第2章 材料在其他静载荷下的力学性能

1、1主讲人主讲人: : 张宁张宁2v 研究金属材料在常温静载荷下的力学性能时，除研究金属材料在常温静载荷下的力学性能时，除采用单向静拉伸试验方法外，有时还选用采用单向静拉伸试验方法外，有时还选用压缩压缩、弯曲弯曲、扭转扭转等试验方法。等试验方法。v选用这些方法的选用这些方法的目的目的是：是：v（1）很多机件或工具在实际服役时常承受弯矩、扭）很多机件或工具在实际服役时常承受弯矩、扭矩或轴向压力的作用，或其上有螺纹、孔洞、台阶等矩或轴向压力的作用，或其上有螺纹、孔洞、台阶等引起应力集中的部位，有必要测定制造这类机件或工引起应力集中的部位，有必要测定制造这类机件或工具的材料在相应承载条件下的力学性能指

2、标，作为设具的材料在相应承载条件下的力学性能指标，作为设计和选材的依据；计和选材的依据；v（2）不同的加载方式在试样中将产生不同的应力状）不同的加载方式在试样中将产生不同的应力状态。金属材料在不同应力状态下所表现的力学行为不态。金属材料在不同应力状态下所表现的力学行为不完全相同，因此，选用不同应力状态的试验方法，便完全相同，因此，选用不同应力状态的试验方法，便于研究材料相应力学性能的变化。于研究材料相应力学性能的变化。第二章第二章 材料在其他静载荷下的力学性能材料在其他静载荷下的力学性能3v 一、应力状态软性系数一、应力状态软性系数v 二、压缩二、压缩v 三、弯曲三、弯曲v 四、扭转四、扭转v

3、 五、缺口试样静载荷试验五、缺口试样静载荷试验v 六、硬度六、硬度第二章第二章 材料在其他静载荷下的力学性能材料在其他静载荷下的力学性能4v零部件在使用过程中将承受不同类型的外零部件在使用过程中将承受不同类型的外应力；零件内部存在不同的应力状态。应力；零件内部存在不同的应力状态。v材料的塑性或脆性并非绝对，为了表示外材料的塑性或脆性并非绝对，为了表示外应力状态对材料塑性变形的影响，特引入应力状态对材料塑性变形的影响，特引入应力状态系数应力状态系数 的概念。以方便选择检测的概念。以方便选择检测方法。方法。 v例如：铸铁：压例如：铸铁：压韧，拉韧，拉脆脆第一节第一节 应力状态软性系数应力状态软性系

4、数5v 当金属所受的最大切应力当金属所受的最大切应力max达到屈服强达到屈服强度度s时，产生屈服；当时，产生屈服；当max达到切断强度达到切断强度k时，产生剪切型断裂；当最大正应力时，产生剪切型断裂；当最大正应力max达到正断强度时，产生正断型断裂。但同达到正断强度时，产生正断型断裂。但同一种金属材料，在一定承载条件下产生何一种金属材料，在一定承载条件下产生何种失效形式，除与其自身的强度大小有关种失效形式，除与其自身的强度大小有关外，还与承载条件下的应力状态有关。不外，还与承载条件下的应力状态有关。不同的应力状态，其最大正应力同的应力状态，其最大正应力max与最大与最大切应力切应力max的相对

5、大小是不一样的。的相对大小是不一样的。第一节第一节 应力状态软性系数应力状态软性系数6v 定义：定义：v max与与max的比值表示它们的相对大小，的比值表示它们的相对大小，称为称为应力状态软性系数应力状态软性系数，记为，记为。对于金。对于金属材料，属材料， 取取0.25，则，则值值为为第一节第一节 应力状态软性系数应力状态软性系数7第一节第一节 应力状态软性系数应力状态软性系数8v 物理意义：物理意义：v 值越大的试验方法，试样中最大切应力值越大的试验方法，试样中最大切应力分量越大，表示应力状态越分量越大，表示应力状态越“软软”，金属，金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。反之，越易于产生塑性变

6、形和韧性断裂。反之， 值越小的试验方法，试样中最大正应力值越小的试验方法，试样中最大正应力分量越大，应力状态越分量越大，应力状态越“硬硬”，金属越不，金属越不易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。v 易于引起拉断的应力状态叫做易于引起拉断的应力状态叫做硬性应力状硬性应力状态态；易于引起剪断的应力状态叫做；易于引起剪断的应力状态叫做软性应软性应力状态力状态。 第一节第一节 应力状态软性系数应力状态软性系数9 结论：结论：v（1 1）三向等拉伸时应力状态最硬，因为其切应力）三向等拉伸时应力状态最硬，因为其切应力分量为零，在这种应力状态下，材料容易发生脆分量为零，在这种

