材料力學(xué)性能 第二章

1、材料力學(xué)性能 第二章第1頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四2.1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)2.3 彎曲2.5 缺口試驗(yàn)靜載荷試驗(yàn)2.2 壓縮2.4 扭轉(zhuǎn)2.6 硬度第2頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四2.1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 塑性變形和斷裂是金屬材料在靜載荷下失效的主要形式，它們是金屬所承受的應(yīng)力達(dá)到其相應(yīng)的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。 與 的比值表示它們的相對(duì)大小，稱為應(yīng)力狀態(tài)軟 性系數(shù)，記為 。對(duì)于金屬材料，取0.25，則 值為 （21） 值越大的試驗(yàn)方法，表示應(yīng)力狀態(tài)越“軟”，金屬越易于 產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂。 值越小的試驗(yàn)方法，應(yīng)力狀態(tài)越“硬”，金屬越不易

2、產(chǎn)生 塑性變形而易于產(chǎn)生脆性斷裂。 第3頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四2.2 壓縮 一.壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn) 二.壓縮試驗(yàn) 通過(guò)壓縮試驗(yàn)主要測(cè)定脆性材料的抗壓強(qiáng)度 。如果在試驗(yàn)時(shí)金屬材料產(chǎn)生明顯屈服現(xiàn)象，還可測(cè)定壓縮屈服點(diǎn) 。 試樣壓至破壞過(guò)程中的最大應(yīng)力稱為抗壓強(qiáng)度。第4頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四一、壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn) 1.單向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 2，主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能測(cè)定(圖2-1)。 2.拉伸時(shí)塑性很好的材料在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不會(huì)斷裂(圖2-2)。第5頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四二

3、.壓縮試驗(yàn)第6頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四2.3 彎曲 一. 彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn) 金屬桿狀試樣承受彎矩作用后，其內(nèi)部應(yīng)力主要為正應(yīng)力，與單向拉伸和壓縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力雷同。但由于桿件截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面最大，中心為零，且應(yīng)力方向發(fā)生變化，因此，金屬在彎曲加截下所表現(xiàn)的力學(xué)行為與單純拉應(yīng)力或壓應(yīng)力作用下的不完全相同。 彎曲試驗(yàn)與拉伸試驗(yàn)相比還有以下特點(diǎn): 彎曲試驗(yàn)的試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便，常用于測(cè)定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性與低塑性材料的強(qiáng)度和顯示塑性的差別。 彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣表面應(yīng)力最大，可較靈敏地反映材料表面缺陷。因此，常用來(lái)比較和鑒別滲碳層和表面淬火

4、層等表面熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。第7頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四 二. 彎曲試驗(yàn) 彎曲試驗(yàn)時(shí)，將圓柱形或矩形試樣放置在一定跨距 的支座上，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲(圖2-4a)或四點(diǎn)彎曲(圖2-4b)加載，通過(guò)記錄彎曲力 F 和試樣撓度 之間的關(guān)系曲線，確定金屬在彎曲力作用下的力學(xué)性能。第8頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四2.4 扭 轉(zhuǎn) 一、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn) 當(dāng)圓柱試樣承受扭矩T進(jìn)行扭轉(zhuǎn)時(shí)，試樣表面的應(yīng)力狀態(tài)如圖2-6a。 在彈性變形階段，試樣橫截面上的切應(yīng)力和切應(yīng)變沿半徑方向的分布是線性的(圖2-6b)。 當(dāng)表層產(chǎn)生塑性變形后，切應(yīng)變的分布仍保持線性關(guān)系

5、，但切應(yīng)力則因塑性變形而有所降低，不再呈線性分布(圖2-6c)。第9頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四 一.扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn) 根據(jù)圖26中應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布，可以看出扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)具有如下特點(diǎn): (1) 扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) =0.8，比拉伸時(shí)的大，易于顯示金屬的塑性行為。 (2) 圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)度上塑性變形是均勻的，沒(méi)有縮頸現(xiàn)象,所以能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)。 (3) 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。 (4) 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是測(cè)定生產(chǎn)上所使用的大部分金屬材料切斷強(qiáng)度最可靠的方法。 第10頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四二.扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

