力学性能模板.pptx

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1、会计学1力学性能模板力学性能模板1.应力状态软性系数定义：最大切应力最大正应力应力状态软性系数第1页/共52页2.几种应力状态下的应力状态软性系数取泊松比单向拉伸：单向压缩：扭转：值越大，切应力所占比例越大，越有利于塑性变形。第2页/共52页第2节 压缩、弯曲与扭转下的力学性能2.1 压缩1.压缩试验特点1)单向压缩试验的应力状态软性系数：=2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软、所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定，以显示这类材料在塑性状态下的力学行为。2)拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。脆性金属材料在拉伸时产生来自于载荷轴线的正断，塑性变形量几乎为零，而在压缩

2、时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线呈45方向产生断裂，具有切断特征。第3页/共52页2.压缩试验下力学性能指标第4页/共52页(a)规定非比例应力pc非比例压缩变形到达规定原始 标 距 百 分 比 时 的 应 力,pc0.01，pc0.2压缩屈服强度sc(b)抗压强度bc试样压制破坏最大应力(c)相对压缩率相对断面扩展率(d)压缩弹性模量Ec第5页/共52页2.2 弯曲1.弯曲试验的特点(1)弯曲试验试佯形状简单、操作方便，可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。(2)弯曲试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷。2.弯曲下的力学性能三点弯曲、四点弯曲试验第6页/共52页一般记录弯曲力F与试

3、样挠度f的关系曲线。在弹性范围为内，受拉侧表面最大弯曲应力M为最大弯矩W为试样弯曲截面系数第7页/共52页力学性能指标(a)规定非比例弯曲应力pb试样弯曲时外侧表面的非比试样弯曲时外侧表面的非比例弯曲应变例弯曲应变 达到规定达到规定值计算的最大弯曲应力。值计算的最大弯曲应力。pb0.01 pb0.2(b)抗弯强度bb压缩弯曲至断裂前最大弯曲力。(c)弯曲弹性模量Eb,断裂挠度fb，及断裂能量。第8页/共52页2.3 2.3 扭转扭转1.1.扭转试验的特点扭转试验的特点1)1)扭转的应力状态软性系数扭转的应力状态软性系数=0.8=0.8，比拉伸时的，比拉伸时的 值大，值大，易于显示金属的塑性行为

4、。易于显示金属的塑性行为。2)2)圆柱形试样扭转时整个长度上塑性交形是均匀的，圆柱形试样扭转时整个长度上塑性交形是均匀的，没有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量的试验。没有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量的试验。3)3)能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。因此，可利用扔转试验研究或检验工件热处理能。因此，可利用扔转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化上艺的效果。的表面质量和各种表面强化上艺的效果。4)4)扭转时试样中的最大正府力与最大切应力在数值上扭转时试样中的最大正府力与最大切应力在数值上大体相等而生产上所使用的大部分金属材料

5、的正大体相等而生产上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切断强度。所以，扭转试验是测定这些断强度大于切断强度。所以，扭转试验是测定这些材料切断强度最可靠的方法。材料切断强度最可靠的方法。第9页/共52页2.扭转下力学性能指标试样尺寸：直径d0=10mm,标距长度l0=50mm 或100mm.获得扭矩T-扭角曲线。第10页/共52页2.2.扭转力学性能指标扭转力学性能指标(a)(a)切变模量切变模量G G弹性范围内，切应力与切弹性范围内，切应力与切应变之比。应变之比。(b)(b)扭转屈服点扭转屈服点 s s 具有明显拉伸物理屈服现具有明显拉伸物理屈服现象的金属材料，扔转试象的金属材料，扔转试验时

6、也同样有屈服现象。验时也同样有屈服现象。(c)(c)抗扭强度抗扭强度 b b 试样在扭断前承受的最大试样在扭断前承受的最大扭短扭短(T(Tb b)，利用弹性扭，利用弹性扭转公式计算的切应力称转公式计算的切应力称为抗扭强度为抗扭强度.第11页/共52页第3节 材料的硬度金属硬度的意义及硬度试验的特点硬度试验方法很多大体上分为压入法(如硬度、洛氏硬度、维氏硬度等)、划痕法(如莫氏硬度)和弹性回跳法(如肖氏硬度)等三类。硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。其物理意义随试验方法不同而不同。例如，划痕法硬度值主要表征金属切断强度；回跳法硬度值主要表征金属弹性变形功的大小：压入法硬度值则表征金属塑性变形