7、应力状态下，材料容易发生脆性断裂。性断裂。v例如：例如：对于塑性较好的金属材料，为了充分揭示对于塑性较好的金属材料，为了充分揭示其其脆性倾向脆性倾向，往往采用应力状态硬的三向不等拉，往往采用应力状态硬的三向不等拉伸试验，防止其仅产生塑性断裂；伸试验，防止其仅产生塑性断裂；v（2 2）单向拉伸时，正应力分量较大，切应力分量）单向拉伸时，正应力分量较大，切应力分量较小，应力状态较硬，一般适用于塑性变形抗力较小，应力状态较硬，一般适用于塑性变形抗力与切断抗力较低的与切断抗力较低的所谓塑性材料所谓塑性材料的试验；的试验；第一节第一节 应力状态软性系数应力状态软性系数10v（3 3） 扭转和压缩时应力状

8、态较软，材料易产生扭转和压缩时应力状态较软，材料易产生塑性变形，一般适用于那些在单向拉伸时容易发塑性变形，一般适用于那些在单向拉伸时容易发生脆断而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材生脆断而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料料( (如灰铸铁、淬火高碳钢和陶瓷材料等如灰铸铁、淬火高碳钢和陶瓷材料等) )，以充，以充分揭示其客观存在的分揭示其客观存在的塑性性能塑性性能。v（4 4）材料的硬度试验同于三向不等压缩应力状）材料的硬度试验同于三向不等压缩应力状态，应力状态非常软，因此硬度试验可在各种材态，应力状态非常软，因此硬度试验可在各种材料上进行。料上进行。第一节第一节 应力状态软性系数应力状态软性

9、系数11v 2.1 2.1 单向压缩试验单向压缩试验v 1、压缩试验：、压缩试验：对试样施加轴向压力，在对试样施加轴向压力，在其变形和断裂过程中测定材料的强度和塑其变形和断裂过程中测定材料的强度和塑性等力学性能指标的试验方法。性等力学性能指标的试验方法。v 2、压缩试验试样形状：、压缩试验试样形状：通常为圆柱形，通常为圆柱形，也可用立方体和棱柱体。在有侧向约束装也可用立方体和棱柱体。在有侧向约束装置以防试样屈曲的条件下，也可采用板状置以防试样屈曲的条件下，也可采用板状试样。试样。第二节第二节 压缩压缩12v3、压缩试验试样尺寸：、压缩试验试样尺寸：为了防止试验时试为了防止试验时试样的纵向失稳，

10、对于脆性材料和低塑性材样的纵向失稳，对于脆性材料和低塑性材料其试样的高度料其试样的高度h0和直径和直径d0之比不应大于之比不应大于2，最好，最好h0/d0=1.52。v说明：说明：由于试样端面摩擦的作用，试样尺寸由于试样端面摩擦的作用，试样尺寸h0/d0对压缩变形量及其形变抗力有很大影响。为排除对压缩变形量及其形变抗力有很大影响。为排除这种影响，使试验结果可以相互比较，必须采用这种影响，使试验结果可以相互比较，必须采用相同的相同的h0/d0试样。试样。 2.1 单向压缩试验单向压缩试验13v4 4、压缩曲线：、压缩曲线：压缩试验时，材料抵抗外力压缩试验时，材料抵抗外力变形和断裂情况也可用压力和

11、变形的关系变形和断裂情况也可用压力和变形的关系曲线来表示，称为压缩曲线。曲线来表示，称为压缩曲线。 2.1 单向压缩试验单向压缩试验14v 单向压缩时应力状态软性单向压缩时应力状态软性系数大，故用于测定脆性系数大，故用于测定脆性材料，如铸铁、轴承合金材料，如铸铁、轴承合金、水泥和砖石等的力学性、水泥和砖石等的力学性能。能。v 由于压缩时的应力状态较由于压缩时的应力状态较软，故在拉伸、扭转和弯软，故在拉伸、扭转和弯曲试验时不能显示的力学曲试验时不能显示的力学行为，而在压缩时有可能行为，而在压缩时有可能获得。获得。v 压缩可以看作是反向拉伸压缩可以看作是反向拉伸。因此，拉伸试验时所定。因此，拉伸试

12、验时所定义的各个力学性能指标和义的各个力学性能指标和相应的计算公式，在压缩相应的计算公式，在压缩试验中基本上都能应用。试验中基本上都能应用。2.1 单向压缩试验单向压缩试验金属压缩曲线金属压缩曲线 1脆性材料脆性材料 2塑性材料塑性材料 155、单向压缩试验的力学性能指标、单向压缩试验的力学性能指标v抗压强度：抗压强度：试样压至破坏过程时的最大应试样压至破坏过程时的最大应力称为抗压强度。力称为抗压强度。v压缩曲线上确定最大压缩力压缩曲线上确定最大压缩力Fbc （或直接从（或直接从试验机的测力圆盘上读出），然后按下式试验机的测力圆盘上读出），然后按下式计算：计算： 2.1 单向压缩试验单向压缩试

