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材料力学性能(第二章)本讲稿第一页，共四十二页 2-1 2-1 应力状态软性系数应力状态软性系数1 1、加载方式对变形的影响、加载方式对变形的影响(1)(1)正应力易导致裂纹扩展发生脆性断裂，正应力易导致裂纹扩展发生脆性断裂，切应力易导致塑性变形发生韧性断裂。切应力易导致塑性变形发生韧性断裂。(2)(2)不同加载方式的应力状态不同，即不同加载方式的应力状态不同，即max和和max的相对大小不同。的相对大小不同。(3)(3)金属材料在一定载荷条件下产生何种断金属材料在一定载荷条件下产生何种断裂形式，不仅与自身强度有关，还与加载方裂形式，不仅与自身强度有关，还与加载方式（应力状态）有关。式（应力状态）有关。本讲稿第二页，共四十二页2 2、应力状态软性系数、应力状态软性系数 ()(1)(1)定义：最大切应力与最大正应力之比。定义：最大切应力与最大正应力之比。(2)(2)值越大的试验方法值越大的试验方法,max就越大。就越大。如压缩等如压缩等,易产生塑性变形和韧性断裂，表示应易产生塑性变形和韧性断裂，表示应力状态越力状态越“软软”，可用于测量脆性材料在静拉，可用于测量脆性材料在静拉伸下不能测量的塑性。伸下不能测量的塑性。(3)(3)值越小的试验方法，值越小的试验方法，max就越大。如就越大。如单向拉伸等单向拉伸等,易产生断裂，表示应力状态越易产生断裂，表示应力状态越“硬硬”，可用于测量韧性材料。，可用于测量韧性材料。本讲稿第三页，共四十二页 2-2 2-2 压缩、弯曲和扭转压缩、弯曲和扭转一、压缩一、压缩1 1、特点、特点(1)(1)单向压缩的单向压缩的2 2，易发生塑性变形。，易发生塑性变形。(2)(2)拉伸时的脆性材料，压缩时能产生一定的塑性，拉伸时的脆性材料，压缩时能产生一定的塑性，并沿与轴线呈并沿与轴线呈4545角产生断裂，具有切断特征。角产生断裂，具有切断特征。(3)(3)塑性好的材料通常不采用压缩试验。塑性好的材料通常不采用压缩试验。(4)(4)由于裂纹等缺陷对压缩载荷不敏感，所以抗由于裂纹等缺陷对压缩载荷不敏感，所以抗压强度一般要高于抗拉强度，在铸铁等脆性材料压强度一般要高于抗拉强度，在铸铁等脆性材料中表现得非常明显。中表现得非常明显。本讲稿第四页，共四十二页2 2、压缩试验、压缩试验(1)(1)抗压强度：抗压强度：bcbc=P=Pbcbc/A/A0 0(2)(2)相对压缩率：相对压缩率：c c=(h=(h0 0-h-hf f)/h)/h0 0100%100%(3)(3)相对断面扩张率：相对断面扩张率：fcfc=(A=(Af f-A-A0 0)/A)/A0 0100%100%P P：载荷；：载荷；A A：试样截面积；：试样截面积；h h：试样高度；：试样高度；下脚标：下脚标：c c：压缩；：压缩；0 0：初始值；：初始值；f f：断裂值。：断裂值。本讲稿第五页，共四十二页本讲稿第六页，共四十二页二、弯二、弯 曲曲 1 1、特点、特点 内部应力与单向拉伸和压缩一样，但内部应力与单向拉伸和压缩一样，但应力分布不均匀，表面最大，中心为零，应力分布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变化，力学行为与单向拉且应力方向发生变化，力学行为与单向拉伸和压缩不同。伸和压缩不同。(1)(1)弯曲弹性模量是拉伸和压缩弹性模量的弯曲弹性模量是拉伸和压缩弹性模量的复合结果。复合结果。(2)(2)弯曲时不显示拉伸和压缩时产生的屈服弯曲时不显示拉伸和压缩时产生的屈服现象。现象。本讲稿第七页，共四十二页2 2、用途、用途(1)(1)评定铸铁、工具钢及硬质合金等脆性和评定铸铁、工具钢及硬质合金等脆性和低塑性材料的力学性能。低塑性材料的力学性能。不受试样倾斜的影响，可以稳定地测定不受试样倾斜的影响，可以稳定地测定抗弯强度。