表 面 任 一 平 行 于 轴 线 的 直 线 因 的 作 用 而 转 动 的 角 度 ,见 图 3-1(a)； 为 扭 转 角 ;l0为 杆 的 长 度 。 3.2.2 扭 转 试 验 及 测 定 的 力 学 性 能 扭 转 试 验 采 用 圆 柱 形 (实 心 或 空 心 )试 件 , 在 扭 转 试验 机 上 进 行 。 扭 转 试 件 如 图 3-2所 示 (略 ), 标 距 为 100mm；有 时 也 采 用 标 距 为 50mm的 短 试 件 。 00 K MbM0.3MEMp扭矩 M 扭转角 利 用 扭 转 图 ， 确 定 材 料 的 切 变 模 量 G，扭 转 比 例 极 限 p, 扭 转 屈 服 强 度 0.3, 和 抗 扭 强 度切 变 模 量 G = / =32Ml0 ( d04) 3-3) 扭 转 比 例 极 限 p p=Mp/W (3-4) 式 中 M p为 扭 转 曲 线 开 始 偏 离 直 线 时 的 扭 矩 。 扭 转 屈 服 强 度 0.3 0.3 = M0.3 /W (3-5) 式 中 M0.3为 残 余 扭 转 切 应 变 为 0.3%时 的 扭 矩 。 抗 扭 强 度 b=Mb/W (3-6)式 中 Mb为 试 件 断 裂 前 的 最 大 扭 矩 。 3.2.3 扭 转 试 验 的 特 点 及 应 用 (1)扭 转 时 应 力 状 态 的 柔 度 系 数 较 大 ， 因 而 可 用 于 测 定 那 些在 拉 伸 时 表 现 为 脆 性 的 材 料 ， 如 淬 火 低 温 回 火 工 具 钢 的 塑性 。 (2)圆 柱 试 件 在 扭 转 试 验 时 ， 整 个 长 度 上 的 塑 性 变 形 始 终 是均 匀 的 ， 其 截 面 及 标 距 长 度 基 本 保 持 不 变 ， 不 会 出 现 静 拉伸 时 试 件 上 发 生 的 颈 缩 现 象 。 因 此 ， 可 用 扭 转 试 验 精 确 地测 定 高 塑 性 材 料 的 变 形 抗 力 和 变 形 能 力 ， 而 这 在 单 向 拉 伸或 压 缩 试 验 时 是 难 以 做 到 的 。 (3)扭 转 试 验 可 以 明 确 地 区 分 材 料 的 断 裂 方 式 ， 正 断 或 切断 。 (4)扭 转 试 验 时 ， 试 件 截 面 上 的 应 力 应 变 分 布表 明 ， 它 将 对 金 属 表 面 缺 陷 显 示 很 大 的 敏 感性 因 此 ， 可 利 用 扭 转 试 验 研 究 或 检 验 工 件热 处 理 的 表 面 质 量 和 各 种 表 面 强 化 工 艺 的 效果 。(5)扭 转 试 验 时 ， 试 件 受 到 较 大 的 切 应 力 ， 因而 还 被 广 泛 地 应 用 于 研 究 有 关 初 始 塑 性 变 形的 非 同 时 性 的 问 题 ， 如 弹 性 后 效 、 弹 性 滞 后以 及 内 耗 等 综 上 所 述 ， 扭 转 试 验 可 用 于 测 定 塑 性 材 料和 脆 性 材 料 的 剪 切 变 形 和 断 裂 的 全 部 力 学性 能 指 标 ， 并 且 还 有 着 其 它 力 学 性 能 试 验方 法 所 无 法 比 拟 的 优 点 。 因 此 ， 扭 转 试 验在 科 研 和 生 产 检 验 中 得 到 较 广 泛 地 应 用 。然 而 ， 扭 转 试 验 的 特 点 和 优 点 在 某 些 情 况下 也 会 变 为 缺 点 ， 例 如 ， 由 于 扭 转 试 件 中表 面 切 应 力 大 ， 越 往 心 部 切 应 力 越 小 ， 当表 层 发 生 塑 性 变 形 时 ， 心 部 仍 处 于 弹 性 状态 (见 图 3-1(c)。 