13、验16v（1）单向压缩试验）单向压缩试验的应力状态软性系数的应力状态软性系数=2，比拉伸、扭转、，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，弯曲的应力状态都软，所以所以主要用于拉伸时主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力呈脆性的金属材料力学性能的测定学性能的测定，以显，以显示这类材料在塑性状示这类材料在塑性状态下的力学行为。态下的力学行为。2.2 压缩试验的特点压缩试验的特点17v（2 2）拉伸时塑性很好的拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂。变形而不会断裂。v脆性金属材料在拉伸时产脆性金属材料在拉伸时产生来自于载荷轴线的正断，生来自于载荷轴线的正断，塑性变形量几乎为零

14、；而塑性变形量几乎为零；而在压缩时除能产生一定的在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线塑性变形外，常沿与轴线呈呈45方向产生断裂，具方向产生断裂，具有有切断特征切断特征。2.2 压缩试验的特点压缩试验的特点18v对于接触面处承受多向压缩应力的机件对于接触面处承受多向压缩应力的机件，如滚动轴承、套圈与滚动体，常采用，如滚动轴承、套圈与滚动体，常采用多向压缩实验。多向压缩实验。2.2 压缩试验的特点压缩试验的特点19v 3.1 3.1 弯曲试验方法弯曲试验方法v金属杆状试样承受弯矩作用后，其内部应力主要为正金属杆状试样承受弯矩作用后，其内部应力主要为正应力，与单向拉伸和压缩时产生的应力类同。

15、应力，与单向拉伸和压缩时产生的应力类同。但由于但由于杆件截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零杆件截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变化，且应力方向发生变化，因此，金属在弯曲加裁下所因此，金属在弯曲加裁下所表现的力学行为与单纯拉应力或压应力作用下时不完表现的力学行为与单纯拉应力或压应力作用下时不完全相同。全相同。v例如，例如，很多材料的拉伸弹性模量与压缩弹性模量不同很多材料的拉伸弹性模量与压缩弹性模量不同，而弯曲弹性模量却是两者的复合结果，而弯曲弹性模量却是两者的复合结果。又如，在拉。又如，在拉伸或压缩载荷下产生屈服现象的金属，在弯曲载荷下伸或压缩载荷下产生屈服现象

16、的金属，在弯曲载荷下显示不出来。因此，对于承受弯曲载荷的机件如轴、显示不出来。因此，对于承受弯曲载荷的机件如轴、板状弹簧等，常用弯曲试验测定其力学性能，以作为板状弹簧等，常用弯曲试验测定其力学性能，以作为设计或选材的依据。设计或选材的依据。第三节第三节 弯曲弯曲20v 弯曲试验时，将圆柱形或矩形试样放置在弯曲试验时，将圆柱形或矩形试样放置在一定跨距一定跨距L Ls s的支座上，进行三点弯曲或四的支座上，进行三点弯曲或四点弯曲加载，通过记录弯曲力点弯曲加载，通过记录弯曲力F F和试样挠和试样挠度度f f之间的关系曲线，确定金属在弯曲力之间的关系曲线，确定金属在弯曲力作用下的力学性能。作用下的力学

17、性能。3.1 弯曲试验方法弯曲试验方法211、加载方式：、加载方式：三点弯曲加载、四点弯曲加载。三点弯曲加载、四点弯曲加载。（1）四点弯曲：）四点弯曲：（二等值载荷）两加载点之间试件受到（二等值载荷）两加载点之间试件受到等弯矩的作用，试件通常在该长度内具有组织缺陷处等弯矩的作用，试件通常在该长度内具有组织缺陷处发生断裂，能较好地反映材料的性质，实验结果较准发生断裂，能较好地反映材料的性质，实验结果较准确。但必须注意加载的均衡。确。但必须注意加载的均衡。（2）三点弯曲加载：）三点弯曲加载：试件在最大弯矩附近处断裂，方法试件在最大弯矩附近处断裂，方法简单，故常用。简单，故常用。3.1 弯曲试验方法

18、弯曲试验方法223.1 弯曲试验方法弯曲试验方法2、弯曲图：、弯曲图：试验时，在试件跨试验时，在试件跨距的中心测定挠度，绘制载荷距的中心测定挠度，绘制载荷F（或弯矩（或弯矩M）与试样最大挠）与试样最大挠度度fmax之间的关系曲线。之间的关系曲线。v 材料的塑性：材料的塑性：用最大弯曲挠度用最大弯曲挠度fmax表示。表示。v fmax值可由百分表或挠度计直值可由百分表或挠度计直接读出；即材料的变形性能由接读出；即材料的变形性能由最大挠度最大挠度fmax表征。表征。 v 高塑性材料，弯曲实验不能使高塑性材料，弯曲实验不能使试件发生断裂，曲线最后部分试件发生断裂，曲线最后部分可延伸很长，难于测定塑性

