工程材料力學(xué)性能-第二章

1、靜拉伸：靜拉伸： 包括彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)過程包括彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)過程其他靜加載方式：扭轉(zhuǎn)，彎曲，壓縮，硬度等其他靜加載方式：扭轉(zhuǎn)，彎曲，壓縮，硬度等靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)l應(yīng)力狀態(tài)的軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)的軟性系數(shù)a0.8l用圓柱形試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，沒有頸縮現(xiàn)象。用圓柱形試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，沒有頸縮現(xiàn)象。l扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的正應(yīng)力和切應(yīng)力數(shù)值上大體相等。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的正應(yīng)力和切應(yīng)力數(shù)值上大體相等。l扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可明確地區(qū)分金屬材料最終斷裂方式：正斷和切斷。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可明確地區(qū)分金屬材料最終斷裂方式：正斷和切斷。l扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)不能顯示材料的體積缺陷。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)不能顯示材料的體積缺陷。 扭

2、轉(zhuǎn)變形是指桿件受到大小相等扭轉(zhuǎn)變形是指桿件受到大小相等, ,方向方向相反且作用平面垂直于桿件軸線的力偶作用相反且作用平面垂直于桿件軸線的力偶作用, ,使桿件的橫截面繞軸線產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。使桿件的橫截面繞軸線產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 橫截面間繞軸線的相對(duì)角位移，稱為扭橫截面間繞軸線的相對(duì)角位移，稱為扭轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角。 按輸入功率、轉(zhuǎn)速計(jì)算按輸入功率、轉(zhuǎn)速計(jì)算T = Me右手螺旋法則右手螺旋法則右手拇指指向外法線方向?yàn)橛沂帜粗钢赶蛲夥ň€方向?yàn)?正正(+),(+),反之為反之為 負(fù)負(fù)(-)(-)G彈性范圍內(nèi)的剪應(yīng)力剪應(yīng)變關(guān)系彈性范圍內(nèi)的剪應(yīng)力剪應(yīng)變關(guān)系TdAdxdGA圓軸扭轉(zhuǎn)變形的基本公式圓軸扭轉(zhuǎn)變形的基本公式靜力學(xué)方程靜

3、力學(xué)方程l總結(jié)總結(jié)幾何方面幾何方面物理方面物理方面靜力學(xué)方面靜力學(xué)方面pGITdxddxdGdxdpIT圓軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的一般公式圓軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的一般公式pIT圓軸最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力圓軸最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力當(dāng)當(dāng)R時(shí)應(yīng)力最大時(shí)應(yīng)力最大令令則則 試樣在彈性范圍內(nèi)每一瞬間的表面切試樣在彈性范圍內(nèi)每一瞬間的表面切應(yīng)力應(yīng)力和表面切應(yīng)變和表面切應(yīng)變分別為：分別為： 試樣的切變模量：試樣的切變模量： 扭轉(zhuǎn)比例極限扭轉(zhuǎn)比例極限p、扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度0.3和和扭轉(zhuǎn)條件強(qiáng)度極限扭轉(zhuǎn)條件強(qiáng)度極限K分別為：分別為：MW002dlPPMW0.30.3MWKKMW04032MlGd彎曲試驗(yàn)的加載方式：三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲彎曲試

4、驗(yàn)的加載方式：三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲三點(diǎn)彎曲：斷裂位置被固定在集中加載截面處三點(diǎn)彎曲：斷裂位置被固定在集中加載截面處四點(diǎn)彎曲：斷裂具體位置由均勻加載段內(nèi)相對(duì)四點(diǎn)彎曲：斷裂具體位置由均勻加載段內(nèi)相對(duì) 較弱的組織決定較弱的組織決定彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)：彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)： (1) 從整體上比拉伸試樣的幾何外形簡(jiǎn)單，從整體上比拉伸試樣的幾何外形簡(jiǎn)單， 適用于測(cè)定加工不方便的脆性適用于測(cè)定加工不方便的脆性材料。材料。 (2) 退火、正火、調(diào)質(zhì)后的碳素結(jié)構(gòu)鋼或者合金結(jié)構(gòu)鋼由于其塑性較好，退火、正火、調(diào)質(zhì)后的碳素結(jié)構(gòu)鋼或者合金結(jié)構(gòu)鋼由于其塑性較好，不宜采用彎曲試驗(yàn)，而應(yīng)改用拉伸試驗(yàn)來測(cè)定其有關(guān)斷裂的抗力。不宜采用彎曲試