6、 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要采用直徑 10mm、標(biāo)矩長(zhǎng)度 分別為50mm或100mm的圓柱形試樣。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試樣施加扭矩 ，隨扭矩增加，試樣標(biāo)距 間的兩個(gè)橫截面不斷產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其相對(duì)扭角以 (單位為rad)表示。金屬扭轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩-扭角( )曲線(扭轉(zhuǎn)曲線)如圖2-8所示。 第11頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四2.5 缺口試樣靜載荷試驗(yàn) 一、缺口效應(yīng) 二、缺口試樣靜拉伸試驗(yàn) 三、缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)第12頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四 一、缺口效應(yīng) 實(shí)際生產(chǎn)中的機(jī)件，往往存在截面的急劇變化，這種截面變化的部位可視為“缺口”。由于缺口的存在，在靜載荷作用下，缺

7、口截面上的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂“缺口效應(yīng)”，從而影響金屬材料的力學(xué)性能。 1.缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布 當(dāng)板材處于彈性范圍內(nèi)時(shí)，其缺口截面上的應(yīng)力分布如圖2-10所示。 缺口的第一個(gè)效應(yīng)是引起應(yīng)力集中，并改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使缺口試樣或機(jī)件中所受的應(yīng)力，由原來(lái)的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)。2.缺口試樣在塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布 缺口使塑性材料強(qiáng)度增高，塑性降低，這是缺口的第二個(gè)效應(yīng)。 第13頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四二、缺口試樣靜拉伸試驗(yàn) 缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)分為軸向拉伸和偏斜拉伸兩種。 缺口拉伸試樣的形狀及尺寸如圖2- 13所示。第14頁(yè)

8、，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四 三、缺口試樣靜彎曲試驗(yàn) 缺口靜彎曲試驗(yàn)也可顯示材料的缺口敏感性，由于缺口和彎曲所引起的應(yīng)力不均勻性疊加，使試樣缺口彎曲的應(yīng)力應(yīng)變分布的不均勻性較缺口拉伸時(shí)更甚，但應(yīng)力應(yīng)變的多向性則減少。 缺口靜彎曲試驗(yàn)可采用圖2-16所示的試樣及裝置。第15頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四2.6 硬 度 一、金屬硬度的意義及硬度試驗(yàn)的特點(diǎn) 硬度試驗(yàn)的方法很多，大體上可分為彈性回跳法(如肖氏硬度)、壓入法(如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等)和劃痕法(如莫氏硬度)等三類。 硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能。 硬度試驗(yàn)被廣泛用于檢查

9、金屬材料的性能、熱加工工藝的質(zhì)量或研究金屬組織結(jié)構(gòu)的變化。 二、硬度試驗(yàn)第16頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四二、硬度試驗(yàn) （一）布氏硬度試驗(yàn) （二）洛氏硬度試驗(yàn) （三）維氏硬度試驗(yàn) （四）其它硬度試驗(yàn)方法 1.努氏硬度試驗(yàn) 2.肖氏硬度試驗(yàn) 第17頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四 （一）布氏硬度試驗(yàn) 布氏硬度試驗(yàn)的原理是用一定直徑D(mm)的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，施以一定的試驗(yàn)力F(N)，將其壓人試樣表面(圖2-18a)，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間t(s)后卸除試驗(yàn)力，試樣表面將殘留壓痕(圖2-18b)。 第18頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)

10、59分，星期四（二）洛氏硬度試驗(yàn) 洛氏硬度試驗(yàn)以測(cè)量壓痕深度表示材料的硬度值。 洛氏硬度試驗(yàn)所用的壓頭有兩種：一種是圓錐角 120的金剛石圓錐體；另一種是一定直徑的小淬火鋼球。 圖2-20為用金剛石圓錐體測(cè)定硬度過(guò)程示意圖。第19頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四 （三）維氏硬度試驗(yàn) 維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力來(lái)計(jì)算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)的壓頭不是球體，而是兩對(duì)面夾角 為136的金金剛石四棱錐體，如圖2-21所示。第20頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)59分，星期四思考題與習(xí)題 1解釋下列名詞： (1) 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)；(2) 缺口效應(yīng)；(3) 缺口敏感度；(4) 布氏硬度；(5) 洛氏硬度；(6) 維氏硬度；(7)