19、材可延伸很长，难于测定塑性材料强度，故不采用弯曲实验。料强度，故不采用弯曲实验。对这些材料应采用拉伸试验。对这些材料应采用拉伸试验。 233.1 弯曲试验方法弯曲试验方法243.1 弯曲试验方法弯曲试验方法253.1 弯曲试验方法弯曲试验方法263.1 弯曲试验方法弯曲试验方法v3、脆性材料的抗弯强度、脆性材料的抗弯强度 bb bb=Mb / W v Mb为试件断裂时的弯矩为试件断裂时的弯矩 。v 根据弯曲图上的最大载荷根据弯曲图上的最大载荷Fb,按下式计算：按下式计算：v 三点弯曲试件三点弯曲试件: Mb=FbLs s4. v 四点弯曲试件四点弯曲试件: Mb=Fbl2v W为试样抗弯截面系

20、数。为试样抗弯截面系数。v 直径为直径为d0的圆柱试样：的圆柱试样：W= (m3)。v 宽度为宽度为b，高度为，高度为h的矩形试样：的矩形试样：W (m3)。27v（1）弯曲试验的试样形状简单、操作方便）弯曲试验的试样形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的试样偏斜对结果的，不存在拉伸试验时的试样偏斜对结果的影响，可用弯曲的挠度显示材料的塑性。影响，可用弯曲的挠度显示材料的塑性。 弯曲试验方法常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬弯曲试验方法常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。v（2）弯曲试验时，样品表

21、面应力最大，可）弯曲试验时，样品表面应力最大，可灵敏的反映材料表面的缺陷。灵敏的反映材料表面的缺陷。 常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。件的质量和性能。3.2 弯曲试验的特点弯曲试验的特点28v4.1 4.1 扭转试验扭转试验v扭转试验主要采用扭转试验主要采用直样直样d d0 0=10mm=10mm、标距长度、标距长度L L0 0分别分别为为50mm50mm或或100mm100mm的圆柱形试样的圆柱形试样。v试验时，对试样施加扭矩试验时，对试样施加扭矩T T，随扭矩增加，试样标，随扭矩增加，试样标距距L L0 0间的

22、两个横截面不断产生相对转动，其相对间的两个横截面不断产生相对转动，其相对扭角以扭角以（单价为（单价为radrad）表示。）表示。第四节第四节 扭转扭转29v扭转图扭转图: :根据每一时刻加于试样上的扭矩根据每一时刻加于试样上的扭矩T T和扭转角和扭转角 ( (在试样标距在试样标距L L0 0上的两个截面上的两个截面间的相对扭转角间的相对扭转角) )绘制成绘制成T T曲线，称为曲线，称为扭转图扭转图。4.2 扭转扭转试验试验30v扭转力学性能指标扭转力学性能指标: :v（1 1）切变模量切变模量G G v在弹性范围内，切应力与切应变之比称为在弹性范围内，切应力与切应变之比称为切变模量。切变模量。

23、4.2 扭转扭转试验试验31v（2 2）扭转屈服点扭转屈服点sv具有明显拉伸物理屈服现象的金属材料，具有明显拉伸物理屈服现象的金属材料，扔转试验时也同样有屈服现象。在扭转曲扔转试验时也同样有屈服现象。在扭转曲线或试验机扭矩度盘上读出屈服时的扭矩线或试验机扭矩度盘上读出屈服时的扭矩T Ts，则，则扭转屈服点扭转屈服点s为为s =T=Ts/W/W W W是试样抗扭截面系数是试样抗扭截面系数4.2 扭转扭转试验试验32v（3 3）抗扭强度）抗扭强度bv试样在扭断前承受的最大扭矩试样在扭断前承受的最大扭矩( (T Tb) )，利用，利用弹性扭转公式计算的切应力称为抗扭强度弹性扭转公式计算的切应力称为抗

24、扭强度，即，即b =T=Tb/W/WvT Tb可从扭转曲线上求出或从试验机扭矩度可从扭转曲线上求出或从试验机扭矩度盘上读出。盘上读出。4.2 扭转扭转试验试验33v图图2-92-9为为20CrMnTi20CrMnTi钢渗碳层表面含碳量对抗扭强钢渗碳层表面含碳量对抗扭强度的影响。由图可见，控制表面含碳量度的影响。由图可见，控制表面含碳量w(C)w(C)为为0.90.9-1.1-1.1，可获得最大的抗扭强度。这对指，可获得最大的抗扭强度。这对指导生产是很有意义的。导生产是很有意义的。4.2 扭转扭转试验试验34v扭转试验及其测定的性能指标可作为扭转条件下扭转试验及其测定的性能指标可作为扭转条件下服

