材料力学第二章-金属在其他静载荷下的力学性能.ppt

1、江苏科技大学 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能OABCDes(0.2)bp称为弹性极限简单拉伸实验简单拉伸实验s称为屈服应力0.2规定残余应变的0.2%时的工程应力b称为强度极限线性弹性变形非线性弹性变形加工硬化颈缩阶段屈服金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能简单拉伸实验简单拉伸实验初始试件弹性变形非线性弹性变形屈服平台塑性变形断裂金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第二章第二章 金属在其他静载荷下的力学性能金属在其他静载荷下的力学性能4研究的目的：1）实际的服役工矿下，零部件除了受拉伸之外，还要受其他静载荷的作用，如：压缩、弯曲、扭

2、转以及还有带缺口的零部件。则必须研究材料在其它载荷作用下的力学性能指标，作为设计和选材的依据。2）不同的加载方式在零部件中将产生不同的应力状态，而金属材料在不同的应力状态下所表现出的力学行为将不一样。3）金属硬度实验方法在工业生产及科研中应用极为广泛，其测试方法也属于静载压入实验。原因：切应力：引起金属材料产生塑性变形以及韧性断裂。正应力：引起金属材料产生脆性断裂。主要内容主要内容硬硬 度度扭扭 转转弯弯 曲曲压压 缩缩应力状态软性系数应力状态软性系数缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验2-1 2-1 应力状态软性系数应力状态软性系数材料在受到载荷作用时(单向拉伸)，最大切应力理论：最大正应变

3、理论：产生切断产生正断在复杂的应力状态下（用三个主应力表示成1、2、3）由上两式可以看出，受力状态不同，1 2 3 不同，max和max会变化，为了表示不同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。2-1 应力状态软性系数钢铁材料取定义：在任何应力状态下最大切应力与最大正应力的比值。应力状态越软，金属易于产生塑性变形和韧性断裂应力状态越硬，金属不易产生塑性变形，易于产生脆性断裂注意：的绝对值仅用于比较不同试验方法应力状态的软硬程度，不能用于定量的评价材料的塑性变形特征。72-1 应力状态软性系数8&思考：（1）预考查脆性材料的塑性，设计试验时，应力状态软性系数取大还是取小？（2）预

4、考查塑性材料的脆性，设计试验时，应力状态软性系数取大还是取小？2-2 材料的压缩1 1 压缩试验的特点压缩试验的特点（1 1）单单向向压压缩缩应应力力状状态态的的软软性性系系数数 ，非非常常适适合合脆脆性性材材料料的的力力学学性性能能实实验验。如如铸铸铁铁、铸铸铝铝合合金金、轴轴承合金等。承合金等。压缩可以视为反向拉伸，拉伸试验时所定义的各个力学性能指标和相应的计算公式，在压缩试验中基本上都能应用。2-2 材料的压缩1 1 压缩试验的特点压缩试验的特点（2 2）拉拉拉拉伸伸伸伸时时时时塑塑塑塑性性性性很很很很好好好好的的的的材材材材料料料料在在在在压压压压缩缩缩缩时时时时只只只只发发发发生生生

5、生压压压压缩缩缩缩变形而不会断裂。变形而不会断裂。变形而不会断裂。变形而不会断裂。脆性材料断面与轴线夹角：脆性材料断面与轴线夹角：脆性材料断面与轴线夹角：脆性材料断面与轴线夹角：4545 2-2 材料的压缩2 2 压缩实验压缩实验（1 1）测试条件）测试条件）测试条件）测试条件压缩试样为圆柱体、立方体或棱柱体；试样的高度和直径比 应取2.5-3.5；试件的两端面必须光滑平整，相互平行，并涂润滑油或石墨粉进行润滑；2-2 材料的压缩2 2 压缩实验压缩实验（2 2）压缩实验）压缩实验）压缩实验）压缩实验通常在压缩试验机上测出压力F和压缩量h之间的关系，给出F-h曲线，称为压缩图或压缩曲线。v塑性

6、材料与脆性材料的 压缩曲线具有不同的特 点，见右图。2-2 材料的压缩2 2 压缩实验压缩实验由压缩曲线可确定压缩强度指标和塑性指标。v压缩强度极限（抗压强度）：v相对压缩率：v相对断面扩展率：其中，为试件压缩断裂时的载荷；和 为试件的原始高度和断裂时的高度；和 为试件的原始截面积和断裂时的截面积。2-2 材料的压缩2 2 压缩实验压缩实验压环强度试验压环强度试验压环强度试验压环强度试验（1 1）测试条件）测试条件）测试条件）测试条件圆环试件；试件需保持圆整度；表面无伤痕且壁厚均匀。（2 2）压缩实验）压缩实验）压缩实验）压缩实验 压环强度：压环强度：试件断裂时1-1截面上的 最大拉应力 其中

