第七章 金屬產(chǎn)品的力學(xué)性能檢測

1、第一 節(jié) 軸向拉伸和壓縮,第七章 產(chǎn)品的力學(xué)性能檢測,本章內(nèi)容,金屬材料的力學(xué)基礎(chǔ)外力、內(nèi)力及應(yīng)力；應(yīng)力狀態(tài)理論、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等。*拉伸試驗(yàn)*壓縮試驗(yàn)*沖擊試驗(yàn)*硬度實(shí)驗(yàn)電測應(yīng)力分析基礎(chǔ)電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理；測試方法。疲勞實(shí)驗(yàn)材料的疲勞極限；金屬材料的疲勞極限的測試方法。應(yīng)力集中與殘余應(yīng)力測試應(yīng)力集中與殘余應(yīng)力的概念；用應(yīng)變計(jì)測應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力的方法。電阻應(yīng)變計(jì)測力實(shí)驗(yàn),材料的拉伸性能是材料力學(xué)性能中最重要、

2、最基本的性能之一。這些指標(biāo)的高低在很大程度上決定了該種材料的使用。拉伸性能的好壞，可以通過拉伸試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。如拉伸強(qiáng)度、拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸屈服應(yīng)力、偏置屈服應(yīng)力、拉伸彈性模量。斷裂伸長率等。測試值的高低，可對塑料的拉伸性能作出評價(jià)。,一、定義（一）拉伸應(yīng)力試樣在計(jì)量標(biāo)距范圍內(nèi)，單位初始橫截面上承受的拉伸負(fù)荷。（二）拉伸強(qiáng)度在拉伸試驗(yàn)中。試樣直到斷裂為止，所承受的最大拉伸應(yīng)力。（三）拉伸斷裂應(yīng)力在拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線上，

3、斷裂時(shí)的應(yīng)力。（四）拉仲屈服應(yīng)力在拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線上，屈服點(diǎn)處的應(yīng)力。,（五）偏置屈服應(yīng)力 應(yīng)力——應(yīng)變曲線偏離直線性達(dá)規(guī)定應(yīng)變百分?jǐn)?shù)（偏置）時(shí)的應(yīng)力。（六）斷裂伸長率 在拉力作用下，試樣斷裂時(shí)，標(biāo)線間距離的增加量與初始標(biāo)距之比，以百分率表示。（七）彈性模量 在比例極限內(nèi)，材料所受應(yīng)力（拉、壓、查、扭、剪等）與產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變之比。（八）屈服點(diǎn) 應(yīng)力——應(yīng)變曲線上，應(yīng)力不隨應(yīng)變增加的初始點(diǎn)。

4、（九）應(yīng)變 材料在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的尺寸變化與原始尺寸之比。,軸向拉壓的概念及實(shí)例,一、概念,軸向拉壓的外力特點(diǎn)：外力的合力作用線與桿的軸線重合。,軸向拉壓的變形特點(diǎn)：桿的變形主要是軸向伸縮，伴隨橫向縮擴(kuò)。,軸向壓縮，對應(yīng)的力稱為壓力。,軸向拉伸，對應(yīng)的力稱為拉力。,軸向拉伸和壓縮時(shí)的內(nèi)力,一、內(nèi)力 物體內(nèi)部有外力引起的某一部分與另一部分件相互作用的力,二、截面法 · 軸力,1. 截面法的基本步驟：

5、① 截開：在所求內(nèi)力的截面處，假想地用截面將桿件一分為二。②代替：任取一部分，其棄去部分對留下部分的作用，用作用 在截開面上相應(yīng)的內(nèi)力（力或力偶）代替。③平衡：對留下的部分建立平衡方程，根據(jù)其上的已知外力來 計(jì)算桿在截開面上的未知內(nèi)力（此時(shí)截開面上的內(nèi)力 對所留部分而言是外力）。,,根據(jù)力的平衡原理，作力的分析,,例如： 截面法求N

6、。,,截開：,代替：,平衡：,2. 軸力——軸向拉壓桿的內(nèi)力，用N 表示。,3. 軸力的正負(fù)規(guī)定:,N 與外法線同向,為正軸力(拉力),N與外法線反向,為負(fù)軸力(壓力),[例1] 圖示桿的A、B、C、D點(diǎn)分別作用著大小為5P、8P、4P、 P 的力，方向如圖，試畫出桿的軸力圖。,,,,解： 求OA段內(nèi)力N1：設(shè)置截面如圖,同理，求得AB、BC、CD段內(nèi)力分別為：,N2= –3PN3= 5PN4= P,,

7、,D,PD,,,,橫截面上的應(yīng)力,應(yīng)力：分布內(nèi)力集度,應(yīng)力與內(nèi)力分量之間的關(guān)系,問題提出：,一般情形下的橫截面上的附加分布內(nèi)力，總可以分解為兩種：作用線垂直于截面的；作用線位于橫截面內(nèi)的。,分布內(nèi)力在一點(diǎn)的集度，稱為應(yīng)力(stresses)。,作用線垂直于截面的應(yīng)力稱為正應(yīng)力(normal stress)，用希臘字母? 表示；作用線位于截面內(nèi)的應(yīng)力稱為切應(yīng)力或剪應(yīng)力(shrearing stress)，用希臘字母?表示。應(yīng)力的單位記號為