抗弯强度。用挠度表示塑性，能明显地显示塑性差别。用挠度表示塑性，能明显地显示塑性差别。本讲稿第八页，共四十二页(2)(2)截面内应力分布不平衡，表面应力最大，可截面内应力分布不平衡，表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷，常用于比较和鉴较灵敏地反映材料表面缺陷，常用于比较和鉴别渗碳和表面淬火等工件的质量和性能。别渗碳和表面淬火等工件的质量和性能。3 3、弯曲试验、弯曲试验(1)(1)抗弯强度抗弯强度bbbb=M=Mbbbb/W/WM Mbbbb：最大弯矩；：最大弯矩；W W：试样抗弯截面系数。：试样抗弯截面系数。(2)(2)断裂挠度断裂挠度f fbbbb。本讲稿第九页，共四十二页三、扭三、扭 转转1 1、扭转试验、扭转试验2 2、特点、特点(1)(1)扭转的应力状态软性系数为扭转的应力状态软性系数为0.80.8，易于显示，易于显示塑性行为。塑性行为。(2)(2)圆柱试样扭转时没有颈缩现象，能实现大圆柱试样扭转时没有颈缩现象，能实现大塑性变形量下的试验。塑性变形量下的试验。(3)(3)可敏感反映表面缺陷及表面硬化层性能。可敏感反映表面缺陷及表面硬化层性能。本讲稿第十页，共四十二页(4)(4)可根据试样的宏观断口特征，判断承受扭矩可根据试样的宏观断口特征，判断承受扭矩而断裂的工件性能。而断裂的工件性能。正断：塑性材料的断裂面与试样轴线垂直，正断：塑性材料的断裂面与试样轴线垂直，断口平整，有回旋状塑性变形痕迹，是切应断口平整，有回旋状塑性变形痕迹，是切应力造成的切断。力造成的切断。切断：脆性材料的断裂面与试样轴线成切断：脆性材料的断裂面与试样轴线成4545o o角，呈螺旋状，是正应力造成的正断。角，呈螺旋状，是正应力造成的正断。本讲稿第十一页，共四十二页木纹状断口：断裂面顺着试样轴线形成纵木纹状断口：断裂面顺着试样轴线形成纵向剥层或裂纹，是金属中存在较多的非金属向剥层或裂纹，是金属中存在较多的非金属夹杂物或偏析，并在轧制过程中沿轴向分布夹杂物或偏析，并在轧制过程中沿轴向分布造成的。造成的。本讲稿第十二页，共四十二页本讲稿第十三页，共四十二页3 3、扭转试验、扭转试验(1)(1)切变模量切变模量 G=32 G=32TLTL0 0/dd0 04 4(2)(2)扭转屈服点扭转屈服点 s s=T=Ts s/W /W T:T:扭矩；扭矩；W W：试样抗扭截面系数。：试样抗扭截面系数。(3)(3)扭转强度扭转强度 b b=T=Tb b/W/W 本讲稿第十四页，共四十二页 2-3 2-3 缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验 一、缺口效应一、缺口效应 缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化。缺口截面上的应力状态发生变化。1 1、缺口顶端引起应力集中。、缺口顶端引起应力集中。设一薄板的边缘开有缺口，并承受拉应力设一薄板的边缘开有缺口，并承受拉应力的作用。当板材处于弹性范围内，其缺口截面的作用。当板材处于弹性范围内，其缺口截面上的应力分布如图。上的应力分布如图。本讲稿第十五页，共四十二页本讲稿第十六页，共四十二页轴向应力在缺口根部最大，随着离开根部距轴向应力在缺口根部最大，随着离开根部距离的增大，应力不断下降。离的增大，应力不断下降。理论应力集中系数理论应力集中系数KtKt：表示缺口引起的应：表示缺口引起的应力集中程度。力集中程度。K Kt t只取决于缺口的几何形状，以根部只取决于缺口的几何形状，以根部曲率半径影响最大，缺口越尖锐，应力越曲率半径影响最大，缺口越尖锐，应力越大。大。本讲稿第十七页，共四十二页2 2、近缺口顶端区产生两向应力状态（薄板）或、近缺口顶端区产生两向应力状态（薄板）或三向应力状态（厚板）。三向应力状态（厚板）。