材料在其他靜載下的力學(xué)性能

材料在其他靜載下的力學(xué)性能1第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月前言1、受力：扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮；以及有缺口試樣的受力情況。（軸間、螺紋、油孔、退刀槽、焊縫、不均勻組織、夾雜物、第二相、晶界、亞晶界、以及裂紋等）2、介紹扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮與帶缺口試樣試樣的靜拉伸；以及材料硬度試驗(yàn)。2第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)§2.2扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能§2.3缺口試樣靜載力學(xué)性能§2.4硬度第二章材料在其他靜載下的力學(xué)性能3第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.2扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能§2.4硬度材料力學(xué)之應(yīng)力應(yīng)變分析（補(bǔ)充）§2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)§2.3缺口試樣靜載力學(xué)性能第二章材料在其他靜載下的力學(xué)性能4第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.2扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能一、扭轉(zhuǎn)及其性能指標(biāo)1、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)測定的力學(xué)性能指標(biāo)(1)試驗(yàn)過程：圓柱形試樣；

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)；

扭轉(zhuǎn)圖。5第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.2扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能(2)扭轉(zhuǎn)圖：與軸線呈45o

方向上承受σmax，與軸線平行或垂直方向上承受τmax

。彈性變形階段：切應(yīng)力和切應(yīng)變沿半徑方向呈線性分布。彈塑性變形：切應(yīng)變保持線性關(guān)系；切應(yīng)力呈非線性變化。M-φ6第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.2扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能(3)性能指標(biāo)：非比例切應(yīng)變γP：規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τP，τP=MP/W

材料對扭轉(zhuǎn)塑性變形的抗力．扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度τs為：τs=Ms/W

扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限τb為：τb=Mb/W

真實(shí)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限τf：

剪切彈性模量G為：

G=τ/γ=32Ml0/(πφd04)7第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.2扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能2、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)特點(diǎn)及應(yīng)用：

(1)測定在拉伸時呈現(xiàn)脆性的材料的強(qiáng)度和塑性。

(2)對各種表面強(qiáng)化工藝進(jìn)行研究和對機(jī)件的熱處理表面質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。

(3)精確評定拉伸時出現(xiàn)頸縮的高塑性材料的形變能力和形變抗力。

(4)測定材料的切斷強(qiáng)度的最可靠方法。

(5)根據(jù)斷口特征區(qū)分?jǐn)嗔逊绞绞钦龜噙€是切斷。

切斷斷口：斷面和試樣軸線垂直，有回旋狀塑性變形痕跡。切應(yīng)力作用，塑性材料。正斷斷口：斷面和試樣軸線約成45°。呈螺旋狀或斜劈狀。正應(yīng)力作用，脆性材料。8第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.2扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能二、彎曲及其性能指標(biāo)1、彎曲試驗(yàn)測定的力學(xué)性能指標(biāo)：

(1)彎曲試驗(yàn)：圓柱試樣或方形試祥；萬能試驗(yàn)機(jī)；

加載方式一般有兩種：三點(diǎn)彎曲加載和四點(diǎn)彎曲加載。(2)載荷F與試樣最大撓度fmax—彎曲圖。9第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.2扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能(3)性能指標(biāo)：試樣彎曲時，受拉一側(cè)表面的最大正應(yīng)力：

σmax=Mmax/W

抗彎強(qiáng)度(脆性材料)σbb：σbb=Mb/W

最大彎曲撓度、彎曲彈性模數(shù)、規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力、斷裂撓度等。2．彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用

(1)常用于測定那些由于太硬難于加工成拉伸試樣的脆性材料的斷裂強(qiáng)度，并能顯示出它們的塑性差別。

(2)用來比較和評定材料表面處理層的質(zhì)量．

(3)可測定規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力。10第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.2扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能三、壓縮及其性能指標(biāo)試樣通常為圓柱形；壓縮曲線：

1為脆性材料的壓縮曲線，

2為塑性材料的壓縮曲線。規(guī)定非比例壓縮應(yīng)力抗壓強(qiáng)度相對壓縮率相對斷面擴(kuò)展率11第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度一、硬度試驗(yàn)的意義

1、定義：指材料表面上不大體積內(nèi)，抵抗變形或破裂的能力。

2、分類：加載方式→壓入法和刻劃法；壓入法→動載壓入法和靜載壓入法．動載壓入法：超聲波硬度、肖氏硬度和錘擊式布氏硬度。

靜載壓入法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度?？虅澐ā嫌捕软樞蚍ê痛斓斗ǖ?。

3、特點(diǎn)：

(1)α＞2，τmax>σmax。幾乎所有材料都會產(chǎn)生塑性變形。

(2)設(shè)備簡單，操作方便快捷，故被廣泛應(yīng)用。

(3)可視為無損檢測。12第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度二、硬度試驗(yàn)方法1．布氏硬度

