第二章金属在其他静载荷作用下的力学性能.docx
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第二章金属在其他静载荷作用下的力学性能
第二章金属在其他静载荷作用下的力学性能
（Chapter2MechanicalpropertiesofMetalsunderotherstaticloads）
概述（BriefIntroduction）
在工业生产中，实际应用的材料及其零件除受到单向拉伸载荷外，还会受到诸如压缩（如各种支撑柱）、弯曲（如桥梁）、扭转（如各种轴类零件）、挤压、轧制及冲裁等，而在不同的载荷作用下，金属材料所表现出来的性能是有很大的区别，因此必须进行研究以解决材料或零件在服役过程中所碰到的问题。
2-1应力状态软性系数（softcoefficientofstress）
塑性变形和断裂（韧性或脆性）是金属材料在静载荷作用下失效的主要形式。
同一种材料，由于受载荷方式不同（即所受到的应力状态不同），其破坏方式断裂方式也不同。
Ø当
，发生塑性变形（即临界切应力）
Ø当
，发生塑性变形并切断
Ø当
，产生正断（脆性）
其中τsτkσk是常数。
可见研究材料的应力状态是极其重要的。
从弹性力学可知：
任何复杂的应力状态都可以用三个主应力σ1σ2σ3（σ1＞σ2＞σ3）来表示。
则最大剪切应力为：
（2-1）
最大正应力为：
（2-2）
式中，
为泊松比
若取
=0.25，则
（2-3）
称
为应力状态软性系数。
在实验中，如
越大，则最大临界分切应力τmax也越大，表示应力状态越“软”，即材料越易产生塑性变形与韧性断裂。
常见不同加载方式下应力状态以及软性系数见下表。
表2-1不同加载方式的应力状态软性系数（
）
加载方式
主应力
1
2
3
三向不等拉伸
（8/9）
（8/9）
0.1
单向拉伸
0
0
0.5
扭转
0
-
0.8
二向等压缩
0
-
-
1
单向压缩
0
0
-
2
三向不等压缩
-
-（7/3）
-（7/3）
4
从表中应力软性系数可知，当材料塑性较高，可以使用单向静拉伸进行研究，尽管其应力状态较硬，材料仍会发生韧性断裂。
相反，当材料脆性较高，为了研究该材料的塑性指标，则应使用应力状态较软的加载方式，如扭转、压缩等。
2-2压缩（compression）
（一）特点（Characteristic）
由于压缩的应力状态软性系数
，所以该方法适用于测定脆性材料的韧性指标或测定承受多向压力零件的相关性能。
（二）压缩实验（Compressiontest）
1.压缩试样（Sampleofcompression）
压缩试样可分为两种:
1）圆形L=（2.5~3.5）D
2）正方形L=（2.5~3.5）a
其中L：
试样长度。
D：
圆形试样直径。
：
正方形试样边长。
2.压缩性能指标（Quotaofcompressionproperties）
图2-1是脆性金属材料在拉伸和压缩载荷下的力学行为曲线。
图2-2为典型的力—变形压缩试验曲线。
图2-1脆性金属材料在拉伸和压缩载荷下的曲线
从上图可见，同一材料在不同的应力状态下（即不同的应力软性系数），其力学行为是明显不同。
图2-2为典型的力—变形压缩试验曲线
从图2-2曲线可见，压缩曲线与拉伸曲线基本一样，其性能指标有：
①规定非比例压缩应力σρc——表示试样标距内的非比例压缩变形达到规定的原始的百分数，也即表示材料开始进入塑性变形状态。
如：
σρc0.01、σρc0.2等。
具体求解方法如下：
先从压缩的力—变形曲线上标出OC长度。
（2-4）
式中Lo：
试样原始标距。
n：
曲线放大倍数。
：
压缩变形量。
然后应用下式即可计算出非比例压缩应力。
（2-5）
②抗压强度σbc——试样压至破坏过程中的最大抗压应力。
可按下式计算。
（2-6）
另外还可以测定压缩杨氏模量，对于在压缩时能产生明显屈服现象的材料，还可以测定压缩屈服强度。
至于压缩塑性指标要靠压缩的最大变形量来定性比较。
2-3弯曲（Bending）
（一）特点（Characteristic）
杆状材料受弯后，其内部应力主要为正应力，与单向拉伸和压缩时产生的应力雷同，但由于杆件截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，因此只有弯曲实验才能较灵敏地反映材料的表面缺陷（如渗层和表面涂层、淬火层等）。
弯曲实验具有试样形状简单、操作方便，又不存在拉伸时试样的偏斜等特点，因而应用领域还是比较多的。
（二）弯曲实验（Bendingtest）
1.试样（Sample）：
弯曲试样有圆形（d=5~45mm）或矩形两种，其尺寸如下：
Ø圆形：
Ls=10d0（Ls：
试样的跨距；d0：
试样直径，一般取5~45mm）
Ø矩形：
h×b=5×7.5—30×40mm，Ls=10h（h、b分别为试样的高度与宽度）。
2.三点弯曲，四点弯曲（Threeorfourpointbending）
三点弯曲或四点弯曲的实验装置见下图。
常见的弯曲曲线如图2-3所示。
图2-3弯曲试验加载方式（F：
弯曲力，f：
试样扰度）
a）三点弯曲加载；b）四点弯曲加载
图2-4弯曲力—挠度（F—f）曲线
3.弯曲性能指标（quotaofbendingproperties）
1）弯曲应力的计算
在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力σ按下式计算：
（2-7）
式中，M：
最大弯矩。
W：
试样抗弯截面系数。
表达式如下：
三点弯曲时：
（2-8）
四点弯曲时：
（2-9）
圆柱试样：
（2-10）
宽为b、高为h的矩形试样：
（2-11）
2）规定非比例弯曲应力σpb——试样弯曲时，当外侧表面上的非比例弯曲应变（εpb）达到规定值时（如εpb=0.01%~0.2%），按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力。
具体步骤为：
✧先确定F-f曲线OC段长度，计算公式如下：
三点弯曲：
（2-12）
四点弯曲：
（2-13）
式中,n：
扰度放大倍数。
Y：
圆形试样的半径（d/2）或矩形试样的半高（h/2）。
：
弯曲试验的变形量。
见图2-3b.