25、役的机件设计和选材的依据外，在材料的试验服役的机件设计和选材的依据外，在材料的试验研究中，也是一种重要测试手段，这是因为扭转研究中，也是一种重要测试手段，这是因为扭转试验具有如下试验具有如下特点特点：v（1 1）应力状态软性系数应力状态软性系数=0.8，比拉伸时的，比拉伸时的大大，易于显示金属的塑性行为。，易于显示金属的塑性行为。v（2 2）圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象，所以能实现大塑性变是均匀的，没有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量下的试验。形量下的试验。4.3 扭转扭转试验的特点试验的特点35v（3 3）能较敏感的反映出金属

26、表面缺陷及表面硬能较敏感的反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。化层的性能。v（4 4）扭转试验时的最大正应力与最大切应力在扭转试验时的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生产上所用大部分金属材料数值上大体相等，而生产上所用大部分金属材料的正断抗力大于切断抗力，所以扭转试验是测定的正断抗力大于切断抗力，所以扭转试验是测定这些材料切断抗力最可靠的方法。这些材料切断抗力最可靠的方法。v此外，根据扭转试样的宏观断口特征，还可明确此外，根据扭转试样的宏观断口特征，还可明确区分金属材料最终断裂方式是正断还是切断。区分金属材料最终断裂方式是正断还是切断。4.3 扭转扭转试验的特点试验的特点36v 切

27、断断口切断断口：塑性材料的：塑性材料的断裂面与试样轴线垂直断裂面与试样轴线垂直，断口平整，有回旋状，断口平整，有回旋状塑性变形痕迹，这是由塑性变形痕迹，这是由切应力作用的结果；切应力作用的结果；v 正断断口正断断口：脆性材料的：脆性材料的断裂面与试样轴线成断裂面与试样轴线成 4545 角，呈螺旋状，角，呈螺旋状，这是在正应力作用的结这是在正应力作用的结果。果。v 木纹状断口木纹状断口：断裂面顺：断裂面顺着试样轴线形成纵向剥着试样轴线形成纵向剥层或裂纹。层或裂纹。4.3 扭转扭转试验的特点试验的特点37v这是因为金属中存在较多的非金属夹杂物或偏析这是因为金属中存在较多的非金属夹杂物或偏析，并在轧

28、制过程中使其沿轴向分布，降低了试样，并在轧制过程中使其沿轴向分布，降低了试样轴向切断强度造成的。因此，可以根据断口宏观轴向切断强度造成的。因此，可以根据断口宏观特征来判断承受扭矩而断裂的机件的性能。特征来判断承受扭矩而断裂的机件的性能。4.3 扭转扭转试验的特点试验的特点38v结论：结论：v优点：优点：扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料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，有着其的剪切变形和断裂的全部力学性能指标，有着其它力学性能试验方法所无法比拟的优点。因此，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广泛地应用扭转试验在科研

29、和生产检验中得到较广泛地应用。v缺点：缺点：表面切应力大，越往心部切应力越小，当表面切应力大，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，很表层发生塑性变形时，心部仍处于弹性状态，很难精确地测定表层开始塑性变形的时刻，故用扭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转试验难以精确地测定材料的微量塑性变形抗力。4.3 扭转扭转试验的特点试验的特点39v5.1 5.1 缺口效应缺口效应v前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，实际验方法，都是采用横截面均匀的

30、光滑试样，实际生产的机件，截面上往往存在截面的急剧变化，生产的机件，截面上往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、螺纹及焊缝等。这种截面变化的如键槽、油孔、螺纹及焊缝等。这种截面变化的部位可称为部位可称为“缺口缺口”。v由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将会发生变化，产生所谓的的应力状态将会发生变化，产生所谓的“缺口效缺口效应应”，从而影响金属材料的力学性能。，从而影响金属材料的力学性能。第五节第五节 缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验40v一、缺口试样在弹性状态下的应力分布一、缺口试样在弹性状态下的应力分布5.1 缺口效应缺口效应v

31、假设一个薄板的边缘开有假设一个薄板的边缘开有缺口，并承受拉应力缺口，并承受拉应力的的作用，当板材处于弹性范作用，当板材处于弹性范围内时，其缺口截面上的围内时，其缺口截面上的应力分布如右图所示。应力分布如右图所示。v从图可看出，缺口截面上从图可看出，缺口截面上的应力分布不均匀，轴向的应力分布不均匀，轴向应力应力y在缺口根部最大在缺口根部最大，随着距离的增加，随着距离的增加，y不断下降，所以在缺口根不断下降，所以在缺口根部产生了部产生了应力集中应力集中的现象的现象。41v缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，前方的应力状态，使缺口试