(1)測定原理：①淬火鋼球或硬質(zhì)合金球D(mm)；②加載F(kgf)；⑤卸載③壓入；④定時；⑥測量圓形壓痕d；⑦圓形壓痕表面積S=[πD(D-√D2-d2)]/2→圓形壓痕；⑧布氏硬度HB：HB=F/S=2F/[πD(D-√D2-d2)]⑨淬火鋼球：HBS，<450；硬質(zhì)合金球：HBW，450-650。13第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度(2)表示方法：數(shù)字+硬度符號+數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字↓

↓

↓

↓

↓

硬度值(HBW或HBS)鋼球直徑載荷定時

280HBS10/3000/30；

50HBW5/75。14第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度(3)壓痕幾何相似原理

(載荷F與壓頭直徑D)：①

d=Dsinφ/2HB=2F/[πD(D-√D2-d2)]→HB=F/D2·2/[π(1-√1-sin2φ)]②兩個條件：一是φ為常數(shù)；二是保證F/D2為常數(shù)。③

F/D2為常數(shù)→φ一定為常數(shù)；④F/D2為常數(shù)→HB恒定。15第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度(4)優(yōu)缺點(diǎn)：①優(yōu)點(diǎn)：壓痕面積大→反映較大區(qū)域內(nèi)各組成相的平均性能；→適合灰鑄鐵、軸承合金等測量。壓痕面積較大→試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性高。②缺點(diǎn)：壓痕直徑大→不宜在成品件上直接進(jìn)行檢驗(yàn)；硬度不同→更換壓頭直徑D和載荷F；壓痕直徑的測量也比較麻煩。16第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度2．洛氏硬度

(1)測定原理：①圓錐角α＝120°的金剛石圓錐或直徑為1.588mm、3.175mm的淬火鋼球；②載荷分先后兩次施加，先加初載荷F1，再加主載荷F2，總載荷為F(F＝F1+F2)；③0—0：未加載；

l—1：加F1，壓入深度為hl；

2—2：加F2，壓入深度為h2；

3—3：卸F2，留F1

→壓頭提高h(yuǎn)3

→實(shí)際壓入的深度為h。

h值越大，硬度愈低；反之則愈高。

HR=(k-h)/0.002④金剛石圓錐：k=0.2；淬火鋼球：k=0.26。17第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度(4)優(yōu)缺點(diǎn)：①優(yōu)點(diǎn)：操作簡便迅速；壓痕小，可對工件直接進(jìn)行檢驗(yàn)；采用不同標(biāo)尺，可測定各種軟硬不同和薄厚不一試樣的硬度。②缺點(diǎn)：壓痕較小，代表性差；尤其是材料中的偏析及組織不均勻等情況，使所測硬度值的重復(fù)性差、分散度大；用不同標(biāo)尺測得的硬度值既不能直接進(jìn)行比較，又不能彼此互換。(2)分類說明

HR→HRA、HRBHRC等。

GB/T230-91。(3)表面洛氏硬度：測定極薄工件；經(jīng)各種表面處理后工件的表面層硬度。18第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度3．維氏硬度與顯微硬度

(1)測定原理：①兩相對面夾角α為136°的金剛石四棱錐體。②加載F(kgf)→壓入→定時→卸載→四方錐形壓痕；③對角線長度分別為dl和d2(mm)，取其平均值d。④求表面積S，⑤HV=F/S(2)表示方法：數(shù)字+硬度符號+數(shù)字/數(shù)字↓↓↓↓硬度值(HV)載荷定時

640HV30/20；50HV5。19第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度(3)顯微維氏硬度計(jì)：①兩相對面夾角α為136°的金剛石四棱錐體。②加載F(gf)→壓入→定時→卸載→四方錐形壓痕；③對角線長度分別為dl和d2(μm)，取其平均值d。④求表面積S，⑤HV=F/S(4)優(yōu)缺點(diǎn)：①優(yōu)點(diǎn)：采用對角線長度計(jì)量，精確可靠；可以任意選擇載荷;

比洛氏硬度所測試件更薄。②缺點(diǎn)：測定方法較麻煩，工作效率低，壓痕面積小，代表性差，不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。20第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度4．其它硬度

