1、中國礦業(yè)大學徐海學院Xuhai College , China University of Mining & Technology第二章 金屬在其它靜載荷下的力學性能金屬在其它靜載荷下的力學性能01.引 言 01.引 言 01.引 言 02.應力狀態(tài)系數(shù)03.壓縮04.彎曲05.扭轉06.缺口試樣靜載荷試驗07.硬度金屬在其它靜載荷下的力學性能拉伸壓縮彎曲扭轉 不同加載方式在試樣中產生的應力狀態(tài)不同，材料所表現(xiàn)出的力學行為不完全相同 常溫靜載01 引 言金屬在其它靜載荷下的力學性能材料的塑性或脆性02 應力狀態(tài)系數(shù)）（32131maxmax5 . 02)(321max 為了表示外應力狀

2、態(tài)對材料塑性變形的影響，特引入應力狀態(tài)系數(shù)的概念。以方便選擇檢測方法。 例如：鑄鐵 壓韌，拉脆式中最大切應力max按第三強度理論計算，即max=(1-3)/2 ，1，3分別為最大和最小主應力。最大正應力max按第二強度理論計算， 即 , 為泊松比。 絕對表示應力狀態(tài)對材料塑性變形的影響應力狀態(tài)軟性系數(shù)金屬在其它靜載荷下的力學性能 應力狀態(tài)系數(shù)表示材料塑性變形的難易程度。 越大表示在該應力狀態(tài)下切應力分量越大，材料就越易塑性變形。 把值較大的稱做軟的應力狀態(tài)，值較小的稱做硬的應力狀態(tài)。單向拉伸扭轉單向壓縮=1/2 =1/（1+）0.8 =1/（2） 2 02 應力狀態(tài)系數(shù)金屬在其它靜載荷下的力學

3、性能壓縮試驗03 壓縮0AFbcbc特點特點1）單向壓縮試驗2，比拉伸、扭轉、彎曲的應力狀態(tài)都軟，所以主要用于拉伸時呈脆性的金屬材料力學性能測定2）拉伸時塑性很好的材料在壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不會斷裂。試樣：截面圓形或正方形，長度為直徑或邊長的2.53.5倍抗壓強度：試樣壓至破壞過程中的最大應力 （壓縮屈服點 sc： 試驗時金屬產生明顯屈服現(xiàn)象）金屬在其它靜載荷下的力學性能03 壓縮塑性材料脆性材料抗壓強度抗拉強度VS抗壓強度抗拉強度VS金屬在其它靜載荷下的力學性能塑性材料受拉，脆性材料受壓 趙州橋坐落在河北省趙縣洨河上。建于隋代（公元581618年）大業(yè)年間（公元605618年），由著名匠師

4、李春設計和建造，距今已有約1400年的歷史，是當今世界上現(xiàn)存最早、保存最完善的古代敞肩石拱橋。03 壓縮金屬在其它靜載荷下的力學性能特點一拱形結構 整個大橋是由28道各自獨立的拱券沿寬度方向并列組合而成。 拱圈各個橫截面上均受到的壓應力。石料（脆性材料）承受壓應力。03 壓縮金屬在其它靜載荷下的力學性能特點二鐵拉桿 在主券上均勻沿橋寬方向設置了5個，穿過28道拱券，每個拉桿的兩端有半圓形桿頭露在石外，以夾住28道拱券，增強其橫向聯(lián)系。在4個小拱上也各有一根鐵拉桿起同樣作用。03 壓縮鐵拉桿（塑性材料）承受拉應力金屬在其它靜載荷下的力學性能特點三腰鐵 為了使相鄰拱石緊緊貼合在一起，在兩側外券相鄰

5、拱石之間都穿有起連接作用的“腰鐵”，各道券之間的相鄰石塊也都在拱背穿有“腰鐵”，把拱石連鎖起來。03 壓縮金屬在其它靜載荷下的力學性能 蘇通長江公路大橋，路線全長32.4公里，主要由跨江大橋和南、北岸接線三部分組成。其主跨跨徑達到1088米，是世界位居第二大跨徑的斜拉橋。03 壓縮金屬在其它靜載荷下的力學性能03 壓縮金屬在其它靜載荷下的力學性能玻璃杯倒入熱水，破裂從哪開始（內、外壁）？薄的和厚的玻璃杯，誰更容易破裂？03 壓縮金屬在其它靜載荷下的力學性能04 彎曲1）試樣形狀簡單、操作方便。同時彎曲試驗不存在拉伸試驗時的試樣偏斜對試驗結果影響問題，并可用繞度顯示材料的塑性。常用于測定鑄鐵、鑄