5、驗(yàn)，而應(yīng)改用拉伸試驗(yàn)來測(cè)定其有關(guān)斷裂的抗力。 (3) 可以較靈敏的反映材料的表面缺陷?？梢暂^靈敏的反映材料的表面缺陷。 彎曲試樣拉伸側(cè)表面的最大正應(yīng)力：彎曲試樣拉伸側(cè)表面的最大正應(yīng)力： 脆性材料只測(cè)定斷裂時(shí)的抗彎強(qiáng)度：脆性材料只測(cè)定斷裂時(shí)的抗彎強(qiáng)度：maxmaxMW334bm lEb h純彎曲實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察純彎曲實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察平面假設(shè)：平面假設(shè)：變形前為平面的橫截面變形后仍保持為變形前為平面的橫截面變形后仍保持為平面，只是繞截面內(nèi)某一軸線偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。平面，只是繞截面內(nèi)某一軸線偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。單向受力假設(shè)：?jiǎn)蜗蚴芰僭O(shè)：梁內(nèi)各縱向梁內(nèi)各縱向“纖維纖維”僅承受軸向拉僅承受軸向拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。應(yīng)力或

6、壓應(yīng)力。凹入凹入一側(cè)纖維一側(cè)纖維縮短縮短突出突出一側(cè)纖維一側(cè)纖維伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)中間一層纖維長(zhǎng)度不變中間一層纖維長(zhǎng)度不變中性層中性層中間層與橫截面的交線中間層與橫截面的交線中性軸中性軸1、變形幾何關(guān)系、變形幾何關(guān)系OO2、物理關(guān)系、物理關(guān)系胡克定理胡克定理EyE3、靜力學(xué)條件、靜力學(xué)條件純彎曲：純彎曲：Z1EIMMdAyMAz 4、正應(yīng)力公式、正應(yīng)力公式變形幾何關(guān)系變形幾何關(guān)系物理關(guān)系物理關(guān)系yEyE靜力學(xué)關(guān)系靜力學(xué)關(guān)系Z1EIMZIMy正應(yīng)力公式正應(yīng)力公式彎曲剛度5 5、橫截面上最大正應(yīng)、橫截面上最大正應(yīng)力力zIMymaxmaxmax/ yIMzmaxyIWzz截面的截面的抗彎截面系數(shù)，抗彎截面系數(shù)

7、，反映了截面反映了截面的幾何形狀、尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響。的幾何形狀、尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響。ZmaxWM常見截面的常見截面的 IZ 和和 WZ圓截面圓截面矩形截面矩形截面空心圓截面空心圓截面空心矩形截面空心矩形截面AdAyI2ZmaxZZyIW 644ZdI323ZdW)1 (6444ZDI)1 (3243ZDW123ZbhI 62ZbhW 12123300ZbhhbI)2/()1212(03300ZhbhhbW橫向彎曲正應(yīng)力公式橫向彎曲正應(yīng)力公式彎曲正應(yīng)力分布彎曲正應(yīng)力分布ZIMy 彈性力學(xué)精確分析表明，彈性力學(xué)精確分析表明，當(dāng)跨度當(dāng)跨度 l 與橫截面高度與橫截面高度 h 之之比比 l / h 5 （

8、細(xì)長(zhǎng)梁）時(shí)，（細(xì)長(zhǎng)梁）時(shí)，純彎曲正應(yīng)力公式對(duì)于橫向純彎曲正應(yīng)力公式對(duì)于橫向彎曲近似成立。彎曲近似成立。ZmaxmaxmaxIyM橫向彎曲最大正應(yīng)力橫向彎曲最大正應(yīng)力ZmaxmaxWM1. 1. 降低降低 M Mmaxmax 合理安排支座合理安排支座合理布置載荷合理布置載荷提高梁強(qiáng)度的主要措施提高梁強(qiáng)度的主要措施合理布置支座合理布置支座FF合理布置支座合理布置支座合理布置載荷合理布置載荷ZmaxmaxWM2. 2. 增大增大 W WZ Z 合理設(shè)計(jì)截面合理設(shè)計(jì)截面合理放置截面合理放置截面62bhWZ左62hbWZ右合理放置截面合理放置截面壓縮試驗(yàn)特點(diǎn)：壓縮試驗(yàn)特點(diǎn)： 塑性好的材料只能壓縮變形，不