32、样或机件中所受的应力使缺口试样或机件中所受的应力，由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状，由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，这种状态由板厚或直径决定。态，这种状态由板厚或直径决定。v两向或三向不等拉伸的应力状态软性系数两向或三向不等拉伸的应力状态软性系数b。v 这种由缺口引起的屈这种由缺口引起的屈服强度增大现象称为服强度增大现象称为几几何强化何强化，但它不能作为强化手段使用。，但它不能作为强化手段使用。圆柱缺口试样断裂过程圆柱缺口试样断裂过程45脆性材料脆性材料 中等塑性中等塑性 塑性材料塑性材料纤维区纤维区46v 金属材料的金属材料的缺口敏感性指标缺口敏感性指标用缺口试样的抗

33、用缺口试样的抗拉强度拉强度bn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度b的比值表示，称为的比值表示，称为缺口敏感度缺口敏感度，记为，记为NSR(Notch Sensitivity Ratio)vNSRNSR越大，缺口敏感性越小。越大，缺口敏感性越小。脆性材料如铸铁、高脆性材料如铸铁、高碳钢的碳钢的NSRNSR总是小于总是小于1 1，表明缺口根部尚未发生明显，表明缺口根部尚未发生明显塑性变形时就已经断裂，对缺口很敏感。塑性变形时就已经断裂，对缺口很敏感。v高强度材料的高强度材料的NSRNSR一般也小于一般也小于1 1；塑性材料；塑性材料般般NSRNSR大于大于1 1。5.2

34、缺口试样静拉伸试验缺口试样静拉伸试验47v用途：用途：v缺口静拉伸试验，广泛应用于高强度钢（淬缺口静拉伸试验，广泛应用于高强度钢（淬火低中温回火）的力学性能、钢和钛的氢脆火低中温回火）的力学性能、钢和钛的氢脆，以及研究高温合金的缺口敏感性等。，以及研究高温合金的缺口敏感性等。5.2 缺口试样静拉伸试验缺口试样静拉伸试验48v缺口静弯曲试验也可显示材料的缺口敏感性缺口静弯曲试验也可显示材料的缺口敏感性，由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠，由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的应力应变分布的不均加，使试样缺口弯曲的应力应变分布的不均匀性较缺口拉伸时更甚，但应力应变的多向匀性较缺

35、口拉伸时更甚，但应力应变的多向性则减少。性则减少。5.3 缺口试样静弯曲试验缺口试样静弯曲试验49v缺口静弯曲试验可采用下图所示的试样及装置。也缺口静弯曲试验可采用下图所示的试样及装置。也可采用尺寸为可采用尺寸为l0mml0mm10mm10mm55mm55mm、缺口深度为、缺口深度为2mm2mm、夹角为、夹角为6060 的的V V型缺口试样。试验时记录弯曲曲型缺口试样。试验时记录弯曲曲线（试验力线（试验力F F与挠度与挠度f f关系曲线），直至试样断裂。关系曲线），直至试样断裂。5.3 缺口试样静弯曲试验缺口试样静弯曲试验50v下图为某种金属材料的缺口试样静弯曲曲线。试样下图为某种金属材料的缺

36、口试样静弯曲曲线。试样在在F Fmaxmax时形成裂纹，在时形成裂纹，在F F1 1时裂纹扩展到临界尺寸随即时裂纹扩展到临界尺寸随即失稳扩展而断裂。曲线所包围的面积分为弹性区失稳扩展而断裂。曲线所包围的面积分为弹性区、塑性区、塑性区和断裂区和断裂区。各区所占面积分别表示弹。各区所占面积分别表示弹性变形功、塑性变形劝和断裂功的大小。性变形功、塑性变形劝和断裂功的大小。5.3 缺口试样静弯曲试验缺口试样静弯曲试验51v断裂功的大小取决于材料塑性。塑性好的材料裂纹断裂功的大小取决于材料塑性。塑性好的材料裂纹扩展慢，断裂功增大，因此扩展慢，断裂功增大，因此可用断裂功或可用断裂功或F FmaxmaxF

37、F1 1的的比值来表示金属的缺口敏感度比值来表示金属的缺口敏感度。v断裂功大或断裂功大或F FmaxmaxF F1 1大，缺口敏感性小；反之，缺口大，缺口敏感性小；反之，缺口敏感性大敏感性大。v若断裂功为零或若断裂功为零或F FmaxmaxF F1 1 1 1，表明裂纹扩展极快、，表明裂纹扩展极快、金属易产生突然脆性断裂，缺口敏感性最大。金属易产生突然脆性断裂，缺口敏感性最大。5.3 缺口试样静弯曲试验缺口试样静弯曲试验52v 6.1 6.1 金属硬度的意义及硬度试验的特点金属硬度的意义及硬度试验的特点v硬度试验方法很多，大体上分为弹性回跳法硬度试验方法很多，大体上分为弹性回跳法( (如肖如肖