✧过C点作与弹性直线平行线CA交曲线于A点，则A点所对应的力（Fpb）即为规定的非比例力，然后应用上面几式便可以计算出非比例弯曲应力σpb。
３）抗弯强度σbb——试样弯曲至断裂前所能达到的最大弯曲力，再按弹性弯曲公式计算得到最大弯曲应力）。
此外还可以从弯曲力—扰读曲线上测出弯曲弹性模量Ｅb、断裂扰度fb及的；断裂能量U（曲线下所包围的面积）。
2-4扭转（Torsion）
（一）特点（Characteristic）
当圆柱形试样承受扭矩T进行扭转时，试样表面的应力状态如图2-5所示。
从图中可见：
✓在与试样轴线呈45°的两个斜截面上承受最大与最小的正应力σ1及σ2，而在与试样轴线平行和垂直的截面上承受最大切应力τ，两者比值
。
✓在弹性阶段，试样横截面上的切应力和切应变沿半径方向分布是线性的，表层最大。
✓在表层发生塑性变形后，切应变仍保持线性，而切应力则有所下降，不呈线性。
图2-5扭转试样的应力与应变
a）试样表面的应力状态；b）弹性变形阶段横截面积上的切应力与切应变的分布；c）弹塑性变形阶段横截面积上的切应力与切应变的分布；
其特点有：
i.扭转的应力状态软性系数为0.8，比拉伸大，因此更易于显示材料的塑性行为；
ii.圆柱试样扭转时，整个长度上的塑性变形是均匀的，没有缩颈现象；
iii.能较敏感反映出试样表面的缺陷及表面硬化层的性能；
iv.扭转时最大的正应力与最大的切应力在数值上大体相等。
（二）扭转试验（Torsiontest）
1. 试样（Sample）：
扭转试样主要为圆柱状，尺寸：
d0=10mmL0=50mm或100mm。
2.T-曲线（T-curves）：
试样在弹性范围内表面的切应力τ和切应变
的计算：
（2-14）
（2-15）
式中：
W：
试样抗扭截面系数（
）。
：
扭转角（单位：
RAD）。
3.主要性能指标（Mainquotasofproperty）
扭转时扭距—扭角的曲线见图2-6。
相应的性能指标如下。
图2-6扭转时扭距—扭角曲线
1）切变模量G
（2-16）
2）屈服点
（在扭转时也同样呈现屈服现象）
（2-17）
式中Ts：
屈服扭距。
3）规定非比例扭转应力
（扭转实验时，试样标距部分，其表面的切应变
达到规定数值时，（如0.015％、0.3％），按弹性扭转公式计算的切应力称为规定非比例扭转应力：
（2-18）
4）抗扭强度
（2-19）
式中Tb：
试样扭断前的最大扭距。
2-5缺口试样静载荷试验（testinStaticloadsfornotchedsample）
一.缺口效应（Notcheffect）
前面介绍的静载荷试验试样，其样品均是横截面均匀、表面光滑，但实际构件，绝大多数都不是截面均匀、表面光滑体，而往往存在截面急剧变化，如键糟、油孔、轴肩、螺纹、焊缝等，这种截面变化的部位往往视为“缺口”，因此会产生缺口效应，主要有：
①应力集中，并改变缺口处的应力状态：
由原来的单向应力改变为两向应力（平面应力状态、薄板情况）和三向应力状态（平面应变状态、厚板情况）。
②缺口的存在，使脆性材料或低韧性材料的抗拉强度降低，但使韧性材料强度（
）升高，而塑性下降，从而产生“缺口”效应。
注：
“缺口强化”并不是金属内在性能发生变化。
纯粹是由于三向拉应力加速了塑性变形所致。
二.缺口试样静拉伸试验（NotchedSampleofstatictensiletest）
缺口试样静拉伸试验分为轴向拉伸和偏斜拉伸两种，目前，尚无相应国标，只有热处理手册推荐实验方法，具体请参考P55.