6、造合金、工具鋼及硬質合金等脆性和低塑性材料的斷裂強度。2）試驗時，試樣截面上的應力分布不均勻，表面應力最大，可靈敏的反映材料表面缺陷。常用來比較和鑒定滲碳層和表面淬火層等機件的質量與性能。一、彎曲試驗的特點及應用金屬在其它靜載荷下的力學性能 三點彎曲或四點彎曲試驗：將圓形或矩形及方形試樣放置在一定跨距L的支座上，通過記錄彎曲力F和試樣撓度f之間的關系，通常求出斷裂時的抗彎強度和最大撓度，以表示材料的強度和塑性。 試樣彎曲時，受拉側表面的最大彎曲應力： 式中M最大彎矩。對三點彎曲M=FLs/4；對四點彎曲M=FL/2。 W抗彎截面系數(shù)。對于直徑為d的圓形試樣，（d2）/32；對于寬度為b，高為h

7、的矩形試樣，W=bh2/6WM 04 彎曲二、彎曲試驗及力學性能金屬在其它靜載荷下的力學性能05 扭轉（1）能檢測在拉伸時呈脆性的材料的塑性性能。（2）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（切斷、正斷、層狀斷口等）一、扭轉試驗的特點金屬在其它靜載荷下的力學性能二、扭轉試驗和力學性能指標 一般采用圓柱形試樣(d0=10mm，L050或100)在扭轉試驗機上進行。 扭矩扭角（T-）曲線 試樣在彈性范圍內表面的切應力和切應變?yōu)?W為試樣抗扭截面系數(shù)，圓柱試樣為 WT 002Ld 16/ )(30d05 扭轉金屬在其它靜載荷下的力學性能切變模量

8、G（在彈性范圍內，切應力與切應變之比）：扭轉屈服點 （Ts為屈服時的扭矩） 抗扭強度 （Tb為扭斷前承受的最大扭矩） 40032dTLGWTssWTbb05 扭轉扭轉力學性能指標金屬在其它靜載荷下的力學性能06 缺口試樣靜載荷試驗缺口效應 由于缺口（截面變化，如鍵槽、油孔、軸肩、螺紋）的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的應力狀態(tài)將發(fā)生變化。缺口試樣應力線分布、應力集中金屬在其它靜載荷下的力學性能應力集中系數(shù):表示缺口引起的應力集中程度（在彈性范圍內，與材料性質無關，只決定于缺口幾何形狀） max 、分別為缺口 凈截面上的最大應力 與平均應力。Ktmax06 缺口試樣靜載荷試驗缺口試樣在彈性狀態(tài)

9、下的應力分布金屬在其它靜載荷下的力學性能缺口試樣在塑性狀態(tài)下的應力分布材料在缺口靜拉伸時的力學行為：1）對塑性好的材料，缺口使材料的屈服強度或抗拉強度升高，但塑性降低，是謂“缺口強化”。缺口試樣的強度不會超過光滑試樣強度的三倍。2）對于脆性材料，由于缺口造成的應力集中，不會因塑性變形而使應力重新分布，因此缺口試樣的強度只會低于光滑試樣。06 缺口試樣靜載荷試驗金屬在其它靜載荷下的力學性能缺口靜拉伸試驗（軸向拉伸和偏斜拉伸）三、材料在靜載下的缺口強度試驗為了比較各種材料對缺口敏感的程度缺口形狀06 缺口試樣靜載荷試驗金屬在其它靜載荷下的力學性能缺口敏感度NSR衡量靜拉伸下缺口敏感度指標 NSR越

10、大，缺口敏感性越小，對于脆性材料如鑄鐵、高碳工具鋼，其NSR2，幾乎所有的材料都能產生塑性變形。 刻劃法：莫氏硬度。表征材料對切斷的抗力。 回跳法：肖氏硬度 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行標定。一、硬度及其意義硬度表征材料軟硬程度的一種性能,指金屬在表面上的不大體積內抵抗變形或者破裂的能力。隨試驗方法的不同，物理意義不同。種類金屬在其它靜載荷下的力學性能二、硬度試驗07 硬度莫氏硬度(Mohs hardness) 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。