8、Pa或MPa，工程上多用MPa。,一.應(yīng)力,應(yīng)力—分布內(nèi)力在一點(diǎn)的集度,工程構(gòu)件，大多數(shù)情形下，內(nèi)力并非均勻分布，集度的定義不僅準(zhǔn)確而且重要，因?yàn)椤?破壞”或“ 失效”往往從內(nèi)力集度最大處開始。,應(yīng)力就是單位面積上的內(nèi)力 ?,正應(yīng)力和切應(yīng)力,位于截面內(nèi)的應(yīng)力稱為“切應(yīng)力” (Shearing Stress).,垂直于截面的應(yīng)力稱為“正應(yīng)力” (Normal Stress)；,變形前,1. 變形規(guī)律試驗(yàn)及平面假設(shè)：,平面假設(shè)

9、：原為平面的橫截面在變形后仍為平面。 縱向纖維變形相同。,,受載后,二、拉（壓）桿橫截面上的應(yīng)力,,,,,,,,第一節(jié) 軸向拉伸和壓縮,均勻材料、均勻變形，內(nèi)力當(dāng)然均勻分布。,2. 拉伸應(yīng)力：,,,,,軸力引起的正應(yīng)力 —— ? ： 在橫截面上均布。,3. 公式的應(yīng)用條件：,直桿、桿的截面無突變、截面到載荷作用點(diǎn)有一定 的距離。,,5. Saint-Venant原理：,離開載荷作用處一定距離，應(yīng)力分布與大小不

10、受外載荷作用方式的影響。,Saint-Venant原理與應(yīng)力集中示意圖,變形示意圖：,應(yīng)力分布示意圖：,拉壓桿的變形,沿軸向的伸長或縮短,橫向尺寸的縮小或增大,——Δl,——橫向變形 Δa, Δb,§5–4 軸向拉伸（壓縮）時(shí)的變形,一、拉壓桿的縱向變形及應(yīng)變,線應(yīng)變：單位長度的線變形。,絕對變形：,,胡克定律,討論：N≠常數(shù)時(shí)，N=N(x)，如何求Δl？,分析：,微段分析,軸力方程：N=N(x),二、橫向變形,例 已知：P

11、1=20kN, P2=P3=35kN, l1=l3=300mm, l2=400mm d1=24mm, d2=16mm, d3=12mm, E=210GPa 求： 總伸長Δl,解：(1）軸力圖,（2）求各段變形,(3)總變形,材料拉壓時(shí)的力學(xué)性能,力學(xué)性能： 材料在外力作用下表現(xiàn)的有關(guān)強(qiáng)度、變形方面的特性。,1.試驗(yàn)條件：常溫(20℃)；靜載（及其緩慢地加載）；標(biāo)準(zhǔn)試件。,一、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)儀器,2、

12、試驗(yàn)儀器：萬能材料試驗(yàn)機(jī)；變形儀（常用引伸儀）。,二 、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能,,,,(1)彈性階段（OA段）,鋼：,彈性：產(chǎn)生變形，卸載變形消失,彈性極限：,比例極限：,應(yīng)力不變，應(yīng)變卻不斷增加，產(chǎn)生明顯塑性變形的現(xiàn)象,(2)屈服階段（ABCD段）,塑性：加載產(chǎn)生變形，卸載變形不消失,屈服極限：,,屈服原因：晶粒滑移的原因,(3) 強(qiáng)化階段（DE段）,抗拉強(qiáng)度：,卸載定律——在卸載過程中，應(yīng)力與應(yīng)變按直線規(guī)律變化,冷作硬化 ——卸載之

13、后再加載，彈性極限會增加,思考：OO’是什么？,頸縮：E點(diǎn)之前：變形均勻；E點(diǎn)之后變形集中在某一局部，截面急劇變小,（4）局部變形階段（EF段）,結(jié)論：,1. 強(qiáng)度指標(biāo)：E，,2. 兩個(gè)塑性指標(biāo)——表征材料塑性變形的程度,延伸率：,截面收縮率：,3. 變形,,彈性變形：卸載后可消失的變形,塑性變形：卸載后不消失的變形,,16Mn,A3,H62 : 有明顯的塑性階段,T10A,20Cr : 沒有明顯的屈服階段,三、其他塑性材料拉伸

14、時(shí)的力學(xué)性能,以鑄鐵為例,,結(jié)論：E用割線彈性模量 強(qiáng)度指標(biāo)：,一般較小,四、脆性材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能,試件：,,金屬： 很短的圓柱 l=1.5～3.0d混凝土、石料： 立方塊,一、低碳鋼,不一定做壓縮試驗(yàn),五. 材料壓縮時(shí)的力學(xué)性能,二、鑄鐵,斷口： 45°～55°,,斷口為縱向平面,三、石料,一、試驗(yàn)?zāi)康?1．測定低碳鋼壓縮屈服點(diǎn)ssc；,2．測定灰鑄鐵抗壓強(qiáng)度sbc。,二、試驗(yàn)儀器,萬能

