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1 第二章金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能 2 1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 2 2壓縮 2 3彎曲 2 4扭轉(zhuǎn) 2 5硬度 2 6帶缺口試樣靜載荷試驗(yàn) 2 本章內(nèi)容 壓縮 彎曲 扭轉(zhuǎn) 硬度和帶缺口試樣力學(xué)性能 原因 零部件在服役中因?yàn)槌惺苤煌愋偷耐鈶?yīng)力 造成零件內(nèi)部存在著不同的應(yīng)力狀態(tài) 2 1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)材料的塑性或脆性并不是絕對的 為表示外應(yīng)力狀態(tài)對材料塑性變形的影響 特引入應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 的概念 以方便選擇檢測方法 例如 鑄鐵壓縮時 呈現(xiàn)一定的韌性 拉伸時 表現(xiàn)出脆性 3 1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 的定義 最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力之比 式中最大切應(yīng)力 max按第三強(qiáng)度理論計算 即 max 1 3 2 1 3分別為最大和最小主應(yīng)力 最大正應(yīng)力 max按第二強(qiáng)度理論計算 即 泊松比 4 單向拉伸 1 2扭轉(zhuǎn) 1 1 0 8單向壓縮 1 2 2應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 的技術(shù)意義 表示了材料塑性變形的難易程度 越大 表示該應(yīng)力狀態(tài)下切應(yīng)力分量越大 材料就越易塑變 把 值較大的稱做軟的應(yīng)力狀態(tài) 值較小的稱做硬的應(yīng)力狀態(tài) 如單向靜拉伸 應(yīng)力狀態(tài)較硬 適于塑變抗力與切斷強(qiáng)度較低的所謂塑性材料試驗(yàn) 而正斷強(qiáng)度較低的所謂脆性材料 淬 低回的高碳鋼 灰鑄鐵及某些鑄造合金 在此種加載方式下會產(chǎn)生脆性正斷 顯示不出它們在韌性狀態(tài)下所表現(xiàn)出的力學(xué)行為 反之 對于塑性較好的金屬材料 則采用三向不等拉伸 使之在更 硬 的應(yīng)力狀態(tài)下顯示其脆性傾向 5 2 力學(xué)狀態(tài)圖 力學(xué)狀態(tài)圖 涉及第二強(qiáng)度理論和第三強(qiáng)度理論的應(yīng)用 縱坐標(biāo)為按第三強(qiáng)度理論計算最大切應(yīng)力 max 橫坐標(biāo)為按第二強(qiáng)度理論計算最大正應(yīng)力 max 自原點(diǎn)作出不同斜率的直線 這些直線可代表不同的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 其位置反映了應(yīng)力狀態(tài)對斷裂的影響 6 2 2壓縮 2 2 1材料壓縮的特點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 2 即應(yīng)力狀態(tài) 軟 此時材料易產(chǎn)生塑性變形 軟鋼易壓縮成腰鼓狀 扁餅狀 鑄鐵拉伸時斷口為正斷 壓縮時則沿45o方向切斷 對塑性變形能力小的材料 或者使用工況為壓縮狀態(tài)的材料 在靜拉伸外 還應(yīng)采用壓縮實(shí)驗(yàn)來評定其性能 7 2 2 2壓縮實(shí)驗(yàn) 曲線與拉伸曲線的形式相同 左 1 拉伸力與伸長曲線 右 1 脆性材料2 壓縮力與變形曲線 2 塑性材料壓縮測試指標(biāo) 抗壓強(qiáng)度 bc 壓縮 0 01 壓縮 0 2或壓縮 S 壓縮E 壓縮斷面收縮率 bc等 8 為減小試樣在壓縮過程呈腰鼓狀的趨勢 試樣的兩端需加工成具有 角度的凹園錐面 以便使試樣能均勻變形 9 2 3彎曲 2 3 1彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)常用于測定低塑性 脆性材料的力學(xué)性能 分析 1 正應(yīng)力試樣上表面為壓應(yīng)力 下表面為拉應(yīng)力 2 表面應(yīng)力最大 中心線區(qū)域?yàn)榱?3 加力點(diǎn)處的作用力最大 4 對試樣的要求比拉伸時寬松 如鑄鐵 工具鋼 表面滲碳鋼 硬質(zhì)合金 陶瓷等 常采用彎曲試驗(yàn)評定其力學(xué)性能 10 2 3 2彎曲試驗(yàn) 1 抗彎強(qiáng)度 bb M為最大彎矩 W為抗彎截面系數(shù) 還可測定彎曲彈性模量 斷裂撓度fbb 斷裂能量U 彎曲力 撓度曲線下所包圍的面積 See圖2 5 P42 11 三點(diǎn)彎曲 前頁左圖 彎矩M PL 4直徑為d的圓形試樣 抗彎截面系數(shù)W d3 32對于寬度為b 高為h的矩形試樣 抗彎截面系數(shù)W bh2 6 四點(diǎn)彎曲 前頁右圖 彎矩M PL 2 2 斷裂撓度f 試樣斷裂之前被壓下的最大距離 通過記錄彎曲力F和試樣撓度f之間的關(guān)系 求出斷裂時的抗彎強(qiáng)度 bb和最大撓度fbb 以表示材料彎曲時的強(qiáng)度和塑性 例如 灰鐵的抗彎性能優(yōu)于其抗拉性能 bb280 650MPa b 150 350MPa 而球鐵和可鍛鑄鐵的 bb比灰鐵又大的多 例如珠光體球鐵 bb700 1200MPa 是灰鑄鐵的1 6 1 9倍 韌性材料一般不作彎曲強(qiáng)度檢測 12 2 4扭轉(zhuǎn)2 4 1扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn) 1 特點(diǎn) 1 能檢測拉伸時呈脆性的材料的塑性性能 2 沿長度方向 宏觀上的塑性變形始終是均勻的 3 能敏感地反映材料表面的性能 4 斷口的特征最明顯參見右圖 a 切斷 有回旋狀塑變痕跡 b 正斷 螺旋狀 c 木紋狀斷口 縱向剝層或裂紋 分別對應(yīng) a 塑性材料 b 脆性材料 c 材料內(nèi)部存在較多的非金屬夾雜或偏析 并在軋制中沿軸向分布 應(yīng)用 可根據(jù)斷口宏觀特征來判斷承受扭矩而斷裂的機(jī)件的性能 13 2 應(yīng)力狀態(tài) 值比拉伸時大 容易顯示金屬的塑性行為 縱向受力均勻 橫向表面最大 心部為0 最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力比值近于1 如下圖 a T 扭矩 相對扭角 與試樣軸線呈45 的斜截面上 1 最大正應(yīng)力 3 最小正應(yīng)力 與試樣軸線平行和垂直的截面上 最大切應(yīng)力 b 彈變 應(yīng)力vs應(yīng)變是線性的 C 表層產(chǎn)生塑性變形后 切應(yīng)變的分布仍保持線性關(guān)系 但切應(yīng)力則因塑性變形而有所降低 不再呈線性分布 扭轉(zhuǎn)可測試 切變模量G 扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn) s 抗扭強(qiáng)度 b 14 2 4 2扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)性能指標(biāo)切應(yīng)力 T WT 扭矩 W 抗扭截面系數(shù) 圓柱試樣的W為切應(yīng)變 扭角 rad 切變模量 T 扭矩增量 扭角增量扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn) S抗扭強(qiáng)度 b例如 用于表面強(qiáng)化層抗扭強(qiáng)度的測試與評定 15 2 5硬度2 5 1硬度及其意義 1 硬度表征材料軟硬程度的一種性能 隨試驗(yàn)方法的不同 其物理意義不同 2 硬度的種類 根據(jù)試驗(yàn)方法劃分 壓入法 布氏HB 洛氏HR 維氏HV 努氏HK等 壓入法硬度 的實(shí)質(zhì) 表征材料的塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力 其應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大 2 