7、抗力及应变硬化能力。因此，硬度不是金属独立的力学性能。第12页/共52页3.1 布氏硬度试验1.测试原理：布氏硬度试验的原理是用一定直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F，将其压入试样表面，经规定保持时间t(s)后，卸除试验力，试样表面将残留压痕。测量压痕平均直径d(mm)，求得压痕球形面积A(mm2)。第13页/共52页布氏硬度值HB就是试验力F除以压痕球形表面积A所得的商其计算公式为 F单位为kgf,D和d单位为mm时:F单位为N D和d单位为mm时:布氏硬度单位：kgf/mm2 一般不标，MPa,标记第14页/共52页2.布氏硬度表示方法压头为淬火钢球：HBS 布氏硬

8、度450以上的太硬材料，因钢球变形已很显著，影响所测数据的正确性，因此不能使用。由于压痕较大，不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于薄件试验。此外，因需测量d值，故被测处要求平稳，操 作和测量都需较长时间，故在要求迅速检定大量成品时不适合。第18页/共52页3.2 洛氏硬度 1.测试原理：测量压痕深度表示材料硬度。压头：a)圆锥角=120的金刚石圆锥体；b)直径=1.588 mm淬火钢球或硬质合金球计算公式：洛氏硬度以压痕深度h来计算。h越大，硬度值越低，为了习惯，洛氏硬度计算公式为：金刚石圆锥压头k=0.2mm，淬火钢球或硬质合金球k=0.26mm.第19页/共52页第20页/共

9、52页2.2.几种不同洛氏硬度标尺几种不同洛氏硬度标尺符号 压头类型 F0(N/kgf)F1(N/kgf)测量范围 应用HRA金刚石圆锥98.07/10490.3/5020-88硬质合金，硬化薄钢板，表面薄层硬化钢HRB=1.588mm 钢球882.6/9020-100低碳钢，铜合金，铁素体可锻铸铁HRC金刚石圆锥1373/14020-70淬火钢，高硬度铸件，珠光体可锻铸铁第21页/共52页符号压头类型F0(N/kgf)F1(N/kgf)测量范围 应用HR15N金刚石圆锥29.42/3117.7/1270-94渗氮钢，渗碳钢，极保钢板，刀刃，零件边缘部分，表面镀层HR30N264.8/2742

10、-86HR45N411.9/4220-77HR15T=1.588mm 钢球29.42/3117.7/126793低碳钢、铜合金、铝合金等薄件HR30T264.8/272982HR45T411.9/42172表面洛氏硬度试验标尺第22页/共52页3.洛氏硬度表示方法60HRBW 50HRC 45HR45N S-淬火钢球，W-硬质合金球。4.洛氏硬度试验的优缺点 优点：1)因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题；2)压痕小，不伤工件表面；3)操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。缺点：1）压痕小，代表性差，不均匀材料，硬度分散性大。2）用

11、不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。第23页/共52页3.3维氏硬度1.测试原理压头为锥面夹角为136的金刚石四棱锥体。第24页/共52页计算公式F单位kgf;d单位mmHV单位：kgf/mm2F单位N;d单位mmHV单位：kgf/mm2通常载荷：100,50,30,20,10,5 kgf100,50,30,20,10,5 kgf 小负荷：小负荷：3,2,1,0.5,0.3,0.2 kgf3,2,1,0.5,0.3,0.2 kgf 第25页/共52页2.维氏硬度表示方法：640HV30/203.维氏硬度特点：a)金刚石四棱锥压头不存在压头变形和更换压头的过程。b)软硬材料都可测，

12、压痕清晰，易于测量。c)HV450与布氏硬度值大致相当。第26页/共52页3.4 3.4 显微硬度显微硬度1.1.测试原理：当测试原理：当HVHV硬度测试载荷减小时，可以测量极硬度测试载荷减小时，可以测量极小范围的小范围的HVHV硬度值。硬度值。载荷：载荷：0.010.01，0.020.02，0.030.03，0.10.1，0.20.2，kgfkgf 10 10，2020，3030，100100，200200，gfgf2.2.表示方法：表示方法：F单位gf;d单位mHV单位：kgf/mm2 340HV0.05340HV0.05第27页/共52页3.53.5硬度与其它力学性能指标的关系硬度与其它

13、力学性能指标的关系不同金属材料不同金属材料k k值不同，同一金属材料，尽管经过热值不同，同一金属材料，尽管经过热处理后处理后k k值基本不变，但冷变形提高硬度，值基本不变，但冷变形提高硬度，k k值不值不在是常数。在是常数。对于钢铁：对于钢铁：第28页/共52页第三章 材料在冲击载荷下的力学性能 引言：1.冲击载荷：高速作用物体上的载荷称为冲击载荷。加载速率比较快102-104/s，加载速率快，材料应变速率快。许多机器零件在服役时往往受冲击载荷的作用，(a)汽车行驶通过道路上的凹坑；(b)飞机起飞和降落的起落架；(c)内燃机膨胀冲程的活塞和连杆；(d)金属压力加工(锻造、模锻)等。实验表明：应

