第二章 金属在其他静载荷下的力学性能(1)

第二章 金属在其他静载荷下的力学性能(1)思维导图。导图从研究金属在常温静载荷下的力学性能、应力状态软件系数、缺口试样静载荷试验、硬度等方面作了知识梳理。

第二章 金属在其他静载荷下的力学性能（无压缩弯曲扭转）

• 研究金属在常温静载荷下的力学性能
  • 方法：单向静拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切
  • 原因：实际：弯矩扭矩轴向压力应力集中；不同的加载方式→应力状态→力学行为
• 应力状态软性系数
  • 金属所承受的应力达到其相应的强度极限时即产生失效
    • 最大切τmax→屈服强度 τs →屈服;
    • 当τmax→切断强度 τk →剪切型断裂;
    • 当最大正应力σmax→正断强度→正断型断裂。
  • 公式
  • 应力状态分析
    • “软“→τmax↑，塑性变形和韧性断裂；
    • “硬”→σmax↑，塑性变形↓ 产生脆性断裂；
  • 应用
    • 单向静拉伸，较硬，一般适用于塑性变形抗力与切断强度较低的塑性材料试验；
    • 正断强度较低的脆性材料，拉伸将产生脆性正断，显示不出韧性状态下所表现的各种力学行为。若在压缩、扭转等应力状态较“软”的加载方式下试验，可揭示客观存在而在静拉伸下不能反映的塑性性能；
    • 对于塑性较好的金属材料，则常采用更“硬”的三向不等拉伸的加载方法，使之显示其脆性倾向；
• 缺口试样静载荷实验
  • 缺口效应
    • 缺口
      • 宏观：试样或工件的截面急剧变化处；油孔、键槽、螺纹、台阶等
      • 微观：晶界、夹杂、组织不均匀处、粗大第二相、微裂纹及螺纹、夹角、倒角、台阶半径过小处
      • 理论应力集中系数（手册）：
        • 与材料性质无关，只决定于缺口几何形状
    • 缺口试样在弹性状态下的应力分布
      • 薄板缺口
        • 应力分布不均匀，根部产生应力集中：σy在缺口根部最大，离根部越远，越小。
        • 材料横向收缩引起横向拉应力σx, 根部为0,自根部向内,先↑后↓
        • 带缺口薄板受拉时，垂直板面自由收缩变形， ∴σz＝0
        • 缺口内侧为两向拉伸的平面应力状态
        • 缺口根部σx＝0，为单向拉伸应力状态；
      • 厚板缺口
        • 带缺口厚板受拉时，垂直板面收缩变形受到约束 (εz=0), ∴σz≠0， σz＝ν(σx+σy)
        • 缺口内侧为三向拉伸的平面应变状态； σy>σz>σx
        • 缺口根部σx＝0，为两向拉伸（平面）应力状态；
    • 缺口试样在塑性状态下的应力分布
    • 缺口效应
      • 现象
        • 应力状态变“硬”（由单向拉应力变为三向拉应力）；
        • 产生应力集中；
      • 无论是脆性材料或塑性材料，缺口均因造成两向或三向应力状态和应力应变集中而产生变脆倾向， 促发裂纹的生成与扩展，降低使用安全性。
  • 缺口试样静拉伸实验
    • 分类
      • 轴向拉伸
      • 偏斜拉伸
    • 缺口敏感度
  • 缺口试样静弯曲实验
    • 指标
      • 断裂时的残余挠度
      • 断裂功的大小
    • 缺口试样静弯曲曲线
      • 只发生弹性变形的弹性功Ｉ
      • 发生塑性变形的变形功Ⅱ
      • 在达到最大载荷Fmax时试样即出现裂纹。载荷到F1点时裂纹开始迅速扩展，直至试样完全破断。面积Ⅲ对应断裂功
      • 断裂功的大小取决于材料塑性，塑性越好，裂纹扩展越慢，断裂功越大
      • 用断裂功或Fmax/F1来表示材料的缺口敏感度。断裂功↑或Fmax/F1 ↑缺口敏感度↓
      • 断裂功＝0或Fmax/F1 =1时，缺口敏感度最大
• 硬度
  • 分类
    • 划痕硬度
    • 回跳硬度
    • 压痕硬度
      • 布氏硬度
        • 原理：用负荷F，将直径为D的硬质合金球压入试样表面，并保持一段时间，而后卸除载荷，计算压痕面积A。
        • 公式：
        • 表示方法：450HBW1/30/30 (硬度值/符号/压头直径/试验力/保压时间)
        • 注意：由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。 要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，要保证压入角相等，故F/D2应为常数。
        • 特点
          • 优点： 测量时压坑较大，误差小，试验数据稳定，重复性强，能准确地反映试验的真实硬度；
          • 缺点
            • 不适宜成品零件或薄件硬度测量，通常用作毛坯和原材料检验；
            • 操作麻烦；
      • 洛氏硬度
        • 原理：采用金刚石120°圆锥体或淬火钢球、硬质合金球压入金属表面，在规定的载荷下根据压入深度来度量材料硬度。
        • 常用：HRA, HRB, HRC
        • 硬度值计算：HRC＝(0.2-h)／0.002＝100- h／0.002
        • 表示：硬度值、HR、标尺字母
        • 表面洛氏硬度：
          • 洛氏硬度施加的压力大，不宜用于测定极薄的工件和表面硬化层。发展了表面洛氏硬度试验。
          • 特点
            • 预载荷为3kgf(29.42N)，总载荷比较小，分别为15kgf, 30kgf和45kgf(441.3N)
            • 取t＝0.1mm时的洛氏硬度为零，深度每增大0.001mm, 表面洛氏硬度降低一个单位
        • 特点
          • 优点
            • 硬度值可从硬度计的表盘上直接读出，故测定洛氏硬度更为简便迅速,工效高
            • 对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验
            • 加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响
          • 缺点
            • 不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较
            • 由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差
      • 维氏硬度
        • 原理：与布氏硬度相似，根据压痕凹痕面积上单位应力作为硬度值计量。 不同点：压头采用锥面夹角为136°的金刚石四方角锥体
        • 公式：
        • 特点
          • 适用范围宽（软的材料+硬的材料）
          • 维氏硬度有连续一致的标度，试验时负载可任意选择， 所得硬度值相同
          • 精确可靠
      • 其他：努氏、肖氏、里氏