(1)努氏硬度試驗(yàn)：①一種顯微硬度試驗(yàn)方法．②一是壓頭形狀不同；兩個對面角不等的四棱錐金剛石壓頭

(其對面角分別為172°30’和130°)，

長、短對角線長度比為7.11的棱形壓痕；

二是硬度值是試驗(yàn)力除以壓痕投影面積之商值。故測量出壓痕長對角線的長度l(μm)，

HK=1.451F/l2③壓痕細(xì)長，且只測量長對角線長度，故精確度較高。適于測定表面滲層、鍍層及淬硬層的硬度，可以測定滲層截面上的硬度分布等。21第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度(2)肖氏硬度試驗(yàn)：①動載試驗(yàn)法；②原理：一定質(zhì)量的帶有金剛石或合金鋼球的重錘→從一定高度落向試樣表面，→根據(jù)重錘回跳的高度來表征材料硬度值大小。肖氏硬度的符號用KS表示．③標(biāo)準(zhǔn)重錘從一定高度落下，以一定的動能沖擊試祥表面，使其產(chǎn)生彈性變形與塑性變形。其中一部分沖擊能轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃喂Ρ辉囅槲?。另一部分以彈性變形功形式儲存在試祥中．?dāng)彈性變形回復(fù)時能量被釋放，使重錘回跳至一定高度。材料的屈服強(qiáng)度越高，塑性變形越小，則存儲的彈性能越高，重錘回跳得也越高，表明材料越硬。因此，肖氏硬度試驗(yàn)只有在材料彈性模量相同時才可進(jìn)行比較．④優(yōu)缺點(diǎn)：一般為手提式，使用方便，便于攜帶．可測現(xiàn)場大型工件的硬度．其缺點(diǎn)是試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性受人為因素影響較大，測量精度較低。22第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度(3)莫氏硬度陶瓷及礦物材料常用的劃痕硬度稱為莫氏硬度，

它只表示硬度從小到大的順序，不表示軟硬的程度，后面的材料可以劃破前面材料的表面。起初，莫氏硬度為分10級，后來因?yàn)槌霈F(xiàn)了一些人工合成的高硬度材料，故又將莫氏硬度分為15級．23第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月里氏硬度簡介一、什么是里氏硬度？

由美國Dr.DietmarLeeb提出，是一種動態(tài)硬度試驗(yàn)法。硬度傳感器的沖擊體在與被測工件沖擊過程中，距工件表面1mm時的反彈速度（Vb）與沖擊速度（Va）的比值乘以1000，定義為里氏硬度值，以HL表示里氏硬度計(jì)算公式如下：HL=Vb/Va×1000二、里氏硬度儀的特點(diǎn)

1、肖氏硬度儀要垂直向下使用；里氏可在任意方向上使用。

2、布、洛、維氏硬度計(jì)不便于在現(xiàn)場使用；里氏硬度儀便于在現(xiàn)場使用。三、里氏硬度的相關(guān)因素里氏硬度值與金屬材料的彈性模量E有關(guān)．所以里氏硬度儀是按材料種類進(jìn)行分類測試的。四、里氏硬度與其它硬度的轉(zhuǎn)換

里氏硬度值與其它硬度值(HRC、HB、HV等)之間有對應(yīng)關(guān)系．可將里氏值(HL)通過機(jī)內(nèi)微電腦轉(zhuǎn)換成其它硬度值。24第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月巴氏（巴柯爾-Barcol）硬度計(jì)

由美國Barber-Colman公司提出，以特定壓頭在標(biāo)準(zhǔn)彈簧的壓力作用下壓入試樣，以壓痕的深淺表征試樣的硬度。專門測量玻璃鋼制品、增強(qiáng)或非增強(qiáng)硬塑料、鋁及鋁合金、黃銅、紫銅等較軟金屬的硬度（特別適用于玻璃鋼制品）。主要特點(diǎn)：

1、體積小，重量輕：便于戶外和較大工件的測量。

2、操作簡便：無須專業(yè)知識，單手即可操作。

3、測量范圍廣：有效測量范圍相當(dāng)于布氏硬度HB25-150。

4、測量精度高：高硬度±1，低硬度±2.5。

5、示值換算方便：通過查表即可換算成其他的常用的硬度值。

6、價格低：價格僅有進(jìn)口產(chǎn)品的1/3左右。25第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度三、硬度與其他力學(xué)性能的關(guān)系1、金屬的布氏硬度與抗拉強(qiáng)度之間成正比關(guān)系，即

σb＝kHB2、布氏硬度與疲勞極限σ-1：

σ-1＝mσb

＝mkHB26第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月硬度轉(zhuǎn)換—補(bǔ)充1、HB和HV關(guān)系當(dāng)HB≤400時，

HB≈HV；當(dāng)HB>400時，

HB<HV2、HB和HR關(guān)系：27第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.4硬度28第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力與應(yīng)變分析應(yīng)力狀態(tài)的概念

平面應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力研究

廣義虎克定律

平面應(yīng)變狀態(tài)下的應(yīng)力研究29第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月一、一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)1.一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)：通過受力構(gòu)件一點(diǎn)處各個不同截面上的應(yīng)力情況。2.研究應(yīng)力狀態(tài)的目的：找出該點(diǎn)的最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力數(shù)值及所在截面的方位，以便研究構(gòu)件破壞原因并進(jìn)行失效分析。應(yīng)力狀態(tài)的概念二、研究應(yīng)力狀態(tài)的方法—單元體法