幾乎令所有的材料都能產(chǎn)生塑變 刻劃法 莫氏硬度 Mohn 表征材料對切斷的抗力 回跳法 肖氏硬度HS表征金屬彈性變形功的大小 同一類方式的硬度可以換算 不同類方式則只能采用同一材料進(jìn)行標(biāo)定 都列入有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)表中 可查閱手冊文獻(xiàn) 16 2 5 2硬度試驗(yàn) 1 布氏硬度 1 原理用一定直徑D的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^ 施以一定的試驗(yàn)力F 將其壓入試樣表面 經(jīng)規(guī)定保持時間后 卸除試驗(yàn)力 試樣表面留下壓痕 力除以壓痕球形表面積的商就是布氏硬度 d 壓痕直徑0 102F D2 N mm2 的常用比值規(guī)范有30 10和2 5 以得到相同規(guī)范情況下的幾何相似的壓痕 17 2 種類布氏硬度試驗(yàn)用壓頭直徑D 10 5 2 5 2 1mm 淬火鋼球壓頭 HBS 適用450HB以下 硬質(zhì)合金壓頭 HBW 適用450HB 650HB 3 布氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 能在較大范圍內(nèi)反映材料的平均性能 試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定 重復(fù)性好 應(yīng)用廣泛 缺點(diǎn) 屬有損檢測 不能連續(xù)檢測 為保證數(shù)據(jù)可靠 需根據(jù)材料的種類和試樣的厚薄更換壓頭 壓痕直徑d 0 24 0 6D 18 2 洛氏硬度 1 測試原理 以壓頭留下的壓痕深度來表示材料的硬度值 壓痕深度h越大 硬度值越低 規(guī)定 壓頭不同 k值不同 金剛石k 0 2 鋼球k 0 26錐頭又分成 120o的金剛石圓錐 HRC HRA 或一定直徑的淬火鋼球 HRB 2 種類 SeeP52表2 3 P53表2 4 HRA HRB HRC最常用 變換壓力和壓頭 可適于不同的測試范圍 表面洛氏 小負(fù)荷 HR15N HR30N HR45N 金剛石圓錐 HR15T 淬火鋼球 等用來測定極薄試樣及滲氮層的硬度 特點(diǎn) 操作簡便 迅速 硬度值 HRC HRA 可直接讀出 壓痕較小 不足 測試數(shù)據(jù)有一定分散性 不同標(biāo)尺下測得的硬度值之間沒有聯(lián)系 不能直接比較 19 3 維氏硬度 136o的金剛石正四棱錐體取 136o與布氏硬度的計算方法相同 維氏硬度可分為宏觀和顯微觀兩種宏觀HV F 49 03 980 7NF 1 961 29 42N小載荷顯微Hm F 98 07 10 3 0 9807N通過測量對角線長度d計算出HV 采用正四棱錐體壓頭 是為了當(dāng)改變試驗(yàn)力時 壓痕的幾何形狀總保持相似 優(yōu)點(diǎn) 形成了統(tǒng)一標(biāo)度 測試精度較高 不同材料硬度測試值之間可以比較 不足 測試效率低 20 4 努氏硬度 也屬顯微硬度 采用四棱錐 對面夾角分別為172o30 和130o 力F除以壓痕投影面積之商 它的壓痕細(xì)長 比四等角錐測量值精確 試樣的表面不一定是很平整 而且組織不均勻 尤其是回旋體的表面 F為試驗(yàn)力 可在0 4903 19 61N內(nèi)選取 21 5 肖氏硬度HS一種動載荷試驗(yàn)法 將一定質(zhì)量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘 從一定高度落于金屬試樣表面 根據(jù)重錘回跳的高度來表征金屬硬度值的大小 也稱為回跳硬度 原理 重鍾從一定高度落下 使材料產(chǎn)生彈性變形和塑性變形 塑性變形功被試樣吸收 彈性變形功使重錘回跳一定的高度 材料的屈服強(qiáng)度越高 彈性變形功越大 則金屬越硬 優(yōu)點(diǎn) 方便 可在現(xiàn)場測大型工件的硬度 注意 不同的硬度值 在彈性模量相同時才可進(jìn)行比較 不足 精度和準(zhǔn)確度較差 此外還有里氏硬度HL 也是動載荷測試法 用碳化鎢球沖頭的回彈速度來表征金屬的硬度大小值 22 23 2 6帶缺口試樣靜載荷試驗(yàn) 2 6 1問題的提出材料內(nèi)部存在裂紋 