材料性能与测试课件-第2章材料在其它静载下的力学性能

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1、材料性能与测试主讲：曾凡浩(zengfanhao608@mail.csu.edu.cn)中南大学粉末冶金研究院课件制作：曾凡浩第二章材料在其它静载下的力学性能2§2.1应力状态软性系数§2.2扭转、弯曲和压缩的力学性能§2.3缺口试样静载力学性能§2.4硬度单向静拉伸不能充分反映材料的应用特点，实际上静载荷还有扭转、弯曲、压缩等，本章介绍扭转、弯曲、压缩、带缺口试样拉伸、硬度实验方法、特点及指标。§目录3§2.1应力状态软性系数正应力σ导致脆性的解理断裂；切应力τ导致塑性变形和韧性断裂。变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态。(1)任何应力都可用3个主应力σ1、σ2、σ3来表示。(2)

2、τmax=(σ1-σ3)/2；σmax=σ1-υ(σ2+σ3)。(3)α=τmax/σmax=(σ1-σ3)/2[σ1-υ(σ2+σ3)]一、受力分析二、应力状态软性系数41、根据三个主应力，可以按“最大切应力理论”计算最大切应力：τmax=（σ1-σ2）／22、按“最大切应力理论”计算最大切应力：σmax=σ1–ν（σ2+σ3）ν为泊松比（金属材料一般取0.25）α=τmax／σmax=(σ1–σ3)／2σ1-0.5（σ2+σ3）（例如；单向拉伸时的应力状态只有σ1，σ2=σ3=0，ɑ=0.5）5加载方式主应力ασ1σ2σ3三向不等拉伸σ(8／9)σ(8／9)σ0.1三向等拉伸σσσ0单向

3、拉伸σ000.5扭转σ0-σ0.8二向等压缩0-σ-σ1单向压缩00-σ2三向不等压缩-σ-(7／3)σ-(7／3)σ4表2-1不同条件下的应力状态软性系数(ν＝0.25)6α值越大的试验方法，金属越易产生塑性变形和韧性断裂。一般对塑性好的材料在较“硬”的应力状态下考查其脆性倾向；对塑性差的材料在较“软”的应力状态下考查其塑性倾向。α越大，表示应力状态较软，即最大切应力分量较大，表明在最大正应力尚小时，最大切应力得到较充分得发展，因此容易引起塑性变形。反之，α较小时，应力状态较硬，最大正应力分量容易得到发展，导致脆性断裂。7§2.2扭转、弯曲与压缩的力学性能一、扭转及其性能指标图2-1扭转实

4、验机和扭转试样示意图标距部分的直径d0=10mm；标距长度=100mm或50mm。试验机的自动绘图装置可把M—φ曲线同步记录下来。有关指标可根据定义在图上测试。81、扭转的应力状态与轴线呈45º方向上承受σmax，与轴线平行或垂直方向上承受τmax。纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态（图2－2a）。与杆轴成±45°角的螺旋面上分别作用着两个主应力并与最大剪应力τmax绝对值相等，即σ1=τmax=－σ3。因此试样的断口角度直接显示材料是拉断还是剪断、材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接地比较弹性变形阶段：切应力和切应变沿半径方向呈线性分布(图2-2b)。弹塑性变形段：切应变保持线性关系

5、；切应力呈非线性变化(图2-2c)。图2-2扭转试样的应力和应变示意图9扭矩MOABCMp扭转角φM0.3Mbφf2、低碳钢扭转曲线图2-3退火低碳钢扭转曲线1).弹性阶段(OA)：外加扭矩不超过弹性范围时，变形是弹性的,M-φ曲线是直线。在此范围内卸载，试样仍恢复原状，没有残余变形产生。截面上的应力成线形分布，表面的剪应力最大。即τmax=M/Wp2).屈服阶段(AB)：屈服过程是由表面至圆心逐渐进行，这时曲线开始变弯，横截面的塑性区逐渐向圆心扩展，截面上的应力不再是线形分布。出现屈服平台,屈服极限记作τs。3)强化阶段（BC）超过屈服阶段后曲线上升，表明材料又恢复了抵抗变形的能力。低碳钢

6、有很长的强化阶段但没有颈缩直至断裂。试验前在试样表面画的一条母线试验后变成了麻花状，形象的说明了低碳钢断裂前有很大的塑性变形。强度极限记作τb。101)规定非比例扭转应力τP，W为试样截面系数，圆柱样为材料对扭转塑性变形的抗力．2)扭转屈服强度τs为：Ms为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩3)扭转强度极限τb为：4)真实扭转强度极限τf：3、扭转的性能指标Mf为试样断裂时最大扭矩；φf试样断裂时单位长度扭转角115)剪切弹性模量G：式中，l0-标距长；d0-试样直径；M-扭矩；Ip-极惯性矩124、扭转的特点和应用切断断口：断面和试样轴线垂直，有回旋状塑性变形痕迹。切应力作用，塑性材料。正断

7、断口：断面和试样轴线约成45°。呈螺旋状或斜劈状。正应力作用，脆性材料。(1)测定在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性。(2)对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验。(3)精确评定拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力。(4)测定材料的切断强度的最可靠方法。(5)根据断口特征区分断裂方式是正断还是切断。图2-4扭断试样断口特征13二、弯曲及其性能指标图2-5弯曲加载方式(a)三点弯曲