38、氏硬度氏硬度) )、压入法、压入法( (如布氏硬度、洛氏硬度、维氏如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等硬度等) )和划痕法和划痕法( (如莫氏硬度如莫氏硬度) )等三类。等三类。v硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。v其其物理意义物理意义随试验方法不同而不同。例如，划痕随试验方法不同而不同。例如，划痕法硬度值主要表征金属切断强度；回跳法硬度值法硬度值主要表征金属切断强度；回跳法硬度值主要表征金属弹性变形功的大小；压入法硬度值主要表征金属弹性变形功的大小；压入法硬度值则表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力。因此则表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力。因此，“硬度硬

39、度”不是金属独立的力学性能。不是金属独立的力学性能。第六节第六节 硬度硬度53v压入硬度试验方法的应力状态软性系数压入硬度试验方法的应力状态软性系数 2 2。在这。在这样的应力状态下，几乎所有的金属材料都能产生塑样的应力状态下，几乎所有的金属材料都能产生塑性变形。因此，这种试验方法不仅可测定塑性金属性变形。因此，这种试验方法不仅可测定塑性金属材料的硬度，也可测定淬火钢、硬质合金甚至陶瓷材料的硬度，也可测定淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。等脆性材料的硬度。6.1 金属硬度的意义及硬度试验的特点金属硬度的意义及硬度试验的特点546.1 金属硬度的意义及硬度试验的特点金属硬度的意义及硬度试

40、验的特点v优点：优点：v硬度试验一般仅在金属表面局部体积内产生很小的硬度试验一般仅在金属表面局部体积内产生很小的压痕压痕，因而很多机件可在成品上试验，而无需专门，因而很多机件可在成品上试验，而无需专门加工试样。硬度试验也易于检查金属表面层的质量加工试样。硬度试验也易于检查金属表面层的质量( (如脱碳如脱碳) )、表面淬火和化学热处理后的表面性能等、表面淬火和化学热处理后的表面性能等。v应用：应用：v硬度试验由于设备简单，操作方便、迅速，同时又硬度试验由于设备简单，操作方便、迅速，同时又能敏感地反映出金属材料的化学成分和组织结构的能敏感地反映出金属材料的化学成分和组织结构的差异，因而被广泛用于检

41、查金属材料的性能、热加差异，因而被广泛用于检查金属材料的性能、热加工工艺的质量或研究金属组织结构的变化。工工艺的质量或研究金属组织结构的变化。55v一、布氏硬度试验一、布氏硬度试验v原理：原理：v用一定直径用一定直径D（mm）的硬质合金球为压头的硬质合金球为压头，施以一定的试验力，施以一定的试验力F（N），将其压入试样），将其压入试样表面（右图表面（右图a），经过），经过规定的保持时间规定的保持时间t（s）后卸除试验力，试）后卸除试验力，试样表面将残留压痕（样表面将残留压痕（右图右图b）。测量压痕的）。测量压痕的平均直径平均直径d（mm），），求得压痕球形面积求得压痕球形面积A（mm2）。）。

42、6.2 硬度试验硬度试验56v 6.2 硬度试验硬度试验57v布氏硬度试验用的压头直径布氏硬度试验用的压头直径D有有10mm、5mm、2.5mm和和1mm四种，主要根据试样四种，主要根据试样厚度选择，应使压痕深度厚度选择，应使压痕深度h小于试样厚度的小于试样厚度的1/8。当试样厚度足够时，应尽量选用直径为。当试样厚度足够时，应尽量选用直径为10mm的压头球。的压头球。v试验力保持时间为试验力保持时间为101015s15s；对试验力要求保；对试验力要求保持时间较长的材料，试验力保持时间允许误持时间较长的材料，试验力保持时间允许误差为差为2s2s。6.2 硬度试验硬度试验58v布氏硬度试验时一般采

43、用直径较大的压头，布氏硬度试验时一般采用直径较大的压头，因而所得压痕面积较大。压痕面积大的因而所得压痕面积较大。压痕面积大的优点优点：v（1）硬度值能反映金属在较大范围内各组成硬度值能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，而不受个别组成相及微小不相的平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响。均匀性的影响。 因此，布氏硬度试验特别适用于测定因此，布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度材料的硬度。v（2）试验数据稳定、重复性强。试验数据稳定、重复性强。6.2 硬度试验硬度试验59v布氏硬度试验的布氏硬度试

