材料的力學(xué)行為及性能

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1、第二章材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能研究材料在常溫靜載荷下的力學(xué)性能時(shí)，除采用單向靜拉伸試驗(yàn)方法外，有時(shí)還選用壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等試驗(yàn)方法，目的是：①很多機(jī)件在服役過程中常承受彎矩、扭矩或軸向壓力的作用，有必要測定試樣在相應(yīng)承載條件下的力學(xué)性能指標(biāo)，做為設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)；（實(shí)際中存在）②不同的加載方式產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)，材料在不同應(yīng)力狀態(tài)中表現(xiàn)的力學(xué)性能不完全相同，因此，應(yīng)選用不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)方法。（和單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)不同）本章介紹壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切等試驗(yàn)方法及測定的力學(xué)性能指標(biāo)§2.1應(yīng)力狀態(tài)柔度因數(shù)（軟性系數(shù)）一、柔度因數(shù)塑性變形和斷裂是金屬材

2、料在靜載荷下失效的兩種主要形式，它們是金屬所能承受的應(yīng)力達(dá)到其相應(yīng)的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。當(dāng)金屬所受的最大切應(yīng)力τmax達(dá)到屈服強(qiáng)度τs時(shí)，產(chǎn)生屈服；當(dāng)τmax達(dá)到切斷強(qiáng)度τk時(shí)，產(chǎn)生剪切型斷裂；當(dāng)最大正應(yīng)力Smax達(dá)到正斷強(qiáng)度Sk時(shí)，產(chǎn)生正斷型斷裂。但同一種金屬材料，在一定承載條件下產(chǎn)生何種失效方式，除與自身的強(qiáng)度大小有關(guān)以外，還與承載條件下的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。不同的應(yīng)力狀態(tài)，其最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力的相對大小是不一樣的?？紤]到三向應(yīng)力狀態(tài)下另外兩向應(yīng)力的貢獻(xiàn)，因此材料的最大正應(yīng)力的計(jì)算采用第二強(qiáng)度理論給出：即：不再采用Smax＝σ1而采用（第二強(qiáng)度理論）

3、：稱為最大當(dāng)量正應(yīng)力最大切應(yīng)力由第三強(qiáng)度理論給出：10一般將最大切應(yīng)力與最大當(dāng)量正應(yīng)力的比值定義為應(yīng)力狀態(tài)柔度因數(shù)（軟性系數(shù)）α不同加載方式下的軟性系數(shù)α值（ν＝0.25）加載方式主應(yīng)力軟性系數(shù)ασ1σ2σ3三向等拉伸σσσ0三向不等拉伸σ(8/9)σ(8/9)σ0.1單向拉伸σ000.5扭轉(zhuǎn)σ0－σ0.8二向等壓縮0－σ－σ1.0單向壓縮00－σ2.0三向壓縮－σ－2σ－2σ∞二、弗里德曼圖與材料的韌脆轉(zhuǎn)變弗里德曼考慮了材料在不同狀態(tài)下的極限條件與失效形式，用圖解的方法把它們的關(guān)系做了概括，即力學(xué)狀態(tài)圖。從圖中可以看出：①三向不等拉伸（α<0.5）

4、時(shí)，隨著應(yīng)力的不斷加大，直到與Sk線相交，即發(fā)生正斷，它與τs10線不相交，故無宏觀塑性變形，屬正斷型脆性斷裂；②單向拉伸（α＝0.5）時(shí)，先與τs線相交，發(fā)生塑性變形（屈服），然后與Sk線相交，發(fā)生正斷，屬正斷型的韌性斷裂；③扭轉(zhuǎn)（α＝0.8）時(shí)，先與τs線相交，發(fā)生塑性變形（屈服），然后與τk線相交，發(fā)生切斷，屬于切斷型的韌性斷裂。即：相同的材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出不同的斷裂模式，也可稱為在不同應(yīng)力狀態(tài)條件下的韌脆轉(zhuǎn)變。（材料在其他外界因素下也會(huì)發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變，因涉及到具體的試驗(yàn)測試手段，因此后面講。）§2.2材料在軸向壓縮載荷下的力學(xué)行為（單向

5、壓縮試驗(yàn)）一、試樣型式常用的壓縮試樣為圓柱體（也可采用立方體或棱柱體），為防止壓縮時(shí)試件失穩(wěn)，試件的高度與直徑之比h0/d0=1.5~2.0，同時(shí)h0/d0越大，抗壓強(qiáng)度越低，因此對于幾何形狀的試件，需要保證h0/d0為定值。（GB7314-87）二、試驗(yàn)過程①為保證兩端面的自由變形，試件的兩端面必須光滑平整（涂潤滑油、石墨）；或者將試樣的端面加工成圓錐凹面，使錐面的傾角等于摩擦角，即tanα＝f，f為摩擦因數(shù)，也要將壓頭改成相應(yīng)的錐體；②壓縮可以看作是反向拉伸，因此，拉伸試驗(yàn)中所定義的各個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)和相應(yīng)的計(jì)算公式，在壓縮試驗(yàn)中基本可以應(yīng)用；10

6、1－高塑性材料；2－低塑性材料1－拉伸；2－壓縮抗壓強(qiáng)度：相對壓縮率：相對斷面擴(kuò)脹率：（如果在試驗(yàn)時(shí)材料發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象，還可測定壓縮屈服點(diǎn)σsc）（上圖中的曲線2是低塑性材料的壓縮曲線，在軸向壓縮時(shí)，低塑性材料發(fā)生由剪應(yīng)力引起的剪切時(shí)的斷裂，斷口表面與壓力軸線呈45o角，如灰鑄鐵；而脆性材料斷口表面和壓力軸線平行，如陶瓷材料）③但兩者存在差別，如壓縮時(shí)試件不是伸長而是縮短，橫截面不是縮小而是漲大，另外，塑性材料壓縮時(shí)不發(fā)生變形而不斷裂，壓縮曲線一直上升，因此，塑性材料很少做壓縮試驗(yàn)。三、特點(diǎn)及應(yīng)用單向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)柔性系數(shù)α＝2.0（ν＝0.

7、25時(shí)），比其他應(yīng)力狀態(tài)都軟，因此主要用于拉伸時(shí)呈脆性的材料的力學(xué)性能測試（例如鑄鐵、陶瓷、軸承合金、水泥和磚石），且能顯示出一定的塑性變形行為?！?.3材料在扭矩作用下的力學(xué)行為一、應(yīng)力應(yīng)變分析10φ：扭轉(zhuǎn)角（相對扭轉(zhuǎn)角）在橫截面上無正應(yīng)力只有切應(yīng)力作用；彈性變形階段，橫截面上各點(diǎn)的切應(yīng)力與徑向垂直，其大小與該點(diǎn)距中心的距離成正比；（：距中心距離；：極慣矩）對于圓桿表面，有：d0為外徑d1為內(nèi)徑W為抗扭截面模量（系數(shù)），有：（實(shí)心）或（空心）因切應(yīng)力作用而在圓桿中產(chǎn)生切應(yīng)變?yōu)椋簣A桿表面：當(dāng)表層發(fā)生塑性變形后，各點(diǎn)的切應(yīng)變?nèi)酝擖c(diǎn)距中心的距離成正比，

8、但切應(yīng)力則由于塑性變形而降低。二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)及測定的力學(xué)性能（GB10128-88）1.扭轉(zhuǎn)試樣扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要采