三．缺口敏感度（NotchSensitivityRatioNSR）
定义
式中，bn缺口试样的抗拉强度；b光滑试样的抗拉强度。
NSR越大，则材料对缺口敏感度越小。
脆性材料NSR1；塑性材料NSR1。
2-6硬度（Harness）
一. 意义与特点（Meaningandcharacteristic）
1. 概述（Briefintroduction）
金属硬度试验与轴向拉伸试验一样，也是应用广泛的力学性能测试方法。
硬度是表征材料软硬程度的一种性能，其物理意义随实验方法的不同而不同。
2.分类（Clasification）
按实验方法的不同，硬度可以分为：
①划痕法（莫氏）――表征切断抗力的大小
②压入法（布氏、洛氏、维氏等）――表征塑性变形功的大小
③弹性回弹法（肖氏硬度）――表征弹性变形功的大小
3.应用（Applications）
压入法试验在生产中应用最广泛，其应力状态、软性系数α＞2，在该应力状态下几乎所有的金属材料都能产生塑性变形。
由于硬度试验具有设备简单、操作方便、迅速，同时又能敏感地反映出金属材料的化学成分和组织结构的差异，因此被广泛应用于检查材料的组织、性能、热处理及热加工以及表面处理的工艺质量。
二.硬度试验（Hardnesstest）
（一）布氏硬度（TheBrinellhardness）
1.概述（Briefintroduction）
压头：
钢球或硬质合金头，直径D
载荷F（kgf.或N）
压痕平均直径D（mm），以及压痕面积A（mm2）
则
（N/mm2）（2-21）
2.HB表示方法（ExpressingmethodofHB）：
HB有如下两种表示方法：
ØHBS（压头为淬火钢球，适用于HB＜450的材料＝
ØHBW（压头为硬质合金球，适用于HB在450~650）
有时还更细化表示：
，即具体表示出压头、载荷和保压时间。
通常简化为HB。
3.测定条件（Measurementcondition）：
为了测定结果的可能性，应保证：
（2-22）
✓常有常数有：
30、15、10、5、2.5、1.25等七种。
✓压痕压入角
在28~14°范围内保持不变。
✓压痕直径：
d=（0.24~0.6）D
✓保压时间：
t=10~15s （黑色）
t=30s （有色）
t=60s （HB＜35＝
所以，材料越软，则保压时间越长。
4.优缺点
✓反映宏观性能，适用于测量晶粒粗大或多相材料的综合性能；
✓重复性好。
✓压痕大，且测量较麻烦；
✓不同材料需要更换不同种类压头。
（二）洛氏硬度试验（TheRochwelltest）
1.概述（Briefintroduction）
洛氏硬度试验原理与布氏硬度不同，它是以压痕深度来表示材料的硬度值。
压头有两种：
①圆锥角
＝120°金刚石锥体
②淬火钢球
2.测定过程（Measuringprocess）：
先在试样上加一初载F0（为了保证压头与试样表面有的接触良好）
压痕深h0，再加主载荷F1,压痕深hr（弹＋塑），F1卸载后，弹性深度（h1-h2）回复，残余深度h。
则 硬度
（2-23）
当压头为金刚石圆锥时：
K=0.2mm
当压头为淬火球时：
K=0.26mm
实际测量时，仪表会根据上式自动算出，并在盘上显示洛氏硬度。
3.洛氏硬度种类（kindofRockwellhardness）
根据压头种类及载荷的不同，洛氏硬度有Ａ、Ｂ、ＣＫ等多种，其中，最常用的是HRA、HRB、HRC等三种。
具体条件见P61
HRA 金刚石圆锥
HRB钢球
HRC金刚石圆锥
4.洛氏表面硬度（SurfacehardnessofRockwell）
载荷小，主要用于测定材料表面状况，具体见P62。
5.优缺点
✓操作简便；
✓适用硬度范围大；
✓压痕小。
✓重复性较差；
✓不同硬度对比性较差。
（三）维氏硬度试验（TheVickerstest）
1.概述（Briefintroduction）
维氏硬度与布氏硬度相同，只是维氏硬度的压头不是球体，而是两对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体。
计算公式为：
（2-24）
载荷F（N）。
压痕对角线长d=（d1+d2）/2。
当测量出压痕对角线后，可查表。
2.种类（KindsofVickershardness）
根据材料的软硬、厚薄及所测定部位（球体还是表面）、增压在不同内的载荷范围测定，为此有三个国标：
①GB4340-84《金属维氏硬度试验方法》，适用于大件及较深表层硬度F=49.03~980.7
②GB5030-85《金属负荷维氏硬度试验方法》，适用于小件及表层硬度。
F：
1.961~49.03
③GB/T4342-99《金属显微维氏硬度试验方法》，适用于金属箔及薄板表面以及各相的硬度。
F：
98.07~1.961N。
3.优缺点
✓维氏硬度有一个连续一致的标度（而洛氏硬度则没有）；
✓试验载荷也可任意选择，所得结果相同。
✓操作麻烦。
作业：
P.63~64：
1[
（1），
（2），（4），（5），（6）]；2[
（1）~（15）]；3，8。
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