15、材料試驗(yàn)機(jī)。,三、試樣,標(biāo)準(zhǔn)試樣：,粗短圓柱體：h0=1~3d0,,壓 縮 試 驗(yàn),四、試驗(yàn)原理,1．測定低碳鋼壓縮屈服點(diǎn)ssc,,,,壓縮屈服點(diǎn)：,,壓 縮 試 驗(yàn),低碳鋼壓縮試驗(yàn)現(xiàn)象：,低碳鋼壓縮變扁，不會斷裂，由于兩端摩擦力影響，形成“腰鼓形”。,,壓 縮 試 驗(yàn),2．測定灰鑄鐵抗壓強(qiáng)度sbc,強(qiáng)度極限：,灰鑄鐵壓縮試驗(yàn)現(xiàn)象：,tmax引起,,壓 縮 試 驗(yàn),已知一材料的彈性極限200MPa，彈性模量為

16、200GPa， 問：此材料做成的試件，其應(yīng)變被拉到 ε=0.0001,0.001,0.002時(shí)，其應(yīng)力為多少？,思考題,解：① 軸力：N = P =25kN,②應(yīng)力：,③強(qiáng)度校核：,④結(jié)論：此桿滿足強(qiáng)度要求，能夠正常工作。,例 已知一圓桿受拉力P =25 k N，直徑 d =14mm，許用應(yīng)力 [?]=170MPa，試校核此桿是否滿足強(qiáng)度要求。,指出下列概念的區(qū)別 （1）內(nèi)力與應(yīng)力； （2）變形與應(yīng)變

17、； （3）彈性與塑性；,思考題,第二節(jié) 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及原理,一、電阻應(yīng)變效應(yīng) 一段金屬電阻絲長度為L，橫截面為S，電阻率記作ρ，材料的泊松系數(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為：     R = ρL/S （ Ω）  其中：L-金屬導(dǎo)線長度    

18、 S-金屬導(dǎo)線橫截面積    ρ-電導(dǎo)率（不同材料電阻率不同） 當(dāng)金屬導(dǎo)線兩端受拉力F伸長變形。設(shè)其伸長ΔL，橫截面積則縮小，它的截面圓半徑減少Δr。金屬電阻絲在變形后，電阻率ρ也會有所改變Δ ρ ，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。,求出電阻絲伸長后，其電阻值改變了多少， 對R = ρL/S求全微分 ΔR = ΔρL/S 

19、+ ΔLρ/S –ΔSρL/S2 上2式相除，得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S  導(dǎo)線的橫截面積 S =πr2， Δs = 2πr*Δr，所以 ΔS/S = 2Δr/r 從材料力學(xué)我們知道：  Δr/r = -μΔL/L 

20、 μ=|ε`/ε| ，μ是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù),,ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L = K *ΔL/L 其中：K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L

21、） K靈敏系數(shù) 材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε 所以：ΔR/R = Kε 說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率和電阻絲伸長率之間的關(guān)系,,結(jié)論： 1、當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長度和截面積都會發(fā)生變化。 2、金屬絲受外力作用而伸長時(shí)，長度增加，而截面積減少，電阻值會增大。3、當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長度減小，而截面增

22、加，電阻值會減小。4、阻值變化通常較小。,電阻應(yīng)變片及其結(jié)構(gòu),電阻應(yīng)變片通常由直徑為0.015～0.05mm高電阻率的金屬電阻絲繞成柵狀，稱為敏感柵。繞成柵狀是為了獲得高的阻值，將其粘貼在絕緣的基體上，電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護(hù)用的覆蓋層，如圖1。敏感柵電阻值一般在100Ω以上,,基底：為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結(jié)劑將它固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。應(yīng)變計(jì)工作時(shí)，基底起著把彈性體應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作

23、用。為此，基底必須很薄，一般為0.02～0.04mm。 引線：它起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑約0.1～0.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接 保護(hù)蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護(hù)層；起著防潮、防蝕、防損等作用。粘結(jié)劑：在制造應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；在使用應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它把應(yīng)變計(jì)基底再粘貼在彈性體表面的被測部位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。,測量原理： &

24、#160;  用應(yīng)變片測量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化,,檢測電路：    電阻應(yīng)變計(jì)把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成ΔR/R后，應(yīng)變電阻變化一般都很微小，這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計(jì)的ΔR/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。

25、通常采用惠斯登電橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。,惠斯登直流電橋,電橋如圖3所示，U0為供橋電源電壓，R1、R2、R3、R4為橋臂，Usc為電橋輸出電壓。  Usc＝0時(shí)電橋平衡，則平衡條件為： R1\R2 = R4\R3  或  R1*R3 = R2*R4  這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等或相對兩臂電阻的乘積相等。&

26、#160;  　    將應(yīng)變片作為臂電阻接在電橋電路，當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，應(yīng)變片電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，使電橋失去平衡，Usc≠0，電橋輸出電壓絕對值與傳感器受力成正比。,惠斯登電橋具有很多優(yōu)點(diǎn)，如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補(bǔ)償方便等。所以惠斯登電橋在電阻應(yīng)變傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。,,貼片方位和應(yīng)變——應(yīng)力換算1、單向應(yīng)力狀態(tài)2、雙向應(yīng)力狀態(tài),主應(yīng)力方向已知3、應(yīng)變花主應(yīng)力計(jì)