或體積較大的缺陷 零件上有螺紋 鍵槽 油孔 退刀槽 焊縫等溝槽 缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中引起三向拉應(yīng)力狀態(tài) 使材料脆化 由應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)變集中 使缺口附近的應(yīng)變速率增高 標(biāo)準(zhǔn)方式的測試結(jié)果 已不能滿足實(shí)際需要 24 2 6 2缺口效應(yīng) 1 理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt max Kt值與材料性質(zhì)無關(guān) 只取決于缺口的幾何形狀 2 拉伸時 缺口試樣上的應(yīng)力分布 1 彈性狀態(tài)下 25 側(cè)面帶有缺口的薄板和厚板受拉伸時的應(yīng)力分布 a 薄板缺口下的彈性應(yīng)力 平面應(yīng)力 缺口根部為單向拉應(yīng)力狀態(tài) y 內(nèi)部為兩向拉應(yīng)力狀態(tài) z等于0 b 厚板缺口下的彈性應(yīng)力 平面應(yīng)變 彈變時 缺口根部為兩向拉應(yīng)力狀態(tài) 內(nèi)部為三向拉應(yīng)力狀態(tài) c 平面應(yīng)變時的應(yīng)力分布在材料內(nèi)部 沿厚度方向 z不等于0 d 平面應(yīng)變時 局部屈服后的應(yīng)力分布 26 2 塑性狀態(tài)下 塑性較好的材料 若根部產(chǎn)生塑性變形 應(yīng)力將重新分布 并隨載荷的增大 塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大 直至整個截面 應(yīng)力最大處則轉(zhuǎn)移到離缺口根部ry距離處 該處 y x z均為最大值 隨塑性變形逐步向試樣內(nèi)部轉(zhuǎn)移 各應(yīng)力峰值越來越大 試樣中心區(qū)的 y最大 出現(xiàn) 缺口強(qiáng)化 三向拉應(yīng)力約束了塑性變形 塑性降低 影響材料的安全使用 27 三 缺口試樣靜拉伸試驗(yàn) 1 方法缺口試樣 有軸向拉伸和偏斜拉伸兩種 通常用缺口敏感度NSR NotchSensitivityRatio 衡量靜拉伸下缺口敏感度指標(biāo) NSR bn b bn為缺口試樣的抗拉強(qiáng)度 b為等截面光滑試樣的抗拉強(qiáng)度 NSR越大 表示缺口敏感度越小 脆性材料 如鑄鐵 高碳鋼 NSR 1 這些材料對缺口很敏感 高強(qiáng)度材料的NSR一般也小于1 塑性材料的NSR一般大于1 利用缺口拉伸試驗(yàn) 還能查明光滑拉伸試樣不能顯示的力學(xué)行為 高強(qiáng)度鋼的淬火低溫回中火 鋼和鈦的氫脆 高溫合金的缺口敏感性等 NSR是反映安全性的力學(xué)性能指標(biāo) 偏斜拉伸 4o和8o 試樣承受拉伸和彎曲 28 2 斷口由于缺口的存在 裂紋源一般在缺口處 然后向內(nèi)部擴(kuò)展 一般不存在剪切唇 偏斜拉伸試樣初始階段可能呈纖維狀 第二階段則可能呈放射狀 當(dāng)初始階段與第二階段相交截時 便形成最終斷裂區(qū) 29 四 缺口試樣靜彎曲試驗(yàn) 缺口試樣的靜彎試驗(yàn)則用來評定或比較結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度由于缺口和彎曲所引起的應(yīng)力不均勻性疊加 使試樣缺口彎曲的應(yīng)力應(yīng)變分布的不均勻性更大 但應(yīng)力應(yīng)變的多向性則減少 采用試樣與沖擊樣品類似 圖2 16 30 缺口試樣靜彎曲曲線 曲線下所包圍的面積 表示試樣從變形到斷裂的總功 總功由三部分組成 1 只發(fā)生彈性變形的彈性功 2 發(fā)生塑性變形的變形功以面積 表示 3 在達(dá)到最大載荷Pmax時試樣即出現(xiàn)裂紋 如果裂紋到截荷P1點(diǎn)時開始迅速擴(kuò)展 直至試樣完全破斷 這一部分功以面積 表示 叫作撕裂功 可用斷裂功 或Pmax P1 來表示材料的缺口敏感度 P1 試樣發(fā)生斷裂所對應(yīng)的作用力 Pmax P1 1時 裂紋擴(kuò)展極快 缺口敏感度最大 1