11、順序材料順序材料1滑石1滑石2石膏2石膏3方解石3方解石4螢石4螢石5磷灰石5磷灰石6正長石6正長石7石英7SiO2玻璃8黃玉8石英9剛玉9石榴石10金剛石10熔融氧化鋯11剛玉12碳化硅13碳化硼14金剛石金屬在其它靜載荷下的力學性能具有一定形狀的鋼制壓針，在試驗力作用下垂直壓入試樣表面，當壓足表面與試樣表面完全貼合時，壓針尖端面相對壓足平面有一定的伸出長度L，以L值的大小來表征邵氏硬度的大小，L值越大，表示邵爾硬度越低，反之越高07 硬度邵氏硬度計金屬在其它靜載荷下的力學性能（1）原理 用一定直徑D的鋼球或硬質合金球為壓頭，施以一定的試驗力，將其壓入試樣表面，經規(guī)定保持時間后，卸除試驗力。

12、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)(204. 0102. 022dDDDFAFHB 07 硬度布氏硬度金屬在其它靜載荷下的力學性能HBS（鋼球壓頭）適用于測量退火、正火、調質鋼及鑄鐵、有色合金等硬度小于450HB的較軟金屬；HBW（硬質合金壓頭）適用于測量硬度值在650HB以下的較硬材料 優(yōu)點：壓痕面積較大，代表性全面，能反映金屬表面較大體積范圍內各組成相綜合平均的性能數(shù)據(jù)，故特別適宜于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或粗大組成相的金屬材料。試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定。試驗數(shù)據(jù)從小到大都可以統(tǒng)一起來。 缺點：對不同材料需更換壓頭直徑和改變試驗力，壓痕直徑測量麻煩，因而用

13、于自動檢測時受到限制；由于壓痕較大，不宜于成品檢驗，也不宜于薄件試驗。07 硬度優(yōu)缺點和適用范圍金屬在其它靜載荷下的力學性能洛氏硬度（1）原理：以頂角120的金剛石錐體或直徑1.588mm的淬火鋼球為壓頭，測量壓痕深度可直接從硬度計表盤讀出硬度值。 07 硬度金屬在其它靜載荷下的力學性能 壓痕深度h越大，硬度值越低。規(guī)定： 不同的壓頭，k值不同；金剛石k=0.2；鋼球k=0.26002. 0hkHR 07 硬度金屬在其它靜載荷下的力學性能（2）種類 HRA、HRB、HRC 最常用，改變壓力和壓頭，可適用于不同的測試范圍。表面洛氏 HR15N，HR30N， HR45N，R15T用來測定極薄試樣及

14、滲氮層的硬度。（3）洛氏硬度試驗的優(yōu)缺點優(yōu)點： 1)因有硬質、軟質兩種壓頭，故適于各種不同硬質材料的檢驗，不存在壓頭變形問題； 2)壓痕小，不傷工件表面； 3)操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，生產效率高，適用于大量生產中的成品檢驗。缺點：1）壓痕較小，代表性差；2）所測硬度值重復性差，分散度大；3）用不同硬度級測得的硬度值無法統(tǒng)一起來，無法進行比較。 07 硬度金屬在其它靜載荷下的力學性能（1）原理：基本同布氏硬度，區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體，壓痕為正四方錐形，測量壓痕對角線的平均長度d。07 硬度維氏硬度金屬在其它靜載荷下的力學性能（2）優(yōu)缺點優(yōu)點：它不存在布氏那種負荷F和壓

15、頭直徑D的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問題；也不存在洛氏那種硬度值無法統(tǒng)一的問題。 1）載荷可任選（49980N）（采用四方角錐，當負荷改變時壓入角不變）； 2）壓痕測量精度高，數(shù)據(jù)精確。 3）和洛氏一樣可以試驗任何軟硬的材料，并且比洛氏能更好地測試極薄件(或薄層)的硬度。缺點：硬度值需通過測量對角線后才能計算(或查表)出來，因此生產效率沒有洛氏高。07 硬度金屬在其它靜載荷下的力學性能 采用四棱錐，對面角分別為172o30和130o。 力F除以壓痕投影面積之商。 它比四等角錐測量值精確。22451. 123.14102. 0lFlFHK07 硬度（1）原理：基本同布氏硬度，區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體，壓痕為正四方錐形，測量壓痕對角線的平均長度d。努氏硬度（也屬顯微硬度）金屬在其它靜載荷下的力學性能 一種動載荷試驗