第二章 金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能

材料性能學(xué)第二章金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能王炳英辦公室：D座504室手機(jī)mail:tdwby2004@126.com試驗(yàn)方法的目的

1.設(shè)計和選材的依據(jù)承受軸向壓縮、彎矩或扭矩作用螺紋、孔洞、臺階等應(yīng)力集中部位，測定相應(yīng)承載條件下的力學(xué)性能指標(biāo)。2.不同的加載方式引起不同的應(yīng)力狀態(tài)不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)方法所表現(xiàn)出來的彈性變形、塑性變形和斷裂行為不完全相同。主要內(nèi)容硬度扭轉(zhuǎn)彎曲壓縮應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)缺口試樣靜載荷試驗(yàn)§2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大切應(yīng)力理論：τmax=(σ1-σ3)/2相當(dāng)最大正應(yīng)力理論：σmax=σ1-υ(σ2+σ3)切應(yīng)力

塑性變形和韌性斷裂正應(yīng)力脆性解理斷裂變形和斷裂方式主要與承載條件下應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)不同的應(yīng)力狀態(tài)，其σmax和τmax不一樣α越大，切應(yīng)力分量越大，應(yīng)力狀態(tài)越“軟”，易塑變和韌斷α越小，正應(yīng)力分量越大，應(yīng)力狀態(tài)越“硬”，易脆性斷裂應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)思考：（1）預(yù)考查脆性材料的塑性，設(shè)計試驗(yàn)時，α取大還是取??？（2）預(yù)考查塑性材料的脆性，設(shè)計試驗(yàn)時，α取大還是取小？取大取小§2.2壓縮(1)α=2(單向)，脆性材料，在韌性狀態(tài)下的力學(xué)行為。(2)塑性材料不用此法(3)多向不等壓縮α＞2，適用于脆性更大的材料一、壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)壓縮拉伸脆性材料塑性材料二、壓縮試驗(yàn)（GB/T7314-2005）試樣：圓柱形或板狀尺寸：長度=直徑或邊長的2.5~3.5倍根據(jù)壓縮曲線，獲得壓縮強(qiáng)度和塑性指標(biāo)σbc=Fbc/A0§2.3彎曲(1)彎曲試驗(yàn)的試樣形狀簡單、操作方便，不存在拉伸試驗(yàn)時的試樣偏斜對試驗(yàn)結(jié)果的影響，并可用試樣彎曲的撓度顯示材料的塑性。(2)表面上應(yīng)力最大，反映表面缺陷。常用來比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。(3)不能使塑性材料斷裂，很少使用。一、彎曲試驗(yàn)特點(diǎn)二、彎曲試驗(yàn)（GB/T14452-92）試樣：圓柱或方形試樣，三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲加載記錄：載荷F（或彎矩M）和試樣撓度fF-fmax彎曲圖規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力σpb:試樣彎曲時外側(cè)表面上的非比例彎曲應(yīng)變達(dá)到規(guī)定值時，按公式計算的最大彎曲應(yīng)力。σpb0.01或σpb0.02抗彎強(qiáng)度σbb：試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的最大彎曲力W—試樣抗彎截面系數(shù)；M—最大彎矩彎曲彈性模量斷裂撓度fbb斷裂能量U圖2-5彎曲力-撓度曲線脆性或低塑性材料§2.4扭轉(zhuǎn)一、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)(1)α=0.8(2)精確評定高塑性材料的形變能力和形變抗力(3)能敏感的反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能(4)σ≈τ，σc＞τf，測定材料切斷抗力最可靠的方法(5)由扭轉(zhuǎn)斷口特征，區(qū)分正斷或切斷圖2-7扭轉(zhuǎn)試樣的宏觀斷口(a)切斷斷口(b)正斷斷口(c)木紋狀斷口(a)斷裂面與試樣軸線垂直，斷口平整，有回旋狀塑性變形痕跡，切應(yīng)力造成的切斷；(b)脆性材料的斷裂面與試樣軸線成45°角，呈螺旋狀，這是正應(yīng)力作用下產(chǎn)生的正斷；(c)斷裂面順著試樣軸線形成縱向剝層或裂紋，因?yàn)榻饘僦写嬖谳^多的非金屬夾雜物或偏析，并在軋制過程中使其沿軸向分布，從而降低了試樣軸向的切斷抗力而造成的。二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)（GB/T10128-1998）試樣：d0=10mm，L0=50或100mm扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)圖扭轉(zhuǎn)性能指標(biāo)切應(yīng)力和切應(yīng)變τ=T/WT—扭矩，W—截面系數(shù)（πd03/16）

切變模量扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度扭矩-扭角（T-φ）扭矩-扭角曲線§2.5缺口試樣的靜載荷試驗(yàn)實(shí)際機(jī)件，截面存在突變，如鍵槽、螺紋等“缺口”→應(yīng)力狀態(tài)變化→“缺口效應(yīng)”。一、缺口效應(yīng)（1）缺口造成應(yīng)力應(yīng)變集中

