金属在其他静载荷作用下的力学性能资料.docVIP

第二章 金属在其他静载荷作用下的力学性能 （Chapter 2 Mechanical properties of Metals under other static loads） 概述（Brief Introduction） 在工业生产中，实际应用的材料及其零件除受到单向拉伸载荷外，还会受到诸如压缩(如各种支撑柱)、弯曲（如桥梁）、扭转（如各种轴类零件）、挤压、轧制及冲裁等，而在不同的载荷作用下，金属材料所表现出来的性能是有很大的区别，因此必须进行研究以解决材料或零件在服役过程中所碰到的问题。 2-1 应力状态软性系数（soft coefficient of stress） 塑性变形和断裂（韧性或脆性）是金属材料在静载荷作用下失效的主要形式。同一种材料，由于受载荷方式不同（即所受到的应力状态不同），其破坏方式断裂方式也不同。 当 ，发生塑性变形（即临界切应力） 当 ，发生塑性变形并切断 当 ，产生正断（脆性） 其中 τs τk σk 是常数。 可见研究材料的应力状态是极其重要的。 从弹性力学可知：任何复杂的应力状态都可以用三个主应力σ1 σ2 σ3（σ1＞ σ2＞ σ3）来表示。 则最大剪切应力为： （2-1） 最大正应力为： （2-2） 式中， 为泊松比 若取=0.25 ，则 （2-3） 称为应力状态软性系数。在实验中，如越大，则最大临界分切应力τmax也越大，表示应力状态越“软”，即材料越易产生塑性变形与韧性断裂。 常见不同加载方式下应力状态以及软性系数见下表。 表2-1 不同加载方式的应力状态软性系数（） 加载方式 主应力 ( (1 (2 (3 三向不等拉伸 ( （8/9）( （8/9）( 0.1 单向拉伸 ( 0 0 0.5 扭转 ( 0 -( 0.8 二向等压缩 0 -( -( 1 单向压缩 0 0 -( 2 三向不等压缩 -( -（7/3）( -（7/3）( 4 从表中应力软性系数可知，当材料塑性较高，可以使用单向静拉伸进行研究，尽管其应力状态较硬，材料仍会发生韧性断裂。相反，当材料脆性较高，为了研究该材料的塑性指标，则应使用应力状态较软的加载方式，如扭转、压缩等。 2-2 压缩（compression） 特点（Characteristic） 由于压缩的应力状态软性系数，所以该方法适用于测定脆性材料的韧性指标或测定承受多向压力零件的相关性能。 压缩实验（Compression test） 1. 压缩试样(Sample of compression) 压缩试样可分为两种: 圆形 L=(2.5~3.5)D 正方形 L=(2.5~3.5)a 其中L：试样长度。D：圆形试样直径。(：正方形试样边长。 2. 压缩性能指标(Quota of compression properties) 图2-1是脆性金属材料在拉伸和压缩载荷下的力学行为曲线。图2-2为典型的力—变形压缩试验曲线。 图2-1 脆性金属材料在拉伸和压缩载荷下的曲线 从上图可见，同一材料在不同的应力状态下（即不同的应力软性系数），其力学行为是明显不同。 图2-2为典型的力—变形压缩试验曲线 从图2-2曲线可见，压缩曲线与拉伸曲线基本一样，其性能指标有： ① 规定非比例压缩应力σρc——表示试样标距内的非比例压缩变形达到规定的原始的百分数，也即表示材料开始进入塑性变形状态。如：σρc0.01、σρc0.2等。 具体求解方法如下： 先从压缩的力—变形曲线上标出OC长度。 （2-4） 式中Lo：试样原始标距。n：曲线放大倍数。：压缩变形量。 然后应用下式即可计算出非比例压缩应力。 （2-5） ② 抗压强度σbc——试样压至破坏过程中的最大抗压应力。可按下式计算。 （2-6） 另外还可以测定压缩杨氏模量，对于在压缩时能产生明显屈服现象的材料，还可以测定压缩屈服强度。至于压缩塑性指标要靠压缩的最大变形量来定性比较。 2-3 弯曲（Bending） （一）特点（Characteristic） 杆状材料受弯后，其内部应力主要为正应力，与单向拉伸和压缩时产生的应力雷同，但由于杆件截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，因此只有弯曲实验才能较灵敏地反映材料的表面缺陷（如渗层和表面涂层、淬火层等）。 弯曲实验具有试样形状简单、操作方便，又不存在拉伸时试样的偏斜等特点，因而应用领域还是比较多的。 （二）弯曲实验（Bending test） 1. 试样(Sample)： 弯曲试样有圆形(d=5~45mm)或矩形两种，其尺寸如下： 圆形：Ls=10d0 (Ls