14、变速率10-4-10-2/s范围内，力学性能没有明显变化。但应变速率大于10-2/s性能发生显著变化。第29页/共52页第1节 冲击载荷下材料变形和断裂的特点 弹性变形是以声速在介质中传播的。在金属介质中声速是相当大的，如在钢中为4982 m/s，普通摆锤冲击试验的绝对变形速度只有5-5.5m/s，这样，冲击弹性变形总能紧跟上冲击外力的变化，因而应变率对金应变率对金属材料的弹性行为及弹性模量没有属材料的弹性行为及弹性模量没有影响影响。但是应变率对塑性变形、断裂及有但是应变率对塑性变形、断裂及有关的力学性能能却有显著的影响。关的力学性能能却有显著的影响。第30页/共52页特点：1.材料出现附加的

15、硬化效应 在冲击载荷下，几乎瞬时作用于位错上相当高的应力结果在冲击载荷下，几乎瞬时作用于位错上相当高的应力结果位错运动速率增加，这将使派纳力增大，因为位错宽度及位错运动速率增加，这将使派纳力增大，因为位错宽度及其能量与位错运动速率有关。运动速率越大，则能量越大、其能量与位错运动速率有关。运动速率越大，则能量越大、宽度越小，故派纳力越大。结果滑移临界切应力增大，金宽度越小，故派纳力越大。结果滑移临界切应力增大，金属产生附加强化。属产生附加强化。2.塑性变形极不均匀由于冲击载荷下应力水平比较高，将使许多位错源同时开动，由于冲击载荷下应力水平比较高，将使许多位错源同时开动，结果抑制了单晶体中的易滑移

16、阶段的产生和发展。此外，结果抑制了单晶体中的易滑移阶段的产生和发展。此外，冲击载荷还增加位锗密度和滑移系数目、出现孪晶，减小冲击载荷还增加位锗密度和滑移系数目、出现孪晶，减小位错运动自由行程平均长度，增加点缺陷浓度。使金属材位错运动自由行程平均长度，增加点缺陷浓度。使金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。显微观察表料在冲击载荷作用下塑性变形难于充分进行。显微观察表明，在静载荷下下，塑性交形比较均匀地分布在各个晶粒明，在静载荷下下，塑性交形比较均匀地分布在各个晶粒中；而在冲击载荷下，塑性变形则比较集中在某些局部区中；而在冲击载荷下，塑性变形则比较集中在某些局部区域这反映了塑性变形是极不均

17、匀的。域这反映了塑性变形是极不均匀的。第31页/共52页3.在高形变速率下某些金属可能显示较高的塑性如密排六方金属爆炸成形。4.塑性和韧性随应变率增加而变化的特征与断裂力式有关。如在一定加载规范和温度下，材料产生正断。则断裂应力变化不大，塑性随应变率增加而减小；如果材料产生切断，则断裂应力随应变率提高显著增加，塑性可能不变也可能提高。第32页/共52页第2节 缺口试样的力学性能1.缺口效应缺口：截面急剧变化的部位，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。缺口效应：出于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，从而影响金属材料的力学性能，产生所谓“缺口效应”。第33页/共52

18、页2.缺口试样在弹性状态下应力分布第34页/共52页特点：特点：a)a)缺口出现应力集中，应力集中系数缺口出现应力集中，应力集中系数K Kt t(缺口几何缺口几何参数，只与缺口形状、深度、角度和根部曲率参数，只与缺口形状、深度、角度和根部曲率半径有关，与材料无关半径有关，与材料无关)。b)b)在在x x轴和轴和Z Z轴方向出现应力分布，它是材料在该方轴方向出现应力分布，它是材料在该方向收缩引起的。向收缩引起的。假如沿假如沿x x方向将薄板等分成很多细小的纵向拉伸试样，每个方向将薄板等分成很多细小的纵向拉伸试样，每个小试样受拉伸作用，根据小试试样所处位置不同，它们小试样受拉伸作用，根据小试试样所