27、算公式 應(yīng)變花用于主應(yīng)力方向大致知道的情況； 應(yīng)變花用于主應(yīng)力方向完全不知道的情況,,,用于主應(yīng)力方向大致知道的情況；,應(yīng)變花,應(yīng)變花,應(yīng)變花用于主應(yīng)力方向完全不知道的情況,,第三節(jié) 應(yīng)力集中的概念,應(yīng)力集中的概念,彈性力學(xué)中的一類問題﹐指物體中應(yīng)力局部增高的現(xiàn)象﹐一般出現(xiàn)在物體形狀急劇變化的地方﹐如缺口﹑孔洞﹑溝槽以及有剛性約束處。應(yīng)力集中能使物體產(chǎn)生疲勞裂紋﹐也能使脆性材料製成的零件發(fā)生靜載斷裂。,,應(yīng)力集中現(xiàn)象,

28、度量——理論應(yīng)力集中系數(shù),,應(yīng)力集中系數(shù)表面有缺陷的材料承受載荷時(shí)，設(shè)缺陷底部的最大應(yīng)力為σmax,有缺陷時(shí)的平均應(yīng)力為σ0，定義兩者之比為應(yīng)力集中系數(shù)α即,有軸向槽的軸受拉、壓或彎曲時(shí)，通常不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，即α=1，,有環(huán)狀淺槽的軸受拉伸或彎曲時(shí),當(dāng)圓軸的軸向和圓周方向都有淺槽時(shí),,,ρ：曲率半徑 t：槽深 α：應(yīng)力集中系數(shù),（1）有淺槽時(shí)的應(yīng)力集中,（2）無限平板上有橢圓孔時(shí)的應(yīng)力集中,ρ：x軸端部的曲率半徑 a，

29、b：x，y軸長α：應(yīng)力集中系數(shù),當(dāng)a＝b或a＝ρ時(shí)，橢圓孔就成為圓孔α＝3．,（3）窄板上有圓孔時(shí)的應(yīng)力集中,窄板上有一個(gè)圓孔時(shí)，拉伸和彎曲載荷產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)隨孔徑與窄板寬度之比的變化情況：,,如果板上有幾個(gè)圓孔，各孔之間的間隔、孔徑與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系：,,圓孔接近邊緣程度與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系,應(yīng)力集中的測量方法,電測方法(見電阻應(yīng)變計(jì)測量技術(shù))﹑光彈性法﹑散斑干涉法﹑云紋法等實(shí)驗(yàn)手段均可測出物體的應(yīng)力集中。近年來計(jì)算機(jī)和有限元

30、法以及邊界元法,電阻應(yīng)變計(jì)測量應(yīng)力集中系數(shù),通過電測法只能測出應(yīng)變，然后通過應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系才能算出應(yīng)力。在彈性體的設(shè)計(jì)過程中必須滿足以下兩項(xiàng)要求： （1）貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系； （2）貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。,測量步驟,一、選擇測點(diǎn)位置和確定布片方案單向應(yīng)力狀態(tài)：一個(gè)工作片雙向應(yīng)力狀態(tài)：主應(yīng)力方向已知，二個(gè)工作片

31、 主應(yīng)力方向未知，三個(gè)工作片或者應(yīng)變花二、選擇應(yīng)變片和測量儀器，檢測應(yīng)變片阻值三、現(xiàn)場測量的準(zhǔn)備：應(yīng)變片的安裝、接線、防護(hù)和檢查四、測量儀器的調(diào)試和加載測量五、作出測量報(bào)告： 分析處理測量數(shù)據(jù)，將應(yīng)變換算為應(yīng)力；提交測試結(jié)論。,應(yīng)力集中的測試方法,（1）外推法 工程上常將3—5片應(yīng)變計(jì)貼在需要測量應(yīng)力集中的孔或槽附近，測量后再用公式推算，其結(jié)果一般都能夠滿足工程精度要求且計(jì)算方

32、便．以用三片應(yīng)變計(jì)的測量與計(jì)算為例，說明如下：,,,例1 已給sin0.32=0.314567,sin0.34=0.333487,sin0.36=0.352274,用拋物插值計(jì)算sin0.3367用拋物插值計(jì)算sin0.3367時(shí)，由公式（2.5）得,=,=0.330374,sin0.3367=,,,拉格朗日插值,用EXCEL如何求解？,（2）內(nèi)插法,（3）光彈性測試方法,,,光彈性測試方法簡稱為光彈性法，它是測應(yīng)力集中系數(shù)的最好方

33、法之一。光彈性法測得的一張圖樣相當(dāng)于無限多片應(yīng)變計(jì)測得的結(jié)果。用有機(jī)玻璃按比例制作一輪齒模型．輪齒模型受力后，在光彈儀的單色光照射下，出現(xiàn)黑白相間的條紋，如圖6—33所示．這些系統(tǒng)稱為等差線，條紋圖稱為應(yīng)力光圖．由于齒輪右上角處的應(yīng)力為零，令不產(chǎn)生應(yīng)力的區(qū)域的條紋為0級．沿著齒邊緣從右到左直至根部可相繼地?cái)?shù)出條紋2，4，6，…級．條紋的疏密與載荷的大小有關(guān)，亦即與模型中的應(yīng)力大小和應(yīng)力梯度有關(guān)．條紋越稀，應(yīng)力變化越小；條紋越密，應(yīng)力變

