其他静加载下的力学性能

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1、进入网络实验室 第三章 其他静加载下的力学性能 进入网络实验室 3.2 扭转试验 3.2.1 应力应变分析 进入网络实验室 进入网络实验室 进入网络实验室 切应力 切应变 在弹性变形范围内 ， 材料力学给出 了圆杆表面的 切应力 计算公式如下 =M / W （ 3-1） 进入网络实验室 式中 M为扭矩； W为截面系数。对于实心圆杆， W d03 16；对于空心圆杆 ,W=d03(1 -d14/d04) 16,其中 d0为外径， d1为内径。 因切应力作用而在圆杆表面产生的 切应变 为 =tg=d0/2l0 100 （ 3-2） 式中 为圆杆表面任一平行于轴线的直线因 的作用而转动的角度 ,见图

2、 3-1(a)； 为扭转角 ;l0 为杆的长度。 进入网络实验室 3.2.2 扭转试验及测定的力学性能 扭转试验采用圆柱形 (实心或空心 )试件 , 在扭转试 验机上进行。扭转试件如图 3-2所示 (略 ), 标距为 100mm； 有时也采用标距为 50mm的短试件。 0 0 K M b M 0.3M EM p 扭矩 M 扭转角 进入网络实验室 利用扭转图，确定材料的切变模量 G， 扭转比例极限 p, 扭转屈服强度 0.3, 和抗扭强度 切变模量 G = / =32Ml0 ( d04) 3-3) 扭转比例极限 p p=Mp/W (3-4) 式中 Mp为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩。 扭转屈服强

3、度 0.3 0.3 = M0.3 /W (3-5) 式中 M0.3为残余扭转切应变为 0.3%时的扭矩。 进入网络实验室 抗扭强度 b=Mb/W (3-6) 式中 Mb为试件断裂前的最大扭矩。 3.2.3 扭转试验的特点及应用 (1)扭转时应力状态的柔度系数较大 ， 因而可用于测定那些 在拉伸时表现为脆性的材料 ， 如淬火低温回火工具钢的塑 性 。 (2)圆柱试件在扭转试验时 ， 整个长度上的塑性变形始终是 均匀的 ， 其截面及标距长度基本保持不变 ， 不会出现静拉 伸时试件上发生的颈缩现象 。 因此 ， 可用扭转试验精确地 测定高塑性材料的变形抗力和变形能力 ， 而这在单向拉伸 或压缩试验时

4、是难以做到的 。 (3)扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式 ， 正断或切 断 。 进入网络实验室 (4)扭转试验时，试件截面上的应力应变分布 表明，它将对金属 表面缺陷显示很大的敏感 性 因此，可利用扭转试验研究或检验工件 热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效 果。 (5)扭转试验时，试件受到较大的切应力，因 而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形 的非同时性的问题，如弹性后效、弹性滞后 以及内耗等 进入网络实验室 综上所述，扭转试验可用于测定塑性材料 和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学 性能指标，并且还有着其它力学性能试验 方法所无法比拟的优点。因此，扭转试验 在科研和生产检验中得到较

5、广泛地应用。 然而，扭转试验的特点和优点在某些情况 下也会变为缺点，例如，由于扭转试件中 表面切应力大，越往心部切应力越小，当 表层发生塑性变形时，心部仍处于弹性状 态 (见图 3-1(c)。因此，很难精确地测定表 层开始塑性变形的时刻，故用扭转试验难 以精确地测定材料的微量塑性变形抗力。 进入网络实验室 3.3 弯曲试验 3.3.1 弯曲试验方法 进入网络实验室 通常用弯曲试件的最大挠度 fmax表征材料 的变形性能。试验时，在试件跨距的中 心测定挠度，绘成 P-fmax关系曲线，称 为弯曲图。图 3-7表示三种不同材料的 弯曲图。 进入网络实验室 0 0 P 位移 图 3-7 典型的弯曲图

6、， （ a）塑性材料，（ b）中等塑性材料，（ c）脆性材料 进入网络实验室 对于脆性材料 ， 可根据弯曲图 (见图 3- 7(c)， 用下式求得抗弯强度 bb bb=Mb/W (3-11) 式中 Mb为试件断裂时的弯矩 ， W为截面抗 弯系数 ， 可根据弯曲图上的最大载荷 Pb, 按下式计算： 对三点弯曲试件 : Mb=PbL 4. 对四点弯曲试件 : Mb=PbK 2 进入网络实验室 6.3.2 弯曲试验的应用 用于测定灰铸铁的抗弯强度 ， 灰铸 铁的弯曲试件一般采用铸态毛坯圆 柱试件 。 用于测定硬质合金的抗弯强度 ， 硬 质合金由于硬度高 ， 难以加工成拉 伸试件 ， 故常做弯曲试验以

7、评价其 性能和质量 。 陶瓷材料的抗弯强度测定 。 进入网络实验室 3.4 压缩试验 3.4.1 单向压缩试验 单向压缩时应力状态的柔度系数大 ， 故用于测定 脆性材料 ， 如铸铁 、 轴承合金 、 水泥和砖石等的 力学性能 。 由于压缩时的应力状态较软 ， 故在拉伸 、 扭转和 弯曲试验时不能显示的力学行为 ， 而在压缩时有 可能获得 。 压缩可以看作是反向拉伸 。 因此 ， 拉伸试验时所 定义的各个力学性能指标和相应的计算公式 ， 在 压缩试验中基本上都能应用 。 进入网络实验室 图 3-8 压缩载荷变形曲线 ,1-塑性材料， 2-脆性材料 0 0 2 1 b s e p 压缩应力 相对缩

8、短 进入网络实验室 根据压缩曲线，可以求出压缩强度和塑性指标。对于低 塑性和脆性材料，一般只测抗压强度 bc，相对压缩 ck 和相对断面扩胀率 ck。 抗压强度 bc bc=Pbc/A0 (3-13) 相对压缩 ck ck=(h0-hk)/h0 100 (3-14) 相对断面扩胀率 ck ck=(Ak-A0)/A0 100 (3-15) 式中 Pbc为试件压缩断裂时的载荷 ;h0和 hk分别为试件的原始 高度和断裂时的高度； A0和 Ak分别为试件的原始截面积 和断裂时的截面积。 常用的压缩试件为圆柱体。试件的高度和直径之比 A0 d0 应取 1.5-2.0。 进入网络实验室 3.4.2 压环强度试验 进入网络实验室 3.5 剪切试验 模拟实际服役条件，并提供材料的 抗剪强度数据作为设计的依据。 单剪试验 双剪试验 冲孔式剪切试验