(1)(1)自缺口根部向内侧，横向拉应力由零逐自缺口根部向内侧，横向拉应力由零逐渐增大，达到一定数值后逐渐减小，薄板缺渐增大，达到一定数值后逐渐减小，薄板缺口内侧是两向拉伸的平面应力状态。口内侧是两向拉伸的平面应力状态。(2)(2)厚板由于在板厚方向的收缩变形受到约厚板由于在板厚方向的收缩变形受到约束，也存在拉应力，厚板缺口内侧是三向束，也存在拉应力，厚板缺口内侧是三向拉伸是平面应力状态。拉伸是平面应力状态。（yyxxzz）本讲稿第十八页，共四十二页3 3、脆性材料和低塑性材料进行缺口试样拉伸、脆性材料和低塑性材料进行缺口试样拉伸时，往往由弹性变形过度到断裂，且其抗拉时，往往由弹性变形过度到断裂，且其抗拉强度比光滑试样低。强度比光滑试样低。此时应力状态软性系数此时应力状态软性系数0.50.5，很难，很难通过缺口根部塑性变形使应力重新分布，往通过缺口根部塑性变形使应力重新分布，往往发生断裂。往发生断裂。由于断裂是在试样缺口根部的最大纵向由于断裂是在试样缺口根部的最大纵向应力作用下产生的，其抗拉强度必然低于光应力作用下产生的，其抗拉强度必然低于光滑试样。滑试样。本讲稿第十九页，共四十二页4 4、缺口使塑性材料强度增加，塑性降低。、缺口使塑性材料强度增加，塑性降低。本讲稿第二十页，共四十二页(1)(1)塑性好的材料，若缺口根部产生塑性变形，塑性好的材料，若缺口根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增加塑性区逐应力将重新分布，并随载荷的增加塑性区逐渐加大，直至整个截面都产生塑性变形。渐加大，直至整个截面都产生塑性变形。三向应力状态下屈服条件为：三向应力状态下屈服条件为：y yxxs s 缺口根部缺口根部x=0 x=0，外加载荷增大时，缺口，外加载荷增大时，缺口根部首先发生屈服。根部首先发生屈服。本讲稿第二十一页，共四十二页 缺口内侧缺口内侧x0 x0，必须增加，必须增加yy才能产生才能产生屈服。如果不断增加屈服。如果不断增加yy，塑性变形将自表面，塑性变形将自表面向心部扩展。向心部扩展。(2)(2)缺口强化：塑性较好的材料，由于缺口缺口强化：塑性较好的材料，由于缺口的存在，出现了三向应力状态，并产生了的存在，出现了三向应力状态，并产生了应力集中，使得试样的屈服应力比单向拉应力集中，使得试样的屈服应力比单向拉伸时高。伸时高。缺口使塑性下降，脆性上升。不是强缺口使塑性下降，脆性上升。不是强化金属材料的手段。化金属材料的手段。本讲稿第二十二页，共四十二页三、缺口敏感性与敏感度三、缺口敏感性与敏感度 1 1、缺口脆化效应：缺口根部的应力集中会、缺口脆化效应：缺口根部的应力集中会促使萌生裂纹，加上根部较硬的应力状态使促使萌生裂纹，加上根部较硬的应力状态使构件趋于脆性状态，从而使缺口构件脆性断构件趋于脆性状态，从而使缺口构件脆性断裂的危险性增大。裂的危险性增大。2 2、缺口敏感性：金属材料因存在缺口造成、缺口敏感性：金属材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。本讲稿第二十三页，共四十二页3 3、缺口敏感度、缺口敏感度NSRNSR：缺口试样的抗拉强度与：缺口试样的抗拉强度与等截面光滑试样抗拉强度的比值。等截面光滑试样抗拉强度的比值。(1)(1)脆性材料和多数高强度材料的脆性材料和多数高强度材料的NSR1NSR1NSR1，形变强化大，缺，形变强化大，缺口敏感性小。口敏感性小。本讲稿第二十四页，共四十二页 2-4 2-4 硬度硬度硬度是表征材料软硬程度的一种性能。硬度是表征材料软硬程度的一种性能。划痕法划痕法：材料抵抗表面局部断裂的能力。：材料抵抗表面局部断裂的能力。（莫氏硬度）（莫氏硬度）回跳法回跳法：金属弹性变形功的大小。：金属弹性变形功的大小。（肖氏硬度、里氏硬度）（肖氏硬度、里氏硬度）压入法压入法：材料表面抵抗另一物体压入引起的塑：材料表面抵抗另一物体压入引起的塑性变形的能力。