34、化越大．所以，應(yīng)力集中的部位，條紋密集．因此、對于條墳較密的地方 (應(yīng)力集中的部位)應(yīng)予重視和注意．,應(yīng)力集中的降低,工程上主要采取以下一些措施﹕表面強(qiáng)化﹕對材料表面作噴丸﹑滾壓﹑氮化等處理﹐可以提高材料表面的疲勞強(qiáng)度﹔避免尖角﹕即把棱角改為過渡圓角﹐適當(dāng)增大過渡圓弧的半徑﹐效果更好﹔改善零件外形﹕曲率半徑逐步變化的外形有利于降低應(yīng)力集中系數(shù)﹐比較理想的辦法是﹐采用流線型型線或雙曲率型線﹐后者更便于在工程上應(yīng)用﹔,孔邊局部加強(qiáng)﹕在

35、孔邊采用加強(qiáng)環(huán)或作局部加厚均可使應(yīng)力集中系數(shù)下降﹐下降程度與孔的形狀和大小﹑加強(qiáng)環(huán)的形狀和大小以及載荷形式有關(guān)﹔適當(dāng)選擇開孔位置和方向﹕開孔的位置應(yīng)盡量避開高應(yīng)力區(qū)﹐并應(yīng)避免因孔間相互影響而造成應(yīng)力集中系數(shù)增高﹐對于橢圓孔﹐應(yīng)使其長軸平行于外力的方向﹐這樣可降低峰值應(yīng)力﹔提高低應(yīng)力區(qū)應(yīng)力﹕減小零件在低應(yīng)力區(qū)的厚度﹐或在低應(yīng)力區(qū)增開缺口或圓孔﹐使應(yīng)力由低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)的過渡趨于平緩﹔利用殘余應(yīng)力﹕在峰值應(yīng)力超過屈服極限后卸載﹐就會

36、產(chǎn)生殘余應(yīng)力﹐合理地利用殘余應(yīng)力也可降低應(yīng)力集中系數(shù),第四節(jié) 疲勞及測試,疲勞的概念與材料的疲勞極限,疲勞 構(gòu)件在交變應(yīng)力作用時(shí)的破壞，稱為疲勞破壞，簡稱疲勞。 構(gòu)件疲勞與在靜應(yīng)力作用下的破壞決然不同，有以下四個(gè)明顯特征：1）破壞時(shí)的名義應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的靜強(qiáng)度指標(biāo)（σs σb，τs，τb ）。2）構(gòu)件需要經(jīng)歷一定次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)后才發(fā)生破壞，即破壞有一個(gè)過程。3）破壞是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。既使塑性

37、很好的材料，也是如此。4）構(gòu)件的同一破壞斷面，明顯劃分成光亮區(qū)域與顆粒狀的粗糙區(qū)域。,,關(guān)于疲勞的原因及過程的解釋,斷裂力學(xué)的理論認(rèn)為，微裂紋源是由于位錯運(yùn)動引起的。金屬原子晶格的某些空穴、缺陷或錯位，稱之為位錯。微觀尺度的塑性變形就能引起位錯在原子晶格間的運(yùn)動，位錯積聚在一起，便形成了微裂紋。微裂紋集結(jié)、貫通形成宏觀裂紋，宏觀裂紋在交變應(yīng)力作用下繼續(xù)擴(kuò)展，致使構(gòu)件有效截面逐漸減小，最終，經(jīng)過一定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后，在較低的應(yīng)力水平下脆

38、斷，造成斷面的顆粒狀粗糙區(qū)域。由于應(yīng)力是交變的，在擴(kuò)展過程中裂紋表面相互擠壓與研磨，致使擴(kuò)展區(qū)域成光亮狀。,典型的疲勞斷面照片,材料的疲勞極限與應(yīng)力-壽命曲線,疲勞時(shí)應(yīng)力遠(yuǎn)低于靜載下材料的屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限，因而屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限已不能作為交變應(yīng)力下的強(qiáng)度指標(biāo)，需重新測定金屬的疲勞強(qiáng)度指標(biāo)。 在同一循環(huán)特征r的交變應(yīng)力下，循環(huán)次數(shù)N 隨交變應(yīng)力的最大應(yīng)力Smax的減小而增大，當(dāng) Smax減小到某一數(shù)值時(shí)， N趨于無限大。材料經(jīng)歷無限次

39、應(yīng)力循環(huán)而不疲勞時(shí)的交變應(yīng)力的最大應(yīng)力，稱為材料的疲勞極限，或稱持久極限。,,材料的疲勞極限是材料本身所固有的性質(zhì)，因循環(huán)特征r 、試件變形的形式以及材料所處的環(huán)境等不同而不同，需疲勞試驗(yàn)測定。材料的疲勞極限用Sr 表示，即意味著對稱循環(huán)下的是 S-1，脈動循環(huán)下的是 S0 ，以此類推。,材料的疲勞試驗(yàn)，首先要制備若干根光滑小試件（圖15-9a），然后裝卡到疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。圖15-9b是對稱循環(huán)彎曲變形疲勞試驗(yàn)機(jī)的示意圖,疲勞試