因 此 ， 很 难 精 确 地 测 定 表层 开 始 塑 性 变 形 的 时 刻 ， 故 用 扭 转 试 验 难以 精 确 地 测 定 材 料 的 微 量 塑 性 变 形 抗 力 。 3.3 弯 曲 试 验 3.3.1 弯 曲 试 验 方 法 通 常 用 弯 曲 试 件 的 最 大 挠 度 fmax表 征 材 料的 变 形 性 能 。 试 验 时 ， 在 试 件 跨 距 的 中心 测 定 挠 度 ， 绘 成 P-fmax关 系 曲 线 ， 称为 弯 曲 图 。 图 3-7表 示 三 种 不 同 材 料 的弯 曲 图 。 00 P 位移图 3-7 典 型 的 弯 曲 图 ，（ a） 塑 性 材 料 ， （ b） 中 等 塑 性 材 料 ， （ c） 脆 性 材 料 对 于 脆 性 材 料 ， 可 根 据 弯 曲 图 (见 图 3-7(c)， 用 下 式 求 得 抗 弯 强 度 bb bb=Mb/W (3-11) 式 中 Mb为 试 件 断 裂 时 的 弯 矩 ， W为 截 面 抗弯 系 数 ， 可 根 据 弯 曲 图 上 的 最 大 载 荷 Pb,按 下 式 计 算 ： 对 三 点 弯 曲 试 件 : Mb=PbL 4. 对 四 点 弯 曲 试 件 : Mb=PbK 2 6.3.2弯 曲 试 验 的 应 用 用 于 测 定 灰 铸 铁 的 抗 弯 强 度 ， 灰 铸铁 的 弯 曲 试 件 一 般 采 用 铸 态 毛 坯 圆柱 试 件 。 用 于 测 定 硬 质 合 金 的 抗 弯 强 度 ， 硬质 合 金 由 于 硬 度 高 ， 难 以 加 工 成 拉伸 试 件 ， 故 常 做 弯 曲 试 验 以 评 价 其性 能 和 质 量 。 陶 瓷 材 料 的 抗 弯 强 度 测 定 。 3.4 压 缩 试 验 3.4.1 单 向 压 缩 试 验 单 向 压 缩 时 应 力 状 态 的 柔 度 系 数 大 ， 故 用 于 测 定脆 性 材 料 ， 如 铸 铁 、 轴 承 合 金 、 水 泥 和 砖 石 等 的力 学 性 能 。 由 于 压 缩 时 的 应 力 状 态 较 软 ， 故 在 拉 伸 、 扭 转 和弯 曲 试 验 时 不 能 显 示 的 力 学 行 为 ， 而 在 压 缩 时 有可 能 获 得 。 压 缩 可 以 看 作 是 反 向 拉 伸 。 因 此 ， 拉 伸 试 验 时 所定 义 的 各 个 力 学 性 能 指 标 和 相 应 的 计 算 公 式 ， 在压 缩 试 验 中 基 本 上 都 能 应 用 。 图 3-8 压 缩 载 荷 变 形 曲 线 ,1-塑 性 材 料 ， 2-脆 性 材 料00 2 1bsep压缩应力 相对缩短 根 据 压 缩 曲 线 ， 可 以 求 出 压 缩 强 度 和 塑 性 指 标 。 对 于 低塑 性 和 脆 性 材 料 ， 一 般 只 测 抗 压 强 度 bc， 相 对 压 缩 ck和 相 对 断 面 扩 胀 率 ck。 抗 压 强 度 bc bc=Pbc/A0 (3-13) 相 对 压 缩 ck ck=(h0-hk)/h0 100 (3-14) 相 对 断 面 扩 胀 率 ck ck=(Ak-A0)/A0 100 (3-15) 式 中 Pbc为 试 件 压 缩 断 裂 时 的 载 荷 ;h0和 hk分 别 为 试 件 的 原 始高 度 和 断 裂 时 的 高 度 ； A 0和 Ak分 别 为 试 件 的 原 始 截 面 积和 断 裂 时 的 截 面 积 。 常 用 的 压 缩 试 件 为 圆 柱 体 。 试 件 的 高 度 和 直 径 之 比 A0 d0应 取 1.5-2.0。 3.4.2 压 环 强 度 试 验 3.5 剪 切 试 验 模 拟 实 际 服 役 条 件 ， 并 提 供 材 料 的抗 剪 强 度 数 据 作 为 设 计 的 依 据 。 单 剪 试 验 双 剪 试 验 冲 孔 式 剪 切 试 验