材料的力學行為及性能

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1、第二章材料在其他靜載荷下的力學性能研究材料在常溫靜載荷下的力學性能時，除采用單向靜拉伸試驗方法外，有時還選用壓縮、彎曲、扭轉等試驗方法，目的是：①很多機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承載條件下的力學性能指標，做為設計和選材的依據(jù)；（實際中存在）②不同的加載方式產生不同的應力狀態(tài)，材料在不同應力狀態(tài)中表現(xiàn)的力學性能不完全相同，因此，應選用不同應力狀態(tài)的試驗方法。（和單向拉伸應力狀態(tài)不同）本章介紹壓縮、彎曲、扭轉和剪切等試驗方法及測定的力學性能指標§2.1應力狀態(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力達到其相應的強度極限而產生的。當金屬所受的最大切應力τmax達到屈服強度τs時，產生屈服；當τmax達到切斷強度τk時，產生剪切型斷裂；當最大正應力Smax達到正斷強度Sk時，產生正斷型斷裂。但同一種金屬材料，在一定承載條件下產生何種失效方式，除與自身的強度大小有關以外，還與承載條件下的應力狀態(tài)有關。不同的應力狀態(tài)，其最大正應力與最大切應力的相對大小是不一樣的?？紤]到三向應力狀態(tài)下另外兩向應力的貢獻，因此材料的最大正應力的計算采用第二強度理論給出：即：不再采用Smax＝σ1而采用（第二強度理論）

3、：稱為最大當量正應力最大切應力由第三強度理論給出：10一般將最大切應力與最大當量正應力的比值定義為應力狀態(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系做了概括，即力學狀態(tài)圖。從圖中可以看出：①三向不等拉伸（α<0.5）

4、時，隨著應力的不斷加大，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，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（α＝0.8）時，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力狀態(tài)下表現(xiàn)出不同的斷裂模式，也可稱為在不同應力狀態(tài)條件下的韌脆轉變。（材料在其他外界因素下也會發(fā)生韌脆轉變，因涉及到具體的試驗測試手段，因此后面講。）§2.2材料在軸向壓縮載荷下的力學行為（單向

5、壓縮試驗）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），為防止壓縮時試件失穩(wěn)，試件的高度與直徑之比h0/d0=1.5~2.0，同時h0/d0越大，抗壓強度越低，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的錐體；②壓縮可以看作是反向拉伸，因此，拉伸試驗中所定義的各個力學性能指標和相應的計算公式，在壓縮試驗中基本可以應用；10

6、1－高塑性材料；2－低塑性材料1－拉伸；2－壓縮抗壓強度：相對壓縮率：相對斷面擴脹率：（如果在試驗時材料發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象，還可測定壓縮屈服點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，低塑性材料發(fā)生由剪應力引起的剪切時的斷裂，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。三、特點及應用單向壓縮試驗的應力狀態(tài)柔性系數(shù)α＝2.0（ν＝0.

7、25時），比其他應力狀態(tài)都軟，因此主要用于拉伸時呈脆性的材料的力學性能測試（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行為一、應力應變分析10φ：扭轉角（相對扭轉角）在橫截面上無正應力只有切應力作用；彈性變形階段，橫截面上各點的切應力與徑向垂直，其大小與該點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為內徑W為抗扭截面模量（系數(shù)），有：（實心）或（空心）因切應力作用而在圓桿中產生切應變?yōu)椋簣A桿表面：當表層發(fā)生塑性變形后，各點的切應變仍同該點距中心的距離成正比，

8、但切應力則由于塑性變形而降低。二、扭轉試驗及測定的力學性能（GB10128-88）1.扭轉試樣扭轉試驗主要采