40、驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)過程,將試件分成若干組，調(diào)整砝碼，使每組試件承受一定載荷，各組承受的載荷由高到低，即應(yīng)力水平由高到低。計(jì)數(shù)器會記錄下第 i 組第 j 根試件承受某一最大應(yīng)力Smax而發(fā)生疲勞破壞時(shí)的旋轉(zhuǎn)周數(shù)，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nij ，又稱壽命。每根試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù) Smax與 Nij在S-N坐標(biāo)系中對應(yīng)一點(diǎn)，將所有的試驗(yàn)點(diǎn)作數(shù)據(jù)處理后會得到如圖15-10所示的曲線，稱為應(yīng)力-壽命曲線，簡稱 S-N曲線。,應(yīng)力-壽命曲線( S-N曲線),,

41、S-N曲線上任一點(diǎn) A的縱、橫坐標(biāo)分別用Smax ,A、 NA表示，這表明在交變應(yīng)力的最大應(yīng)力為 Smax ,A時(shí)，試件疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為 NA 。所以，稱 NA是最大應(yīng)力為 Smax ,A時(shí)的有限疲勞壽命；而稱 NA是有限疲勞壽命為 Smax ,A時(shí)材料的條件疲勞極限。,,S-N曲線有一條水平漸近線，該漸近線的縱坐標(biāo)用 S-1 表示，即為材料對稱循環(huán)下的疲勞極限。要“經(jīng)歷無限次應(yīng)力循環(huán)”，這個(gè)試驗(yàn)是無法實(shí)現(xiàn)的。

42、實(shí)際上人為地規(guī)定一個(gè)循環(huán)基數(shù)N0，若經(jīng)歷 N0次應(yīng)力循環(huán)而不破壞，即認(rèn)為已滿足了“經(jīng)歷無限次應(yīng)力循環(huán)”這一條件。對于 S-N曲線有水平漸近線的材料，如結(jié)構(gòu)鋼等， N0=107 ；而對于像鋁合金等無水平漸近線的材料， N0=108 。,,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼材的疲勞極限σ-1與其強(qiáng)度極限 σb之間有如下關(guān)系 彎曲變形： 拉壓變形： 扭轉(zhuǎn)變形：,作業(yè),1.應(yīng)力集中2.疲勞，疲勞極限3.簡述疲勞極限的測試過程4.光彈性測試應(yīng)

43、力集中的原理5.應(yīng)力集中系數(shù)6.應(yīng)力集中的測試方法 （內(nèi)插法）7.電阻應(yīng)變片工作原理,第五節(jié) 殘余應(yīng)力及其測量,殘余應(yīng)力的概念,通常講，一個(gè)物體，在沒有外力和外力矩作用、溫度達(dá)到平衡、相變已經(jīng)終止的條件下，其內(nèi)部仍然存在并自身保持平衡的應(yīng)力叫做內(nèi)應(yīng)力。     按照德國學(xué)者馬赫勞赫提出的分類方法，內(nèi)應(yīng)力分為三類：     第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力是存在于材料的較大區(qū)域（很多晶粒）

44、內(nèi)，并在整個(gè)物體各個(gè)截面保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)一個(gè)物體的第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞時(shí)，物體會產(chǎn)生宏觀的尺寸變化。     第Ⅱ類內(nèi)應(yīng)力是存在于較小范圍（一個(gè)晶?；蚓Я?nèi)部的區(qū)域）的內(nèi)應(yīng)力。     第Ⅲ類內(nèi)應(yīng)力是存在于極小范圍（幾個(gè)原子間距）的內(nèi)應(yīng)力。,,在工程上通常所說的殘余應(yīng)力就是第Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力。 金屬材料在外力作用下發(fā)生塑性變形后會有殘余應(yīng)力出現(xiàn)!而只發(fā)生彈性

45、變形時(shí)卻不會產(chǎn)生殘余應(yīng)力. 金屬在外力作用下的變形是不均勻的,有的部位變形量大,而有的部位小,它們相互之間又是互相牽連在一起的整體,這樣在變形量不同的各部位之間就出現(xiàn)了一定的彈性應(yīng)力-----當(dāng)外力去除后這部分力仍然存在,就是所謂的殘余應(yīng)力.是在一定范圍存在的彈性應(yīng)力.,,金屬殘留在物體內(nèi)的應(yīng)力是由分子間力的取向不同導(dǎo)致的。外力撤銷后，外力所造成的殘余變形導(dǎo)致了殘余應(yīng)力。通常用熱處理、時(shí)效處理來消除殘余應(yīng)力。,殘余應(yīng)力的產(chǎn)生,

46、在機(jī)械制造中，各種工藝過程往往都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但是，如果從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因可以歸結(jié)為：     1.不均勻的塑性變形；     2.不均勻的溫度變化；     3.不均勻的相變。,,殘余應(yīng)力的作用,機(jī)械零部件和大型機(jī)械構(gòu)件中的殘余應(yīng)力對其疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著十分重要的影響。   