19、处位置不同，它们所受的应力大小也不一样，越靠近缺口根部，应力越大，所受的应力大小也不一样，越靠近缺口根部，应力越大，相应的纵向应变也越大。每一小试样在产生纵向应变时，相应的纵向应变也越大。每一小试样在产生纵向应变时，必然要产生横向收缩应变必然要产生横向收缩应变 ，旦，旦。如果核向收缩能自由进行，则每个小试样将彼此分离开。如果核向收缩能自由进行，则每个小试样将彼此分离开来。们是实际上薄板是弹性连续介质不允许各部分来。们是实际上薄板是弹性连续介质不允许各部分自由收缩变形。由于此种约束各小试样在相邻界面上自由收缩变形。由于此种约束各小试样在相邻界面上必然要产生横向拉应力，以阻止横向收缩。必然要产生横

20、向拉应力，以阻止横向收缩。第35页/共52页缺口第一个效应：缺口存在，引起应力集中，并改变缺口前方应力状态，由原来的单向应力改变为两向或三向应力状态。3.缺口试样在弹塑性下的应力分布对于塑性较好的金属材料，若缺口根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大塑性区逐渐扩大，直至整个截面上都产生塑性变形。第36页/共52页多向应力状态下的屈服判据：Tresca最大切应力判据：Mises 畸变能判据：其中 三个方向的主应力，且且第37页/共52页对于厚板缺口试样对于厚板缺口试样根据根据Tresca最大切应力判据：在缺口根部在缺口内部，应力增加到塑性区与弹性区交界处。第38页/共52页缺口第二个效

21、应缺口使塑性材料强度增加，塑性降低，脆断倾向加大第39页/共52页1 1）冲击弯曲实验）冲击弯曲实验 缺口试样冲击弯曲试缺口试样冲击弯曲试验原理如图所示。验原理如图所示。试样为试样为U U型缺口或型缺口或V V型型缺口，分别成为夏缺口，分别成为夏比比U U型缺口或夏比型缺口或夏比V V型缺口型缺口尺寸尺寸10101055mm1055mm3 34.4.冲击弯曲实验和冲击韧性冲击弯曲实验和冲击韧性冲击弯曲实验和冲击韧性冲击弯曲实验和冲击韧性第40页/共52页2 2）冲击功、冲击韧性）冲击功、冲击韧性冲击功：试样在冲击载荷下变形和断裂所消耗的功。冲击功：试样在冲击载荷下变形和断裂所消耗的功。韧性：材

22、料在断裂前韧性：材料在断裂前 吸收塑性变形功和断裂功的能力。吸收塑性变形功和断裂功的能力。静力韧性：静拉伸载荷下，静力韧性：静拉伸载荷下，冲击韧性：冲击载荷下，冲击韧性：冲击载荷下，韧度：韧性的度量。韧度：韧性的度量。静力韧度：金属材料在静拉伸载荷下单位体积断裂前静力韧度：金属材料在静拉伸载荷下单位体积断裂前所吸收的功。所吸收的功。冲击韧度：单位面积冲击功冲击韧度：单位面积冲击功B B冲击试样的净截面积冲击试样的净截面积第41页/共52页3)冲击功（冲击能）与测试温度的关系第42页/共52页4）冲击韧性的应用(a)控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量。通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口

23、分析可揭示原材料中的夹渣、气泡、严重分层、偏祈以及夹杂物超级等冶金缺陷；检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷。(2)根据系列冲击试验(低温冲击试验)可得AKU或AKV与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度。据此可以评定材料的低温脆性倾向，供选材时参考或用于抗脆断设计。设计时，要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。第43页/共52页第第第第3 3节节节节 低温脆性低温脆性低温脆性低温脆性 1.低温脆性现象及韧脆转变温度TK系列冲击实验证明：体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度Tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击

24、吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。转变温度TK称为韧脆转变温度或冷脆转变温度 第44页/共52页2.2.低温脆性产生的原因低温脆性产生的原因低温脆性产生的原因低温脆性产生的原因材料低温脆性的产生与其屈服强度s和断裂强度c随温度的变化有关 第45页/共52页3.3.韧脆转变温度韧脆转变温度T TKK的确定的确定第46页/共52页1)1)按能量定义按能量定义T TK K的方法：的方法：a)a)当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能量基本不随当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为温度而变化，形成一平台，

25、该能量称为“低阶能低阶能”。以低阶能开始上升的温度定义为以低阶能开始上升的温度定义为T TK K，记为，记为NDT.NDT.b)b)高于某一温度，材料吸收的能量也基本不变，出现一高于某一温度，材料吸收的能量也基本不变，出现一个上平台，称为个上平台，称为“高阶能高阶能”。以开始的高阶能对应。以开始的高阶能对应的温度为的温度为T TK K，记为，记为FTPFTP。c)c)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义T TK K，记为，记为FTEFTE。2)2)按断口形貌定义按断口形貌定义T TK K的方法：的方法：实验表明：温度下降，断口纤维区面积减小，结晶区面实验表明