7、，为试件压断时的载荷，D为压环外径，t为试件壁厚，L 为试件宽度。2-2 材料的压缩2 2 压缩实验压缩实验金属管压缩实验（金属管压缩实验（金属管压缩实验（金属管压缩实验（GB3251GB3251）（1 1）测试条件）测试条件）测试条件）测试条件管试件；试件需保持圆整度；表面无伤痕且壁厚均匀。H=2D（2 2）压缩实验）压缩实验）压缩实验）压缩实验 象足膨胀2-3 材料的弯曲z应力应力-应变特点：应变特点：杆件截面上应力分布不均匀，呈线性分布规律，即：表面最大，中心为零。其整个横截面上的应力为正应力。MM中性层 O纵向对称面z2-3 材料的弯曲1 1 弯曲实验的特点弯曲实验的特点弯曲实验不不受

8、受试试样样偏偏斜斜的的影影响响，可可以以稳稳定定地地测测定定脆脆性性材材料料和和低低塑塑性性材材料料的的抗抗弯弯强强度度，并能由挠度明显地显示脆性和低塑性材料的塑性。如铸铁、工具钢、陶瓷等。弯曲实验不不能能使使塑塑性性很很好好的的材材料料破破坏坏，不不能能测测定定其其断断裂裂弯弯曲曲强强度度，但可以比较一定弯曲条件下不同材料的塑性。弯曲实验时试样断面上的应力分布是不均匀的，表表面面应应力力最最大大，依此可可以以较较灵灵敏敏地地反反映映材材料料的的表表面面缺缺陷陷，以检查材料的表面质量。2-3 材料的弯曲2 2 弯曲试验弯曲试验2-3 材料的弯曲2 2 弯曲试验弯曲试验弯曲试件：矩形截面、圆形截

9、面弯曲试件的最大挠度 表示材料的变形性能加载方式：三点弯曲、四点弯曲2-3 材料的弯曲2 2 弯曲试验弯曲试验v弯曲图通过弯曲实验记录弯曲载荷和最大挠度之间的曲线。v测定断裂时的抗弯强度：式中：断裂载荷 下的最大弯矩。对三点弯曲实验，；对四点弯曲实验，W试样的弯曲截面系数另：可通过最大挠度比较不同材料的塑性。2-3 材料的弯曲2 2 弯曲试验弯曲试验2-3 材料的弯曲2 2 弯曲试验弯曲试验弯曲试验的应用弯曲试验的应用（1）灰铸铁抗弯强度的测定 采用铸态毛坯圆柱试样，加载速度小于0.1mm/s。（2）测定硬质合金的抗弯强度 采用方形或矩形截面的小尺寸试件，常用规格：5mm 5mm 30mm，跨

10、距24mm（3）陶瓷材料抗弯强度测定 采用方形或矩形截面的试件。注意：同一材料多次测量求平均值2-4 材料的扭转1 1 应力应力-应变分析应变分析（1）弹性变形阶段，横截面上各点切应力大小与该点距中心。与试样轴线成45度角的两个斜截面上承受最大拉应力。（2）表面产生塑性变形后，各点切应力仍与距中心的距离成正比，但切应力水平却因塑性变形而降低。2-4 材料的扭转2 2 扭转试验特点扭转试验特点 1.应力状态的软性系数 。可为拉伸实验时表现为脆性的材料测定有关塑性变形的抗力指标。2.圆柱形试样扭转实验时，整个长度上始终是均匀的塑性变形，不产生颈缩现象。故此，可精确评定拉伸实验时出现颈缩的高塑性金属

11、材料的变形能力与抗力指标。3.扭转实验是测定材料切断抗力的最可靠的方法（因实验时正应力正应力切应力切应力）。4.扭转实验可明确区分金属材料的最终断裂方式：正断与切断，这是其他试验方式不能比的。5.扭转实验可以灵敏地反映材料的表面缺陷。2-4 材料的扭转3 3 扭转试验扭转试验v切变模量：切变模量：v扭转屈服点：扭转屈服点：v抗扭强度：抗扭强度：式中：式中：W试样截面系数，对于圆柱试样试样截面系数，对于圆柱试样2-4 材料的扭转v扭转实验一般常用圆柱试样在扭转试验机上进行。扭转实验一般常用圆柱试样在扭转试验机上进行。v根据每一时刻加于试样上的扭矩根据每一时刻加于试样上的扭矩 T和扭转角和扭转角

