热处理工程师培训-力学性能试验.ppt
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4.3力学性能试验力学性能试验4.3.1硬度试验硬度试验硬度试验方法压入法回跳法刻划法压入法分类压入法分类压入法布氏硬度方法洛氏硬度法维氏硬度法努氏硬度法回跳法分类回跳法分类回跳法肖氏硬度方法里氏硬度法4.3.1.1布氏硬度试验法布氏硬度试验法知识点试验原理:
球压头、一定载荷、理论计算公式D、P及P/D2的可选范围P/D2应按照被测样品的材料进行选择试验时的注意事项:
试样制备、P/D2的选择、试样厚度要求、试样支承、加载与保载时间、压痕之间及与试样边缘距离布氏硬度试验优缺点布氏硬度计布氏硬度计压头锤击式布氏硬度试验锤击式布氏硬度试验锤击式布氏硬度计知识点硬度计构造:
钢球、锤击杆、标准布氏硬度块测试原理:
钢球以相等压力压入试样和标准杆表面,得到两个压痕直径d和d4.3.1.2洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法知识点试验原理:
压头(球压头、金刚石压头)、一定载荷、理论计算公式不同载荷与压头共同组成15种标尺不同标尺(即不同试验条件)对应不同的材料试验时的注意事项:
试样制备、标尺的选择、试样厚度要求、试样支承、加载与保载时间、压痕之间及与试样边缘距离洛氏硬度标尺洛氏硬度计洛氏硬度计洛氏硬度试验优缺点4.3.1.3维氏、努氏硬度试验法维氏、努氏硬度试验法维氏硬度试验知识点试验原理:
压头(金刚石四棱锥压头)、一定载荷、理论计算公式维氏/努氏硬度的可选载荷试验时的注意事项:
试样制备、标尺的选择、试样厚度要求、试样支承、加载与保载时间、压痕之间及与试样边缘距离维氏硬度载荷可选范围维氏硬度载荷可选范围努氏硬度试验知识点试验原理:
压头(金刚石四棱锥压头面夹角不同)、一定载荷(通常是小载荷)、理论计算公式测量压痕方式只需测量长对角线长度l维氏硬度与努氏硬度设备维氏硬度与努氏硬度设备肖氏硬度试验肖氏硬度试验知识点试验原理:
测量冲头回跳高度与初始高度比值,按公式计算肖氏硬度值计算公式适用对象,优缺点肖氏硬度计里氏硬度试验里氏硬度试验知识点试验原理:
测量冲头回弹速度与初始冲击速度比值,按公式计算里氏硬度值计算公式冲击装置类型:
D型、DC型、G型、C型适用对象,优缺点里氏硬度试验4.3.1.5硬度试验在热处理检验中的应用硬度试验在热处理检验中的应用热处理质量现场检验与控制对感应加热表面淬火和化学热处理有效硬化层深度显微硬度在显微组织分析中的应用硬度与强度的换算显微硬度测氮化层表面硬度4.3.2静拉伸试验静拉伸试验4.3.2.1拉伸试样及拉伸试验机圆形截面拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机4.3.2.2应力应变曲线及力学性能指标应力应变曲线及力学性能指标nn应力-应变曲线的4个阶段:
弹性阶段弹性阶段屈服阶段屈服阶段均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段集中塑性变形阶段集中塑性变形阶段nn几种不同的拉伸曲线基本力学性能指标基本力学性能指标正弹性模量E比例极限p弹性极限e屈服强度Rp0.2抗拉强度Rm基本力学性能指标基本力学性能指标伸长率All比例试样与非比例试样断面收缩率Z高温与低温拉伸试验高温与低温拉伸试验高温与低温拉伸试验设备高温引伸计高温下金属的蠕变ll蠕变极限强度一定温度下、使试样产生规定蠕变速度或一定时间内达到规定蠕变量的应力值,表征高温长期载荷作用下抵抗塑性变形能力ll持久强度一定温度下,使试样在规定时间内断裂的应力值,表征高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力nn热处理工艺对金属高温长时力学性能的影响4.3.3冲击试验冲击试验知识点试验原理冲击试样:
厚度、试样缺口试验设备冲击试验的意义冲击试验机冲击试验机4.3.3.2材料的韧脆转变温度材料的韧脆转变温度nn韧脆转变温度产生的力学本质nn韧脆转变温度的评定方法摆锤冲击试验落锤冲击试验动态撕裂试验落槌撕裂试验转变温度的能量准则法:
FTE断口形貌准则法:
50%FATTDWTT试验示意图4.3.4压缩、弯曲、扭转试验压缩、弯曲、扭转试验nn试验意义以实际服役条件等同或近似的加载方式考核机械零件的承载能力反映拉伸时显示低塑性的材料的变形能力应力状态系数表示材料塑性变形的难易程度。
越大表示在该应力状态下切应力分量越大,材料就越易塑性变形。
力学状态图以第二强度理论和第三强度理论两者的联合为基础,纵坐标为按第三强度理论计算最大切应力,横坐标为按第二强度理论计算最大正应力。
自原点作不同斜率的直线,可代表应力状态系数,这些直线的位置反映了应力状态对断裂的影响。
4.3.4.1压缩试验压缩试验知识点压缩试样类型:
侧向无约束、侧向有约束装置;圆形截面、矩形截面压缩试验的力-变形曲线类型压缩试验通常测定的力学指标压缩试样的破坏形式4.3.4.2弯曲试验弯曲试验知识点弯曲试验试样受力状态特点弯曲试验分类:
ll抗弯试验目的、测定力学指标ll冷弯试验目的、评判标准ll3点弯曲试验ll4点弯曲试验4.3.4.2弯曲试验弯曲试验知识点弯曲试验时应力计算方式:
对于三点弯曲,弯矩M=PLs/4;对于四点弯曲M=PL/2直径为d的圆形试样,抗弯截面系数W=(d3)/32宽度为b,高为h的矩形试样,抗弯截面系数W=bh2/6弯曲试验的力-挠度曲线弯曲试验通常测定的力学指标4.3.4.3扭转试验扭转试验知识点试样承受扭矩时界面的应力与应变分布状态扭转试验的现实意义扭转试样的宏观断口4.3.2断裂韧度试验断裂韧度试验nn断裂力学的研究领域:
考虑机械构件中在存在宏断裂力学的研究领域:
考虑机械构件中在存在宏观缺陷情况下,裂纹的扩展规律以及确定材料抵观缺陷情况下,裂纹的扩展规律以及确定材料抵抗断裂性能的指标及其测试方法抗断裂性能的指标及其测试方法nn断裂韧度:
表征材料抵抗断裂能力的性能指标断裂韧度:
表征材料抵抗断裂能力的性能指标断裂韧性断裂韧性KK(应力场分析法)(应力场分析法)裂纹扩展能量率裂纹扩展能量率GG(能量分析法)(能量分析法)裂纹尖端张开位移裂纹尖端张开位移CTODCTODJJ积分积分nnKC表征裂纹尖端临界应力场强度因子当KKC时,裂纹即会扩展直至发生断裂(断裂K判据)可以利用塑性修正因子解决裂纹尖端出现小范围屈服情况下的KC计算nnGI表征裂纹扩展单位长度时系统势能的释放率,即使裂纹扩展单位长度的原动力当GGC时,裂纹即会扩展直至发生断裂(断裂G判据)nnJ积分反映了裂纹尖端的应变能,即应力应变的集中程度,在线弹性条件下,JI=GI在弹塑性条件下,JI表征试样的形变功差率当JJC时,裂纹即会扩展直至发生断裂(断裂J判据)通常J积分不能处理裂纹的连续扩展问题,其临界值对应的只是裂纹开裂点,不一定是裂纹最后失稳断裂点。
如果要用J积分来解决裂纹亚稳扩展问题,需要建立J积分裂纹扩展阻力曲线与外界应力及裂纹扩展量a之间的关系(R曲线断裂判据)nn根据裂纹尖端沿应力方向张开位移量(即CTOD)建立的断裂判据称为断裂判据,即当C时,裂纹即会扩展直至发生断裂(断裂J判据)nnKC与GC是线弹性条件下导出的断裂韧性指标,裂纹尖端张开位移CTOD与J积分是在弹塑性条件下导出的断裂韧性指标nn由于在一定临界条件下,各种断裂韧性指标间均可相互换算,因此CTOD与J积分为利用小尺寸试样来测试低强度钢的断裂韧性提供了可能nn目前不同形式裂纹的KC建立的较完善,其它断裂韧度的试验方法已经有相关标准可参照,但针对不同形式裂纹的计算表达式还不完善4.3.6疲劳试验疲劳试验不同类型的疲劳试验设备22n疲劳断裂失效的一般特征金属零件在使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。
引起疲劳断裂的应力一般很低,断口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。
轴轴轴轴叶轮叶轮叶轮叶轮疲劳断裂破坏疲劳断裂破坏裂纹源在高应力局部裂纹源在高应力局部或材料缺陷处。
或材料缺陷处。
飞机轮毂疲劳断口飞机轮毂疲劳断口裂纹源裂纹源裂纹源裂纹源疲劳断口特征疲劳断口特征与静载破坏相比,即与静载破坏相比,即使是延性材料,也没使是延性材料,也没有明显的塑性变形。
有明显的塑性变形。
