第三章其他静载下的力学性能详解.ppt

理论应力集中系数（弹性变形状态）： 表示应力集中的程度，它是最大轴向应力与平均应力之比。即： 对于椭圆形缺口： a：椭圆长轴之半； ?：曲率半径。 特别地：对圆形缺口，有 a= ?，Kt=3 塑性变形时的应力分布 对于塑性较好的金属材料来说，即使缺口处出现了三向拉应力，缺口截面仍可进行较明显的塑性变形。 根据塑性变形的条件，当外加最大切应力大于材料的屈服强度时，材料就发生塑性变形。 最大切应力： 在缺口截面上，由于轴向应力 和 径向应力 ?r 分布不均匀，最大切应力 ?max（= ?l - ?r / 2）的分布也是不均匀的，在表面处为最大（?=0.5）； 当外力增加时，沿截面的塑性变形是先从表面开始，再逐步向中心扩展进行的； 由于表面的塑性变形削减了应力峰，造成截面上的应力重新分布，即使应力峰离开缺口表面而移向弹性变形和塑性变形的交界处。 试样缺口根部截面由表面开始进入弹塑性状态后(在不同时刻-载荷不断增大) 轴向应力?l分布的变化 图表示了缺口试样在外力增加时沿截面的应力分布和塑性变形扩展情况。曲线1~6表示在外力增加的不同阶段轴向应力的分布情况。 其中，曲线1是弹性变形阶段的分布，曲线2是塑性变形刚开始阶段的分布，a1 a2区已进入了塑性变形，应力被削减，应力峰移向2点（弹性和塑性变形的交界点），曲线3~6是塑性变形逐步依次扩展时的情况，同样是塑性区内的应力被削减，应力峰依次移向弹-塑变形交界点。 若将最大轴向应力的顶点（1、2…6）连成曲线，用σls表示，则它反映了塑性变形向内扩展时所需轴向应力的变化情况。可见，在缺口截面上，使各点（a1,…a6）开始塑性变形所需的轴向外力F是不等的，越靠近中心，F值越大，这主要与径向力的存在及塑性区的形变硬化有关。并且，σls曲线斜率越大，表明塑性变形向内扩展越困难，且此时F提高较快，试样容易正断，从而使脆性倾向增大。 试样缺口根部截面由表面开始进入弹塑性状态后的 ?l 应力分布的变化 σls曲线 若材料的屈服强度等于或近于断裂抗力，则在缺口根部尚未开始塑性变形时，最大轴向应力就已达到断裂抗力（应力集中阶段），材料会发生早期脆断，此时缺口试样的抗拉强度较光滑试样的低（曲线1），脆性和低塑性材料即属于此； 若材料的屈服强度较低而断裂抗力较高，则塑性变形向内扩展可充分进行，此时缺口试样的抗拉强度较光滑试样的高（曲线5、6），塑性材料即属于此； 若材料的屈服强度和断裂强度都很高，则塑性变形的扩展开始得很迟，且还未充分扩展就会发生断裂，此时的抗拉强度也较高些（曲线4），中强度钢多属于此。 缺口截面SN上的塑性变形扩展程度，主要决定于材料的性质和缺口的形状。 ①材料性质主要决定于屈服强度和断裂抗力。 前者决定了塑变扩展开始点，后者决定了塑变扩展终止点。 ②就缺口形状来说，缺口越尖锐，σls曲线就越陡，塑性变形向内扩展程度就越小，脆化倾向越大，反之，则脆化倾向减小。 注意：不能把缺口使变形抗力升高的现象误认为缺口也是强化材料的一种因素，实际上它只是增大脆化倾向。 基于以上缺口对塑性变形的影响，实际生产中在机件设计时应尽可能地增大缺口曲率半径，以降低应力集中系数和σls曲线的斜率；选材时不应盲目追求高强度材料，而应注意足够的塑性配合，从而减小脆化倾向和脆断危险。 应力集中系数 应变集中系数 ?N和?N为缺口根部的真应力和真应变； ?m和?m为缺口试样的名义应力和应变。 （在弹塑性变形条件下） Neüber关系式 常数 Neüber关系的应用-确定?N和?N 二、缺口拉伸及斜拉伸实验 缺口对静拉伸力学性能的影响要视材料在光滑试样拉伸时的变形能力及缺口形状而定。 材料的屈服强度和断裂抗力不同，变形能力不同，且缺口曲率半径不同，σls曲线斜率也不同，从而使缺口试样的屈服强度和断裂抗力与光滑试样的不相等。 缺口的应力集中和三向应力状态均与缺口几何形状有关。应力集中对缺口曲率半径很敏感，而缺口深度影响三向应力状态。 鉴于此，用缺口试样来考查缺口对拉伸性能的影响时，试样的缺口形状和尺寸应该有所规定，以使数据有可比性。常用的缺口试样见P44图3.15。 注意：与缺口试样对比的光滑试样，直径应等于缺口直径，且应热处理之后加工缺口。 Fig.3.15缺口拉伸试样 缺口敏感性 缺口试样的强度?bN与光滑试样的强度?b之比，即缺口强度比（NSR）： NSR1，表示缺口敏感性大，一般是一些脆性材料，如铸铁、高碳工具钢等； NSR1，表示缺口敏感性小甚至不敏感。但不能把NSR=1作为敏感与否的分界。 如果引入比缺口拉伸更硬的应力状态，则有可能较真实地反映材料