9、能破壞，因此壓縮試驗(yàn)塑性好的材料只能壓縮變形，不能破壞，因此壓縮試驗(yàn)主要用于脆性材料和低塑性材料。主要用于脆性材料和低塑性材料。 壓縮時(shí)，端面存在很大的摩擦力，影響測(cè)試結(jié)果。摩擦力壓縮時(shí)，端面存在很大的摩擦力，影響測(cè)試結(jié)果。摩擦力可以阻礙試樣端面的橫向變形，形成腰鼓形（圖可以阻礙試樣端面的橫向變形，形成腰鼓形（圖2.10）；還）；還會(huì)引起附加變形阻力，從而提高總的變形抗力，降低便性會(huì)引起附加變形阻力，從而提高總的變形抗力，降低便性能。能。 壓縮試驗(yàn)通常采用一定高度的試樣，規(guī)定壓縮試驗(yàn)通常采用一定高度的試樣，規(guī)定h0/d013。材材料料在在壓壓縮縮時(shí)時(shí)的的力力學(xué)學(xué)性性能能塑性材料塑性材料：在屈服

10、之前壓：在屈服之前壓縮曲線與拉伸曲線縮曲線與拉伸曲線基本重基本重合合，但之后，但之后不會(huì)不會(huì)斷裂，只斷裂，只會(huì)越壓越扁。會(huì)越壓越扁。材材料料在在壓壓縮縮時(shí)時(shí)的的力力學(xué)學(xué)性性能能脆性材料脆性材料：壓縮強(qiáng)度：壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)高于拉伸強(qiáng)度，但材拉伸強(qiáng)度，但材料料變形很小變形很小，會(huì)，會(huì)突然斷裂突然斷裂（剪斷）。（剪斷）。脆性材料脆性材料bb壓縮：壓縮： 適于做抗壓構(gòu)件。破壞適于做抗壓構(gòu)件。破壞時(shí)破裂面與軸線約成時(shí)破裂面與軸線約成55 60。 硬度試驗(yàn)按照物理意義可分為：刻劃硬度、硬度試驗(yàn)按照物理意義可分為：刻劃硬度、回跳硬度和壓入硬度回跳硬度和壓入硬度 壓入硬度主要包括布氏硬度，洛氏硬度，維壓入硬度

11、主要包括布氏硬度，洛氏硬度，維氏硬度和顯微硬度。氏硬度和顯微硬度。 壓入硬度特點(diǎn)：可以間接地估計(jì)一些基本力壓入硬度特點(diǎn)：可以間接地估計(jì)一些基本力學(xué)性能，簡(jiǎn)單易行，幾乎不損傷零件。學(xué)性能，簡(jiǎn)單易行，幾乎不損傷零件。 l材料抵抗表面局部塑性變形的能力。材料抵抗表面局部塑性變形的能力。l布氏硬度布氏硬度HB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)l壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于表示，適用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。l壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布表示，適用于布氏硬度在氏

12、硬度在650以下的材料。以下的材料。l符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，之后的數(shù)字按順之前的數(shù)字表示硬度值，之后的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間；序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間；l如如120HBS10/1000/30：表示直徑為：表示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf載載荷作用下保持荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為測(cè)得的布氏硬度值為120。l布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比 壓頭還硬的材料。壓頭還硬的材料。h1-h0洛氏

13、硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)l洛氏硬度用符號(hào)洛氏硬度用符號(hào)HR表示表示l根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為常用的標(biāo)尺為A、B、C。l洛氏硬度測(cè)量原理圖：洛氏硬度測(cè)量原理圖：P35,圖圖132 l符號(hào)符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。lHRA用于測(cè)量高硬度材料用于測(cè)量高硬度材料, 如如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測(cè)量低硬度材料用于測(cè)量低硬度材料, 如如有色金屬和退火有色金屬和退火、正火鋼等。正火鋼等。lHRC用于測(cè)量中等硬度材料，用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。壓痕小，適用范圍廣。l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕 利用頂角為利用頂角為136度的金剛石四方角錐體作壓頭，在一定的載荷下壓度的金剛石四方角錐體作壓頭，在一定的載荷下壓入試