1.單元體：圍繞構(gòu)件內(nèi)一所截取的微小正六面體。30第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月xOzydzdxdyXYZOsysyszsztzytyztyztzytyxtyxtxytxysxsxtzxtxztzxtxz31第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）應(yīng)力分量的角標(biāo)規(guī)定：第一角標(biāo)表示應(yīng)力作用面，第二角標(biāo)表示應(yīng)力平行的軸，兩角標(biāo)相同時，只用一個角標(biāo)表示。（2）面的方位用其法線方向表示3.截取原始單元體的方法、原則①用三個坐標(biāo)軸(笛卡爾坐標(biāo)和極坐標(biāo)，依問題和構(gòu)件形狀而定)在一點(diǎn)截取，因其微小，統(tǒng)一看成微小正六面體②單元體各個面上的應(yīng)力已知或可求；③幾種受力情況下截取單元體方法：2.單元體上的應(yīng)力分量應(yīng)力與應(yīng)變分析32第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月PMeMePPMeMec)同b)，但從上表面截取Ctssb)橫截面，周向面，直徑面各一對Ba)一對橫截面，兩對縱截面As=P/Ast=Me/WnABC33第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月BCAPCABtBtCsCsCsAsA34第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月三、應(yīng)力狀態(tài)分類(按主應(yīng)力)

1.①主平面：單元體上剪應(yīng)力為零的面；②主單元體：各面均為主平面的單元體，單元體上有三對主平面；③主應(yīng)力：主平面上的正應(yīng)力，用s1、s2、s3表示，有s1≥s2≥s3。應(yīng)力與應(yīng)變分析旋轉(zhuǎn)y'x'z's2s3s1xyzsxsztxytxztzxtzytyztyxsy35第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.應(yīng)力狀態(tài)按主應(yīng)力分類：

①只有一個主應(yīng)力不為零稱單向應(yīng)力狀態(tài)；②只有一個主應(yīng)力為零稱兩向應(yīng)力狀態(tài)(平面應(yīng)力狀態(tài))；③三個主應(yīng)力均不為零稱三向應(yīng)力狀態(tài)(空間應(yīng)力狀態(tài))；④單向應(yīng)力狀態(tài)又稱簡單應(yīng)力狀態(tài)，平面和空間應(yīng)力狀態(tài)又稱復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。36第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月平面應(yīng)力：sytyxtxysxsxsxtxysysysxtyx37第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月338第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.有關(guān)概念：①主應(yīng)變：沿主應(yīng)力方向的應(yīng)變，分別用e1≥e2≥e3表示；②正應(yīng)力只引起線應(yīng)變，剪應(yīng)力只引起剪應(yīng)變；2.廣義虎克定律：①推導(dǎo)方法：疊加原理②主應(yīng)變與主應(yīng)力關(guān)系：③一般情況：廣義虎克定律39第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月s1s2s3s1s1Is2s2IIs3IIIs1Is1s2IIs2s1方向上的應(yīng)變：s2方向上的應(yīng)變：s3方向上的應(yīng)變：IIIs340第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月41第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月平面應(yīng)變：3342第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)1、受力分析：正應(yīng)力σ導(dǎo)致脆性的解理斷裂；切應(yīng)力τ導(dǎo)致塑性變形和韌性斷裂。變形和斷裂方式主要決定于承載條件下的應(yīng)力狀態(tài)。

σmax與τmax？2、應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)α：

(1)任何應(yīng)力都可用3個主應(yīng)力σ1、σ2、σ3

來表示。

(2)τmax=(σ1-σ3)/2；σmax=σ1-υ(σ2+σ3)。

(3)α=τmax/σmax=(σ1-σ3)/2[σ1-υ(σ2+σ3)]43第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)44第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.3缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口包括軸間、螺紋、油孔、退刀槽、焊縫、不均勻組織、夾雜物、第二相、晶界、亞晶界、以及裂紋等引起形狀改變的部位。以厚薄來分，包括薄板缺口和厚板缺口。45第45頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.3缺口試樣靜載力學(xué)性能一、缺口處的應(yīng)力分布特點(diǎn)及缺口效應(yīng)二、缺口試樣的靜拉伸及靜彎曲性能三、材料缺口敏感度及其影響因素46第46頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月一、缺口處的應(yīng)力分布特點(diǎn)及缺口效應(yīng)1．彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布(1)薄板缺口：①薄板所受拉應(yīng)力σ低于彈性極限，缺口軸向應(yīng)力σy在缺口根部最大，即在根部產(chǎn)生應(yīng)力