实际工程中的表面裂纹,多呈半椭圆形。
实际工程中的表面裂纹,多呈半椭圆形。
延性材料静载破坏延性材料静载破坏延性材料静载破坏延性材料静载破坏疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏裂纹源裂纹源裂纹源裂纹源只有在扰动应力作用下,疲劳才会发生。
只有在扰动应力作用下,疲劳才会发生。
扰动应力,是指随时间变化的应力。
扰动应力,是指随时间变化的应力。
也可更一般地称为扰动载荷,也可更一般地称为扰动载荷,载荷可以是力、应力、应变、位移等。
载荷可以是力、应力、应变、位移等。
要研究要研究载荷谱载荷谱的描述的描述与简化与简化恒幅循环应力是最简单的。
恒幅循环应力是最简单的。
SSmax0Smint循环应力循环应力(cyclestress)的描述:
的描述:
常用导出量:
常用导出量:
常用导出量:
常用导出量:
平均应力平均应力平均应力平均应力SSmm=(S=(Smaxmax+S+Sminmin)/2)/2应力幅应力幅应力幅应力幅SSaa=(S=(Smaxmax-S-Sminmin)/2)/2应力变程应力变程应力变程应力变程DDDDS=SS=Smaxmax-S-Sminmin应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数R=SR=Sminmin/S/Smaxmax描述描述循环应力水平循环应力水平的基本量:
的基本量:
Smax,SminSmSaSa定义:
平均应力定义:
平均应力定义:
平均应力定义:
平均应力SSmm=(S=(Smaxmax+S+Sminmin)/2
(1)/2
(1)应力幅应力幅应力幅应力幅SSaa=(S=(Smaxmax-S-Sminmin)/2
(2)/2
(2)应力变程应力变程应力变程应力变程DDDDS=SS=Smaxmax-S-Sminmin(3)(3)应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数应力比或循环特性参数R=SR=Sminmin/S/Smaxmax
(1)
(1)式二端除以式二端除以式二端除以式二端除以SSmaxmax,有,有,有,有SSmm=(1+R)/2S=(1+R)/2Smaxmax(4)(4)
(2)
(2)式二端除以式二端除以式二端除以式二端除以SSmaxmax,有,有,有,有SSaa=(1-R)/2S=(1-R)/2Smaxmax(5)(5)(5)(5)式除以式除以式除以式除以(4)(4)式,有式,有式,有式,有SSaa=(1-R)/(1+R)S=(1-R)/(1+R)Smm(6)(6)Smax、Smin、Sm、Sa、DDS、R等量中,等量中,只要已知二个,即可导出其余各量。
只要已知二个,即可导出其余各量。
主要控制参量主要控制参量主要控制参量主要控制参量:
SSaa,重要影响参量:
,重要影响参量:
,重要影响参量:
,重要影响参量:
RR0StR=-1对称循环Smax=-Smin0St三角波三角波S0t正弦波正弦波0St矩形波矩形波0St梯形波梯形波频率频率(f=N/t)波形波形f=100Hz,t=100h,N=ft=3.6107(次循环次循环)破坏起源于高应力、高应变局部。
破坏起源于高应力、高应变局部。
应力集中处,常常是疲劳破坏的起源。
应力集中处,常常是疲劳破坏的起源。
要研究要研究细节处的应力应变细节处的应力应变。
静载下的破坏,取决于结构整体;静载下的破坏,取决于结构整体;疲疲劳劳破破坏坏则则由由应应力力或或应应变变较较高高的的局局部部开开始始,形成损伤并逐渐累积,导致破坏发生。
形成损伤并逐渐累积,导致破坏发生。
可见,可见,局部性局部性是疲劳的明显特点。
是疲劳的明显特点。
因此,要注意细节设计,研究细节处的因此,要注意细节设计,研究细节处的应力应变,尽可能减小应力集中。
应力应变,尽可能减小应力集中。
应力疲劳应力疲劳:
Smax104,也称也称高周疲劳高周疲劳。
应变疲劳应变疲劳:
SmaxSy,Nfysysysys),寿命短,寿命短,寿命短,寿命短(
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