26、：温度下降，断口纤维区面积减小，结晶区面积增大，材料由韧变脆。取结晶区面积占整个断口积增大，材料由韧变脆。取结晶区面积占整个断口面积面积50%50%时的温度为时的温度为T TK K，记为，记为FATTFATT5050第47页/共52页韧脆转变温度TK的实际应用韧脆转变温度TK也是材料韧性指标，反映温度对韧性的影响。一般选用材料应该具有一定的韧性温度储备，即具有一定的值，=T0-TK其中T0为使用温度。为保证安全，要求：=60度 冲击载荷重要零件=20度 不受冲击载荷的非重要零件=40度 介于二者之间。第48页/共52页4.4.影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素1)

27、1)晶体结构晶体结构 体体心心立立方方金金属属及及其其合合金金存存在在低低温温脆脆性性，面面心心立立方方金金属属及及其其合合金金一一般般不不存存在在低低温温脆脆性性 。中中、低低强强度度钢钢的的基基体体是是体体心心立立方方结结构构的的铁铁素素体体，故故都都有有明明显显的的低低温温脆脆性。性。2)2)化学成分化学成分(a)(a)间间隙隙溶溶质质元元素素含含量量增增加加，高高阶阶能能下下降降，韧韧脆脆转转变变温温度度提提高高(b)(b)加加入入置置换换型型溶溶质质元元素素(Ni(Ni、MnMn例例外外)一一般般也也降降低低高高阶阶能能，提提高高韧韧脆脆转转变变温温度度，但但这这种种影影响响较较间间

28、隙隙溶溶质质原原子子小小很很多多(c)(c)杂杂质质元元素素S S、P P、PbPb、SnSn、AsAs等等使使钢钢的的韧韧性性下下降降。这这是是由由于于它它们们偏偏聚聚于于晶晶界界，降降低低晶晶界界表表面面能能，产产生生沿沿晶晶脆脆性性断断裂裂，同同时时降降低低脆脆断应力所致断应力所致 第49页/共52页3)3)显微组织显微组织(a)(a)晶粒尺寸：细化晶粒可使材料韧性增加。晶粒尺寸：细化晶粒可使材料韧性增加。铁素体晶粒尺寸铁素体晶粒尺寸d d与与T TK K满足下列关系：满足下列关系：马马氏氏体体板板条条束束宽宽度度、上上贝贝氏氏体体铁铁素素体体条条束束宽宽度度、原原始始奥氏体晶粒尺寸和韧

29、脆转变温度也有类似的关系。奥氏体晶粒尺寸和韧脆转变温度也有类似的关系。第50页/共52页细化晶粒增加韧性的原因：细化晶粒增加韧性的原因：细化晶粒增加韧性的原因：细化晶粒增加韧性的原因：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿品脆性断裂生沿品脆性断裂(b)(b)金相组织金相组织 (1)(1)在在较较低低强强度度水水平平，强强度度相相同同而而组组织织不不同同的的钢钢，其其冲冲击击吸吸收收功功和和韧韧脆脆转转变变温温度

30、度以以回回火火索索氏氏体体最最佳佳，贝贝氏氏体体回回火火组组织织次次之之，片片状状珠珠光光体体组组织织最最差差(2)(2)在在较较高高强强度度水水平平时时，中中、高高碳碳钢钢经经等等温温淬淬火火获获得得下下贝贝氏氏体体组组织织，其其冲冲击击吸吸收收功功和和韧韧脆脆转转变变温温度度优优于于同同强强度度的的淬淬火火马马氏氏体体并并回回火火的的组组织织.(3).(3)在在相相同同强强度度水水平平，典典型型上上贝贝氏氏体体的的韧韧脆脆转转变变温温度度高高于于下下贝贝氏氏体体的的韧韧脆脆转转变变温温度度(4)(4)马马氏氏体体钢钢中中存存在在奥奥氏氏体体，可可以以抑抑制制解解理理断断裂裂，显显著著改改善善钢钢的的韧韧性性，马马氏氏体体板板条条间间的的残残余余奥奥氏氏体体也也可可以以显显著著改改善善材材料料韧韧性性。(5)(5)钢钢中中碳碳化化物物及及夹夹杂杂物物等等第第二二相相尺尺寸寸增增加加，材材料料的的韧韧性性下下降降，韧韧脆脆转转化化温温度度升升高高第第二二相相的的形形状状对对材材料料脆脆性性也也有有影响，球状第二相材料的韧性较好影响，球状第二相材料的韧性较好 第51页/共52页