應(yīng)力集中系數(shù)，Kt決定于缺口形狀、角度、深度及根部曲率半徑（2）缺口改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)單向→兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)只有兩個方向上存在應(yīng)力的狀態(tài)——平面應(yīng)力狀態(tài)σy＜σs存在σx，σz=0縱向伸長→橫向縮短金屬變形連續(xù)性要求的結(jié)果平面應(yīng)變狀態(tài)缺口第一效應(yīng)：引起應(yīng)力集中，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，由原來的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)。Z向收縮受約束，產(chǎn)生σz厚板缺口內(nèi)側(cè)為三相拉伸的平面應(yīng)變狀態(tài)，且σy>

σz>σx（3）缺口使塑性材料得到“強(qiáng)化”缺口附近：應(yīng)力集中→造成塑性變形區(qū)擴(kuò)大→試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時高→“缺口強(qiáng)化”三向拉應(yīng)力狀態(tài)約束塑性變形，塑性降低，材料變脆缺口第二個效應(yīng)：缺口使塑性材料強(qiáng)度增高，塑性降低。評價：缺口軸向拉伸、偏斜拉伸和缺口彎曲試驗(yàn)二、缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)1.軸向拉伸缺口敏感度NSR（NotchSensitivityRatio）NSR越大缺口敏感性越小(1)脆性材料，NSR遠(yuǎn)小于1，對缺口非常敏感(2)高強(qiáng)度材料，NSR＜1，敏感(3)塑性材料，NSR＞1，不敏感缺口試樣拉伸強(qiáng)度光滑試樣拉伸強(qiáng)度2.偏斜拉伸傾斜角α（0°

、4°

、8°

）

(σbN，σ4bN，σ8bN)高強(qiáng)度螺栓拉伸和彎曲復(fù)合，應(yīng)力狀態(tài)更硬三、缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)

缺口試樣靜彎曲曲線(F~f曲線)Ⅰ：彈性功Ⅱ：塑性功Ⅲ：斷裂功斷裂功的大小取決于材料塑性，塑性好的材料裂紋擴(kuò)展慢，斷裂功增大，因此可用斷裂功或Fmax/F1的比值表示金屬的缺口敏感度。斷裂功或Fmax/F1大，缺口敏感性?。环粗?，缺口敏感性大?！?.6硬度1.硬度的意義定義：表征材料軟硬程度的一種性能硬度試驗(yàn)方法：彈性回跳法，壓入法，劃痕法一、意義及硬度實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)金屬彈性變形功塑性變形及應(yīng)變硬化能力切斷強(qiáng)度2、硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)α>2，可測定任何材料的硬度。硬度高，材料的耐磨性好。硬度和強(qiáng)度往往有一定的關(guān)系。不需專門制作試樣，不破壞零件，設(shè)備簡單，測量迅速。二、硬度試驗(yàn)（1）布氏硬度HB適用于退火狀態(tài)下的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地較軟的軸承合金。鋼球：HBS＜450HB硬質(zhì)合金球：HBW＜650HB球面壓痕單位面積上所承受的平均力布氏硬度試驗(yàn)（GB/T231.1-2002）布氏硬度計布氏硬度壓痕表示:例:120HBS10/1000/30

表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。

數(shù)字+HBW(或HBS)+數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字布氏硬度值球體直徑/載荷/載荷保持時間

壓痕幾何相似原理，壓入角不變布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及過硬的材料HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB鑄鐵：b(MPa)≈1HB

或b(MPa)≈0.6(HB-40)（2）洛氏硬度試驗(yàn)（GB/T230.1-2004）測量殘余壓入深度h表示硬度值金剛石壓頭k取0.2淬火鋼球k取0.26定義：每0.002mm相當(dāng)于洛氏1度根據(jù)壓頭和載荷：常用B、C、A三種①HRB－－淬火鋼球，中等載荷，測輕金屬，未淬火鋼②HRC－－120°金剛石圓錐，大載荷，測較硬，淬硬鋼制品③HRA－－120°金鋼石圓錐，小載荷，測硬、薄試件表示：數(shù)字（硬度值）+標(biāo)尺

60HRC洛氏硬度壓痕表面洛氏硬度試驗(yàn)與普通洛氏硬度的不同點(diǎn)：預(yù)載荷為3kgf(29.42N)，總載荷比較小,分別為15kgf，30kgf和45kgf(441.3N)取k＝0.1mm時的洛氏硬度為零，深度每增大0.001mm,表面洛氏硬度降低一個單位。45HR30N：金剛石圓錐體，載荷294N，測得的硬度為45；80HR30T：Φ1.588mm鋼球，載荷294N，測得的硬度為80洛氏硬度測量（3）維氏硬度（GB/T4340.1-1999）α為136°金剛石四棱錐體四方錐形的壓痕測量壓痕對角線長度取平均硬薄層工件表示：640HV30（4）顯微硬度HV原理及壓頭等與維氏硬度相同載荷以g計算測量組織中某一相硬度其它硬度測試方法與顯微硬度相比有兩點(diǎn)不同：(1)四棱錐金剛石壓頭對面角分別為172°30′和130°，棱形壓痕，l/w為7.11(2)硬度值是力除以壓痕投影面積。努氏硬度肖氏硬度：根據(jù)重錘回跳的高度來表征硬度值的大小里氏硬度：用沖頭（碳化鎢球）的回彈速度表征金屬的硬度值常用硬度的比較壓頭載荷kgf硬度范圍HBS鋼球≤3000≤450HBW硬質(zhì)合金球≤