47、;  適當(dāng)?shù)?、分布合理的殘余壓?yīng)力可能成為提高疲勞強(qiáng)度、提高抗應(yīng)力腐蝕能力，從而延長零件和構(gòu)件使用壽命的因素； 不適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力則會降低疲勞強(qiáng)度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，失卻尺寸精度，甚至導(dǎo)致變形、開裂等早期失效事故。,,殘余應(yīng)力的調(diào)整,針對工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對其使用性能不利的殘余拉應(yīng)力，有時(shí)還可以引入有益的殘余壓應(yīng)力分布，這就是殘余應(yīng)力的調(diào)整問題。    

48、; 通常調(diào)整殘余應(yīng)力的方法有：     1.加熱，即回火處理,利用殘余應(yīng)力的熱松弛效應(yīng)消除或降低殘余應(yīng)力。     2.施加靜載，使工件產(chǎn)生整體或局部、甚至微區(qū)的塑性變形，也可以調(diào)整工件的殘余應(yīng)力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內(nèi)部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發(fā)生微量塑性變形，以減小焊接殘余應(yīng)力。,,3.振動時(shí)效：在國際上，工業(yè)發(fā)達(dá)國家起

49、始于上世紀(jì)50年代，我國從70年代研究和推廣。振動消除應(yīng)力主要特點(diǎn)：     （1）處理時(shí)間短；     （2）適用范圍廣；     （3）能源消耗少；     （4）設(shè)備投資小，操作簡便。     4.錘擊、噴丸、滾壓等：噴丸強(qiáng)化是行之有效、應(yīng)用廣泛的強(qiáng)化零件的手段，噴丸

50、的同時(shí)也改變了表面殘余應(yīng)力狀態(tài)和分布，而噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力又是強(qiáng)化機(jī)理中的重要因素。,？,,熱時(shí)效是將工件加熱、保溫、冷卻，消除工件內(nèi)應(yīng)力，一般情況下每爐工件加熱時(shí)間為16小時(shí)，保溫、冷卻時(shí)間為8小時(shí)，能耗大。    振動時(shí)效工藝是通過專用的激振設(shè)備使工件產(chǎn)生振動，振動產(chǎn)生的動應(yīng)力與工件內(nèi)部原有的殘留應(yīng)力相疊加，達(dá)到均化內(nèi)應(yīng)力，減少工件變形的效果，其耗能設(shè)備僅為振動機(jī)械（電機(jī)），且一般處理一個(gè)工

51、件僅需30分鐘左右，時(shí)間短、能耗小。,振動時(shí)效處理現(xiàn)場圖,噴丸處理,噴丸又分為噴丸和噴砂。噴丸還用于提高表面硬度和降低表面粗糙度 噴丸處理一般應(yīng)用在汽車的彈簧鋼板的加工上.是為了減少被加工材料的塑性變形. 噴丸強(qiáng)化分為一般噴丸和應(yīng)力噴丸.一般處理時(shí),鋼板在自由狀態(tài)下,用高速鋼丸打擊鋼板的里面,使其表面產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力.以減少工作中鋼板表面的拉應(yīng)力,增加使用壽命.應(yīng)力噴丸處理是將鋼板在一定的作用力下的預(yù)先彎曲,然后進(jìn)行噴丸處理.,,噴丸

52、除銹的原理與應(yīng)用: 1.原理:以壓縮空氣帶動鐵丸通過專門工具,高速噴射于金屬表面,利用鐵丸的沖擊和摩擦作用,清除金屬表面的鐵銹及其他污染,并得到有一定粗糙度的,顯露金屬本色的表面. 2.應(yīng)用:為了提高防護(hù)層的結(jié)合力.,,噴丸硬化原理與應(yīng)用: 1.原理:將淬硬鋼丸以壓縮空氣噴出或離心式噴丸機(jī)借離心力甩到金屬表面, 利用鋼丸對金屬表面的沖擊作用使零件表面硬化. 鋼丸沖擊金屬表面:第一使零件表面生成0.1-0.4mm 深的硬化層

53、, 增加零件表面對塑性變形和斷裂的抵抗能力,并使表層產(chǎn)生壓應(yīng)力,提高其疲勞強(qiáng)度;第二使零件表面上的缺陷和由于機(jī)械加工所帶來的損傷減少, 從而降低應(yīng)力集中. 2.應(yīng)用:用在承受交變應(yīng)力下工作的零件噴丸處理后可以大大提高其疲勞強(qiáng)度, 使壽命提高幾倍.,殘余應(yīng)力的測量方法,殘余應(yīng)力的測量方法可以分為有損和無損兩大類。     有損測試方法就是應(yīng)力釋放法，也可以稱為機(jī)械的方法；無損方法就是物理的方法

54、。     機(jī)械方法目前用得最多的是切割法和套環(huán)法，鉆孔法（盲孔法）等。     物理方法中用得最多的是X射線衍射法，其它主要物理方法還有中子衍射法、磁性法和超聲法。,X射線衍射法,X射線衍射法依據(jù)X射線衍射原理，即布拉格定律。布拉格定律把宏觀上可以準(zhǔn)確測定的衍射角同材料中的晶面間距建立確定的關(guān)系。材料中的應(yīng)力所對應(yīng)的彈性應(yīng)變必然表征為晶面間距的相對

