Android-第二章金属在其他静载荷下的力学性能

讲述了金属在其他静载荷下入弯曲，扭转等状态下的力学表现，还涉及缺口效应和硬度值的相关说明

材料力学性能2 金属在其他静载荷下的力学性能

• 应力状态软性系数
  • 材料力学中述及任何复杂的应力状态都可以用三 个主应力表示，可按照最大切应力理论计算切应 力，按照最大相当正应力计算最大正应力，而这 两者的比值就是软性系数
    • 切应力分量越大，表示应力状态越软金属越易于产生塑性变形和韧性断裂
    • 正应力分量越大，表示金属越不易产生塑性变形易于产生脆性断裂
    • 这里有一个问题就是金属在不同的应力状态下的力学表现的差异性是如何产生的 简单理解可以认为金属的成分不均，排列并不平衡，在不同方向上的力学性能具 有各向异性
• 压缩
  • 单向压缩实验的应力状态软性系数α=2，比其他载荷形式都软
  • 塑性比较好的材料在压缩时只发生塑性变形而不会断裂 脆性材料则会产生一点的塑性变形，而后常沿轴线呈45 度方向产生断裂 具有切断特征
  • 试样压致破坏过程中的最大应力称为抗压强度Rmc
  • 曾经就此处提出过压缩状态下的缺口效应问题，暂无解答和确切的答案
• 弯曲
  • 弯曲实验的特点
    • 内部应力主要为正应力，与单向拉伸和压缩时的类似。 表面最大，中心为零。
    • 弯曲试验试样形状简单，操作方便
    • 弯曲试样表面的应力最大，可灵敏的反映材料表面缺陷
  • 弯曲实验主要测定脆性材料或低塑性材料的抗弯强度。 还可测弯曲弹性模量，断裂挠度，断裂能量等
• 扭转
  • 扭转实验的特点
    • 应力状态软性系数=0.8，属于材料的塑性行为
    • 实验过程中材料的变形是均匀的，无缩颈现象
    • 能较敏感的反映材料的表面缺陷和表面硬化层的性能
    • 最大切应力和最大正应力在数值上大致相当
      • 可以区分材料最终断裂方式是正断还是切断
      • 脆性和塑性材料的断口表 现和拉伸实验刚好相反
        • 扭转实验时塑性材料的断口为较规整的平面 ，而脆性材料的断口则会大致沿45度分布
        • 拉伸实验中的情况刚好会相反
  • 扭转实验测定的力学指标
    • 切变模量：弹性范围内的切应力和切应变的比值
    • 扭转屈服强度：有明显拉伸屈服现象的材料也会有扭转屈服现象
    • 抗扭强度：试样在扭断前承受的最大扭矩
• 缺口试样静载荷实验
  • 缺口效应
    • 缺口试样在弹性状态下的应力分布
      • 缺口截面上的应力分布是不均匀的，轴向应力εy在缺口根部最大
      • 薄板缺口拉伸时的弹性 状态下的应力分布
        • σx的出现是金属连续变形的要求的结果
        • 根部处的σx为零是因为此处的金属能自由变形， 向内部发展的阻力增大，故σx增大，但同时σy 逐渐减小故σx会先增大后减小。
      • 缺口造成的第一个效应是缺口根部造成应力集中，应力集中系数Kt只 与缺口几何形状相关kt定义为σmax和σ平均的比值
      • 缺口会导致应力集中，并改变缺口前方的应力状态
    • 缺口试样在塑性状态下的应力分布
      • 缺口根部产生塑性变形，应力会重新分布
      • 因为塑性变形的产生，应力最大的位置有缺口向材料内部迁移
        • 故在缺口的三向应力状态下，试样的屈服强度会比单向拉伸时还高 也就是所谓的缺口强化，说明了缺口会带来的第二个效应：使材料 的塑性降低，强度增高
  • 缺口试样静拉伸实验
    • 缺口敏感度σbn/σb=NSR，即缺口状态下的抗拉强度和之前的抗拉强度的比值 NSR越大，缺口敏感度越小
      • 高强度材料和脆性材料的NSR一般＜1
      • 塑性材料的NSR则一般＞1
  • 缺口试样静弯曲实验
    • 也同样可以反映材料的缺口敏感度
      • 使材料应变分布的不均匀性比拉伸时更甚，而多向性则有所减小
        • 断裂功的大小取决于材料的塑性，与之正相关， 相应的与材料缺口敏感度负相关
• 硬度
  • 金属硬度意义及硬度实验的特点
    • 硬度表征的就是材料的软硬性能和材料的强度之间存在换算关系
    • 划痕法硬度值表征金属的切断强度
    • 回跳法硬度值表征金属的弹性变形功
    • 压入法硬度值表征金属塑性变形抗力和应变硬化能力
  • 硬度实验
    • 布氏硬度实验
      • HBW就是实验力除去压痕面积所得的商
        • 为保证硬度可比性，应保证得到压入角相同的压痕
        • 压痕深度应小于试样厚度的1/8，F/D²应根据材料的预估硬度值选择
        • 对于实验力：1kgf=9.80665N
        • 表示方法为：硬度值 符号HBW 球直径 实验力保持时间（10~15s不标）
      • 优点：硬度值能反映金属在较大范围内的各组成相的平均性能； 实验数据较为稳定，重复性较强
      • 缺点就是需要针对不同的材料采用不同的条件较为麻烦，无法在实际工件上实验，因为压痕较大
    • 洛氏硬度实验
      • HR洛氏硬度以压痕深度表示材料的硬度值
        • 预加载的一个目的是为了冲破氧化层让主应力加载在真实试样上
        • h即深度，h越大说明硬度越低：HR=（k-h）/0.002，每0.002为一个洛氏硬度单位
        • 洛氏硬度值的表示方法：硬度值 符号HR 标尺字母
      • 优点
        • 操作简便
        • 压痕较小，可直接在工件上实验
        • 采用不同标尺可以测定不同金属的硬度
      • 缺点
        • 压痕小，代表性较差
        • 重复性差，结果分散性较大
        • 不同标尺测得的结果之间不能直接相互比较
    • 维氏硬度实验
      • HV维氏硬度也是以压入深度来表示材料硬度值
        • 维氏硬度实验采用正四棱锥的压头是为了保持压痕的几何一致性，保持硬度值的可比性
        • 维氏硬度的表示方法：硬度值 符号HV 实验力 实验力保持时间
      • 优点
        • 没有布氏硬度F/D²的限制
        • 不存在洛氏硬度不同标尺无法统一的问题
      • 缺点
        • 结果的分散性较大，重复性较差
        • 测量较为麻烦
    • 其他硬度实验
      • HK努氏硬度
      • 动载荷实验
        • HS肖氏硬度
        • HL里氏硬度