性变形的能力。本讲稿第二十五页，共四十二页压入硬度试验法的特点：压入硬度试验法的特点：(1)(1)应力状态软性系数应力状态软性系数22，材料易产生，材料易产生塑性变形，可测量淬火钢、硬质合金及陶瓷塑性变形，可测量淬火钢、硬质合金及陶瓷材料的硬度。材料的硬度。(2)(2)仅在表面产生很小的压痕，可直接在工仅在表面产生很小的压痕，可直接在工件成品上测量，也可检查金属表面层的质量。件成品上测量，也可检查金属表面层的质量。(3)(3)在一定条件下，可由硬度大致推测出材料在一定条件下，可由硬度大致推测出材料的强度水平。的强度水平。本讲稿第二十六页，共四十二页一、布氏硬度一、布氏硬度1 1、测量原理：以单位面积压痕所承受的压、测量原理：以单位面积压痕所承受的压力表示硬度值。（力表示硬度值。（N/mm2N/mm2）压力将压头压入试样表面，保持规定的压力将压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留下压痕。时间后卸除压力，试件表面留下压痕。本讲稿第二十七页，共四十二页本讲稿第二十八页，共四十二页2 2、压头、压头(1)(1)材质：淬火钢球：用材质：淬火钢球：用HBSHBS表示；表示；硬质合金球：用硬质合金球：用HBWHBW表示。表示。(2)(2)直径（直径（D D）：分为）：分为1 1，2 2，2.52.5，5 5，10mm10mm共五种。共五种。(3)(3)试件厚度试件厚度10d10d；相邻压痕中心距离相邻压痕中心距离446d6d，压痕中心距试样边缘压痕中心距试样边缘2.52.53d3d。本讲稿第二十九页，共四十二页3 3、测试压力、测试压力(1)(1)根据材料软硬程度及被测工件厚度，选用根据材料软硬程度及被测工件厚度，选用不同不同F/DF/D2 2的比值，控制压痕直径的比值，控制压痕直径d d在在0.25-0.25-0.6D0.6D。(2)(2)当当F/DF/D2 2应为常数时，不同压头直径应为常数时，不同压头直径D D及载荷及载荷F F测量的硬度具有可比性。测量的硬度具有可比性。(3)(3)压力保持时间：黑色金属为压力保持时间：黑色金属为1010秒，有色金秒，有色金属为属为3030秒，对秒，对HBHB3535的材料为的材料为6060秒。秒。本讲稿第三十页，共四十二页4 4、表示方法、表示方法硬度值；压头符号；压头直径；试验力；试硬度值；压头符号；压头直径；试验力；试验力保持时间。验力保持时间。压头符号：淬火钢球：压头符号：淬火钢球：HBSHBS；硬质合金球：；硬质合金球：HBWHBW。如如150HBSl0/3000/30150HBSl0/3000/30；500HBW5/750 500HBW5/750。（试验力以（试验力以kgkg为单位）为单位）本讲稿第三十一页，共四十二页5 5、优点、优点(1)(1)能反映较大范围内各组成相的平均性能。能反映较大范围内各组成相的平均性能。(2)(2)数据稳定，重复性强。数据稳定，重复性强。6 6、缺点、缺点(1)(1)不易测量成品及小、薄的工件。不易测量成品及小、薄的工件。(2)(2)测量工作比较繁琐。测量工作比较繁琐。(3)(3)不同不同F/DF/D2 2比值测量同一材料时的硬度值不同。比值测量同一材料时的硬度值不同。本讲稿第三十二页，共四十二页7 7、适用范围、适用范围 HBS(HBS(450)450)；HBW(450650)HBW(450650)。(1)(1)相对较软的材料，如退火、正火、调质相对较软的材料，如退火、正火、调质钢件；有色金属。钢件；有色金属。(2)(2)有粗大晶粒或粗大组成相的材料，如灰有粗大晶粒或粗大组成相的材料，如灰铸铁和轴承合金等铸铁和轴承合金等 本讲稿第三十三页，共四十二页h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计本讲稿第三十四页，共四十二页二、洛氏硬度二、洛氏硬度1 1、测量原理：以压痕的深度表示硬度值。