55、變化。當(dāng)材料中有應(yīng)力σ存在時(shí)，其晶面間距d 必然隨晶面與應(yīng)力相對取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也 會相應(yīng)改變。因此有可能通過測量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來求得應(yīng)力σ。該法可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，可且可以應(yīng)用到各種實(shí)際工件，包括大型工件的現(xiàn)場測量。,,,,磁性法,磁性法測量殘余應(yīng)力是利用鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。 即在應(yīng)力作用下。鐵磁材料的各方向上的導(dǎo)磁率發(fā)生不同的變化，從而產(chǎn)生磁各向異性。

56、 通過對導(dǎo)磁率變化的測定來確定殘余應(yīng)力的方法 。,,切割法,切割法： 在欲測部位劃線：劃出20mm×20mm的方格將測點(diǎn)圍在正中。在方格內(nèi)一定方向上貼應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變花，再將應(yīng)變計(jì)與應(yīng)變儀相連，通電調(diào)平。然后用銑床或手鋸慢速切割方格線，使被測點(diǎn)與周圍部分分離開。切割后，再測應(yīng)變計(jì)得到的釋放應(yīng)變。它與構(gòu)件原有應(yīng)變量值相同、符號相反，因此計(jì)算應(yīng)力時(shí)，應(yīng)將所得值乘以負(fù)號,釋放后的殘余應(yīng)力計(jì)算方法如下：,,套環(huán)法,套

57、環(huán)法：在一些大型構(gòu)件上，切割法有時(shí)難于進(jìn)行，這時(shí)可采用套環(huán)法進(jìn)行分離。其原理及貼片方法與切割法相同，但分離的技術(shù)不同于切割法。先以被測點(diǎn)為圓心，劃半徑為15mm的圓，然后在圓內(nèi)貼片并調(diào)平應(yīng)變儀。再用小型鉆床（Φ3mm的鉆頭）或手電鉆在圓周線上連續(xù)鉆孔，孔深約10mm左右。相鄰孔間要鉆通，使被測點(diǎn)與周圍分割開來,,套環(huán)法的應(yīng)變計(jì)布置和公式均與切割法相同,,開槽法,1．開槽法 將一片小型的應(yīng)變計(jì)貼在構(gòu)件有殘余應(yīng)力的部分，

58、在應(yīng)變計(jì)附近的兩端各開一槽(銑削，腐蝕或電火花加工)。 在開槽之前將應(yīng)變計(jì)接入應(yīng)變儀并調(diào)平衡．開槽后由于殘余應(yīng)力的釋放使兩槽之間的材料變形，應(yīng)變儀的指示麥上可讀得應(yīng)變．根據(jù)材料力學(xué)，彈性力學(xué)的有關(guān)公式以及測得的應(yīng)變值，即可求出殘余應(yīng)力的大小,盲孔法測量殘余應(yīng)力,切割法和套環(huán)法測量殘余應(yīng)力具有較大的破壞性，因此目前在焊接件和鑄件上應(yīng)用的較多的殘余應(yīng)力測量方法是盲孔法。,盲孔法就是在工件上鉆一小通孔或不通孔，使被測點(diǎn)的

59、應(yīng)力得到釋放，并由事先貼在孔周位的應(yīng)變計(jì)測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力來。 鉆孔的直徑和深度都不大，不會影響被測構(gòu)件的正常使用。并且這種方法具有較高的精度，因此它以成為應(yīng)用比較廣泛的方法。,它的原理是在平衡狀態(tài)下的原始應(yīng)力場上鉆孔 ，以去除一部分具有應(yīng)力的金屬，而使圓 孔附近部分金屬內(nèi)的應(yīng)力得到松弛，鉆孔破壞了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)而使應(yīng)力重新分布，并呈現(xiàn)新 的應(yīng)力平衡，從而使圓孔附近的金屬發(fā)生位移或

60、應(yīng)變，通過高靈敏度的應(yīng)變儀，測量鉆孔后的應(yīng)變 量，就可以計(jì)算原應(yīng)力場的應(yīng)力值。,,測量儀器：應(yīng)變儀；盲孔鉆；應(yīng)變花。,盲孔法殘余應(yīng)力計(jì)算公式,被測點(diǎn)鉆一小孔只能使殘余應(yīng)力局部釋放，因此應(yīng)變計(jì)所測出的釋放應(yīng)變值很小，必須采用高精度的應(yīng)變計(jì)。為了不斷提高測量精度，還必須十分注意產(chǎn)生誤差的各種因素，其中最主要的是鉆孔設(shè)備的精度和鉆孔技術(shù)，還有應(yīng)變測試誤差。,鉆孔設(shè)備及鉆孔要求     鉆孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡

61、單，便于攜帶，易于固定在構(gòu)件上，同時(shí)要求對中方便，鉆孔深度易于控制，并能適應(yīng)在各種曲面上工作。圖3.10為小孔鉆的結(jié)構(gòu)圖，這種鉆具能較好地實(shí)現(xiàn)上述要求，借助4個(gè)可調(diào)節(jié)X . Y 方向的位置和上. 下位置，以保持鉆孔垂直于工件表面，用萬向節(jié)與可調(diào)速手電鉆連接施行鉆孔。,鉆孔的技術(shù)要求：    1.被測表面的處理要符合應(yīng)變測量的技術(shù)要求，應(yīng)變花應(yīng)用502膠水準(zhǔn)確地粘貼在測點(diǎn)位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，防止鐵