12、绘制成的绘制成的T-曲线曲线 称称扭转图扭转图。3 3 扭转试验扭转试验2-4 材料的扭转扭转试样的断口形态扭转试样的断口形态 对塑性材料和脆性材料来说，都可在扭转载荷下发生断裂，其断裂方式有以下几种：v切断断口：是切应力作用下的切断，断口平整、垂直于试样的轴向，断面上有回旋状的塑变痕迹。v正断断口：是正应力作用下的正断，断面与试样轴线约成 角，断口呈螺旋状或斜劈形状。v混合断口：一般是由于锻造或轧制过程中使非金属夹杂物或偏析物沿轴向分布，降低了轴向切断抗力，形成纵向和横向组合的断口，呈层状。2-4 材料的扭转思考：铸铁试件在压缩和扭转破坏时铸铁试件在压缩和扭转破坏时,断口方位断口方位都与轴线

13、大致成都与轴线大致成45度角度角,其破坏原因是否其破坏原因是否相同？相同？成熟设计成熟设计成熟设计成熟设计纵臂被左右起纵臂被左右起伏的路面产生伏的路面产生的扭力扭断。的扭力扭断。今年以来，有关大众速腾后悬挂断裂的车主投诉不绝于耳，在多家媒体的持续关注下，一汽大众终于做出妥协于10月下旬宣布自2015年2月2日起在中国召回装配了耦合杆式后悬架的563605辆新速腾并安装金属衬板。2-5 2-5 缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”。拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样。但在实际生产中的

14、机件，截面上往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、螺纹及焊缝等，这种截面变化的部位可称为“缺口”。35应力集中系数（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布（薄板）在拉应力的作用下，缺口的存在使横截面上的应力分布不均匀：l轴向应力y分布：y在缺口根部最大，随着距离x，y ，所以在缺口根部产生了应力集中的现象。l横向应力x分布：缺口根部可自由变形，x=0，远离x轴，变形阻力增大，x，达到一定距离后，由于y导致x。362-5 2-5 缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验 与薄板相比，厚板在垂直于板厚方向的收缩变形受到约束，即：（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布（厚板）372-5 2-5 缺口试样静载荷

15、试验缺口试样静载荷试验屈雷斯加的屈服条件为屈雷斯加的屈服条件为:所以，当缺口尖端出现塑性变形后，最大应力已不在缺口根部，而在所以，当缺口尖端出现塑性变形后，最大应力已不在缺口根部，而在其塑性变形与弹性变形的交界处其塑性变形与弹性变形的交界处r ry y，该处，该处 y y最大，所以最大，所以 x x、z z也最大。也最大。s=max=y-x在缺口根部在缺口根部 x=0,0,所以所以max=y=s 远离缺口根部由于远离缺口根部由于 x的存在的存在,max=y-x=s；y=s+x 如果满足这一条件，屈服将由表面向心部如果满足这一条件，屈服将由表面向心部扩展。扩展。z=v(y+x)并且，随塑性变形区

16、尺寸的增加，其最大应力处也将向心部移动，但并且，随塑性变形区尺寸的增加，其最大应力处也将向心部移动，但始终在其塑性变形与弹性变形的交界处，以及最大应力值也将增加。始终在其塑性变形与弹性变形的交界处，以及最大应力值也将增加。2-5 2-5 缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验（一）缺口试样在塑性状态下的应力分布（厚板）对于塑性较高的材料，由于塑性变形能够扩展到心部，因对于塑性较高的材料，由于塑性变形能够扩展到心部，因此，缺口的存在将使其屈服强度得以提高。因而，缺口的存在此，缺口的存在将使其屈服强度得以提高。因而，缺口的存在将使塑性材料的强度提高。这种现象称为将使塑性材料的强度提高。这种现象称为“缺口强化缺口强化”。是由。是由于在缺口的前端出现了三向应力状态，使塑性变形受到约束而于在缺口的前端出现了三向应力状态，使塑性变形受到约束而引起的。引起的。对于脆性材料，由于塑性变形仅能扩展较少的距离，因此，对于脆性材料，由于塑性变形仅能扩展较少的距离，因此，其强度不仅不能得以提高，反而降低。其强度不仅不能得以提高，反而降低。并且，塑性材料的缺口强化，是在牺牲其塑性的条件下来并且，塑性材料的缺口强化