、测量原理：以压痕的深度表示硬度值。以千分表测量留下的压痕深度，在表盘上直以千分表测量留下的压痕深度，在表盘上直接读出硬度值。接读出硬度值。2 2、分类采用不同压头及不同压力，可形成多种、分类采用不同压头及不同压力，可形成多种标尺。标尺。常用的有：常用的有：HRAHRA，HRBHRB，HRCHRC三种。三种。本讲稿第三十五页，共四十二页硬度符号 压头类型 主载荷力(N)硬度范围 HRA120金刚石圆锥体 490.320-88HRB1.588mm淬火钢球（S）硬质合金球（W）980.720-100HRC120金刚石圆锥体 147120-703 3、表示方法：硬度值；硬度符号；标尺字母。、表示方法：硬度值；硬度符号；标尺字母。如如60HRC60HRC；60HRBW60HRBW。本讲稿第三十六页，共四十二页4 4、优点、优点(1)(1)操作简单，测量迅速。操作简单，测量迅速。(2)(2)压痕小，可用于成品检验。压痕小，可用于成品检验。(3)(3)测量范围广，可测量各种软硬及不同厚测量范围广，可测量各种软硬及不同厚度的试样。度的试样。5 5、缺点、缺点(1)(1)数据重复性差，需多次测量。数据重复性差，需多次测量。(2)(2)不同标尺的硬度值不能相互比较。不同标尺的硬度值不能相互比较。本讲稿第三十七页，共四十二页6 6、应用范围、应用范围HRAHRA：硬质合金、硬化薄钢板、表面薄层硬化钢。：硬质合金、硬化薄钢板、表面薄层硬化钢。HRBHRB：低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁。：低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁。HRC:HRC:淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁。淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁。本讲稿第三十八页，共四十二页三、维氏硬度三、维氏硬度1 1、测量原理：以单位、测量原理：以单位面积压痕承受的力表示面积压痕承受的力表示硬度值。硬度值。2 2、压头：面夹角、压头：面夹角=136o=136o的金刚石四棱的金刚石四棱锥体。（测量对角线长锥体。（测量对角线长度度d d）本讲稿第三十九页，共四十二页3 3、试验力、试验力(1)(1)常用力：常用力：49.03-980.7N49.03-980.7N。(2)0.098-0.9807N(2)0.098-0.9807N。在显微镜下测量，称。在显微镜下测量，称显微硬度（显微维氏硬度）。显微硬度（显微维氏硬度）。4 4、表示方法、表示方法 硬度值；硬度值；HVHV；试验力。如；试验力。如640HV30640HV30。本讲稿第四十页，共四十二页5 5、优点、优点(1)(1)采用金刚石压头，可用于测量各种材料。采用金刚石压头，可用于测量各种材料。(2)(2)采用不同负荷时的硬度值相同。采用不同负荷时的硬度值相同。(3)(3)压痕小，特别适合测量表面淬硬层和化压痕小，特别适合测量表面淬硬层和化学热处理的表面层。学热处理的表面层。6 6、缺点：测定方法较麻烦，效率低。、缺点：测定方法较麻烦，效率低。本讲稿第四十一页，共四十二页四、动载荷测量方法四、动载荷测量方法1 1、肖氏硬度、肖氏硬度(HS)(HS)用重锤用重锤回跳的高度回跳的高度来表征金属的硬度值。来表征金属的硬度值。2 2、里氏硬度、里氏硬度(HL)(HL)用冲头的用冲头的回弹速度回弹速度表征金属的硬度值。表征金属的硬度值。3 3、优点：测量仪器均为手提式，使用方便，、优点：测量仪器均为手提式，使用方便，可在现场测量大工件。可在现场测量大工件。本讲稿第四十二页，共四十二页