金属在其他静载荷下的力学性能L.ppt
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1、1,第二章 金属在其他静载荷下的力学性能,2.1 应力状态软性系数2.2 压缩2.3 弯曲2.4 扭转2.5 硬度2.6 带缺口试样静载荷试验,2,本章内容:压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。原因:零部件在服役中因为承受着不同类型的外应力;造成零件内部存在着不同的应力状态。,2.1 应力状态软性系数 材料的塑性或脆性并不是绝对的。为表示外应力状态对材料塑性变形的影响,特引入应力状态软性系数 的概念,以方便选择检测方法。例如:铸铁 压缩时呈现一定的韧性;拉伸时表现出脆性,3,1、应力状态软性系数 的定义:最大切应力与最大正应力之比,式中 最大切应力max按第三强度理论计算,即 max=
2、(1-3)/2 1,3分别为最大和最小主应力。最大正应力 max 按第二强度理论计算,即,泊松比。,4,单向拉伸=1/2 扭 转=1/(1+)0.8 单向压缩=1/(2)2 应力状态系数的技术意义表示了材料塑性变形的难易程度 越大,表示该应力状态下切应力分量越大,材料就越易塑变。把 值较大的称做软的应力状态,值较小的称做硬的应力状态。如单向静拉伸,应力状态较硬,适于塑变抗力与切断强度较低的所谓塑性材料试验;而正断强度较低的所谓脆性材料(淬低回的高碳钢、灰铸铁及某些铸造合金)在此种加载方式下会产生脆性正断,显示不出它们在韧性状态下所表现出的力学行为。反之,对于塑性较好的金属材料,则采用三向不等拉
3、伸,使之在更“硬”的应力状态下显示其脆性倾向。,5,2、力学状态图,力学状态图(涉及第二强度理论和第三强度理论的应用)纵坐标为按第三强度理论计算最大切应力max,横坐标为按第二强度理论计算最大正应力 max。自原点作出不同斜率的直线,这些直线可代表不同的应力状态软性系数,其位置反映了应力状态对断裂的影响。,6,2.2 压缩,2.2.1 材料压缩的特点 应力状态系数=2,即应力状态“软”,此时材料易产生塑性变形。软钢 易压缩成腰鼓状、扁饼状。铸铁 拉伸时断口为正断;压缩时则沿45o方向切断。对塑性变形能力小的材料,或者使用工况为压缩状态的材料,在静拉伸外,还应采用压缩实验来评定其性能。,7,2.
4、2.2 压缩实验,曲线与拉伸曲线的形式相同,(左)1拉伸力与伸长曲线,(右)1脆性材料 2压缩力与变形曲线;2塑性材料压缩测试指标:抗压强度bc、压缩0.01、压缩0.2或压缩S、压缩E、压缩断面收缩率bc 等,8,为减小试样在压缩过程呈腰鼓状的趋势,试样的两端需加工成具有角度的凹园锥面,以便使试样能均匀变形。,9,2.3 弯曲,2.3.1 弯曲试验的特点 常用于测定低塑性、脆性材料的力学性能。分析:(1)正应力 试样上表面为压应力,下表面为拉应力;(2)表面应力最大,中心线区域为零;(3)加力点处的作用力最大;(4)对试样的要求比拉伸时宽松。如铸铁、工具钢、表面渗碳钢,硬质合金、陶瓷等,常采
5、用弯曲试验评定其力学性能。,10,2.3.2 弯曲试验(1)抗弯强度bb,M为最大弯矩,W为抗弯截面系数。还可测定弯曲弹性模量、断裂挠度fbb、断裂能量U(弯曲力挠度 曲线下所包围的面积,See图2-5,P42),11,三点弯曲(前页左图)弯矩 M=PL/4 直径为d的圆形试样,抗弯截面系数 W=(d3)/32 对于宽度为b,高为h的矩形试样,抗弯截面系数 W=bh2/6;四点弯曲(前页右图)弯矩M=PL/2(2)断裂挠度f试样断裂之前被压下的最大距离。通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系,求出断裂时的抗弯强度bb和最大挠度fbb,以表示材料弯曲时的强度和塑性。例如,灰铁的抗弯性能优于其抗拉
6、性能(bb 280650MPa,b=150-350MPa);而球铁和可锻铸铁的bb比灰铁又大的多(例如珠光体球铁bb 7001200MPa,是灰铸铁的1.61.9倍)韧性材料一般不作弯曲强度检测。,12,2.4 扭转2.4.1 扭转试验的特点,1、特点(1)能检测拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。(2)沿长度方向,宏观上的塑性变形始终是均匀的。(3)能敏感地反映材料表面的性能(4)断口的特征最明显 参见右图(a)切断(有回旋状塑变痕迹)(b)正断(螺旋状)(c)木纹状断口(纵向剥层或裂纹)分别对应(a)塑性材料(b)脆性材料(c)材料内部存在较多的非金属夹杂或偏析,并在轧制中沿轴向分布。,应用:可
7、根据断口宏观特征来判断承受扭矩而断裂的机件的性能。,13,2.应力状态(值比拉伸时大,容易显示金属的塑性行为)纵向 受力均匀;横向 表面最大,心部为0;最大正应力与最大切应力比值近于1。如下图:a)T-扭矩,-相对扭角、(与试样轴线呈45的斜截面上)1-最大正应力、3-最小正应力;(与试样轴线平行和垂直的截面上)-最大切应力;b)弹变,应力 vs 应变是线性的;C)表层产生塑性变形后,切应变的分布仍保持线性关系,但切应力则因塑性变形而有所降低,不再呈线性分布。,扭转可测试:切变模量G、扭转屈服点s、抗扭强度b。,14,2.4.2 扭转试验 性能指标 切应力=T/W T扭矩,W抗扭截面系数,圆柱
8、试样的W为 切应变(-扭角,rad)切变模量 T-扭矩增量,-扭角增量 扭转屈服点:S 抗扭强度:b例如,用于表面强化层抗扭强度的测试与评定,15,2.5 硬度2.5.1 硬度及其意义,1、硬度 表征材料软硬程度的一种性能。随试验方法的不同,其物理意义不同。2、硬度的种类(根据试验方法划分)压入法:布氏HB、洛氏HR、维氏HV、努氏HK等。压入法硬度(的实质)表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。其应力状态软性系数最大(2),几乎令所有的材料都能产生塑变。刻划法:莫氏硬度(Mohn)。表征材料对切断的抗力。回跳法:肖氏硬度HS 表征金属弹性变形功的大小。同一类方式的硬度可以换算;不同类方式则只
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