44、验的缺点缺点：v对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也铰麻烦，因而用于自动检测时，压痕直径的测量也铰麻烦，因而用于自动检测时受到限制。当压痕直径较大时，不宜在成品上进行受到限制。当压痕直径较大时，不宜在成品上进行试验。试验。6.2 硬度试验硬度试验v布氏硬度计试验法主要用于铸布氏硬度计试验法主要用于铸铁、钢材、有色金属及软合金铁、钢材、有色金属及软合金等材料的硬度测定等材料的硬度测定，v此外还可以用于塑料、电木等此外还可以用于塑料、电木等某些非金属材料硬度的测定。某些非金属材料硬度的测定。v适用于工厂、车间、试验室、适用于工厂

45、、车间、试验室、大专院校和科研机构。大专院校和科研机构。60v表示方法：表示方法：v一般记为一般记为“数字硬度符号数字硬度符号HBW数字数字/数字数字/数字数字”的形式，的形式，符号前面的数字为硬度值，符号后面的符号前面的数字为硬度值，符号后面的数字依次表示钢球直径、载荷大小及载荷保持时间数字依次表示钢球直径、载荷大小及载荷保持时间等试验条件。等试验条件。v例：当用例：当用10 mm淬火钢球，在淬火钢球，在3000 kgf载荷作用下载荷作用下保持保持30 s时测得的硬度值为时测得的硬度值为280，则记为，则记为280HBS/3000/30。当保持时间为。当保持时间为1015s时可不标时可不标注

46、。注。v如，如，50HBW5/750表示用直径为表示用直径为5 mm的硬质合金的硬质合金球，在球，在750 kgf载荷作用下保持载荷作用下保持1015s测得的布氏测得的布氏硬度值为硬度值为50。 6.2 硬度试验硬度试验61v二、洛氏硬度试验二、洛氏硬度试验v洛氏硬度试验以测量压痕深度表示材料的硬度值。洛氏硬度试验以测量压痕深度表示材料的硬度值。v洛氏硬度试验所用的压头有两种：洛氏硬度试验所用的压头有两种： （1 1）圆锥角）圆锥角 =120120的金刚石的金刚石圆锥体；圆锥体； （2 2）一定直径的小淬火钢球或）一定直径的小淬火钢球或硬质合金球。硬质合金球。6.2 硬度试验硬度试验626.2

47、 硬度试验硬度试验v （a）试验时先加初始试）试验时先加初始试验力验力F0，以保证压头与试，以保证压头与试样表面接触良好，得到一样表面接触良好，得到一个压痕深度个压痕深度h0，此时指针，此时指针指零。指零。v （b）施加主作用力）施加主作用力F1，压头压入深度为压头压入深度为h1，表逆，表逆时针转到相应刻度位置，时针转到相应刻度位置，h1包括弹性变形与塑性变包括弹性变形与塑性变形。形。v （c）F1卸除后，总变形卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头中的弹性变形恢复，压头回升一段距离（回升一段距离（h2-h1），此时塑性变形深度即为，此时塑性变形深度即为压痕深度压痕深度h，最终表盘指，最终表盘指

48、针所指即为洛氏硬度值。针所指即为洛氏硬度值。63v 为了能在一台硬度计上测定不同软、硬或厚、薄试样的硬度为了能在一台硬度计上测定不同软、硬或厚、薄试样的硬度，可采用不同的压头和试验力组合成几种不同的洛氏硬度标，可采用不同的压头和试验力组合成几种不同的洛氏硬度标尺。用不同标尺测定的洛氏硬度符号在尺。用不同标尺测定的洛氏硬度符号在HRHR后面加标尺字母表后面加标尺字母表示。字母有示。字母有A A、B B、CC顺序至顺序至H H、K K九个，故格氏硬度标尺有九个，故格氏硬度标尺有九种，常用的为九种，常用的为HRAHRA、HRBHRB和和HBCHBC三种。三种。6.2 硬度试验硬度试验64v洛氏硬度的

49、表示方法：洛氏硬度的表示方法：v硬度值、符号硬度值、符号HRHR、标尺字母。、标尺字母。v如如60HRC60HRC表示用表示用C C标尺测得的洛氏硬度值为标尺测得的洛氏硬度值为60.60.vB B标尺洛氏硬度有两种材料的球压头，在硬度符号标尺洛氏硬度有两种材料的球压头，在硬度符号后面要加以明示：后面要加以明示：钢球用钢球用S S表示；硬质合金球用表示；硬质合金球用W W表表示示。v如如60HRBW60HRBW表示用硬质合金球压头在表示用硬质合金球压头在B B标尺上测得的标尺上测得的洛氏硬度值为洛氏硬度值为6060。v注意，使用两种类型材料的球压头，硬度测试的结注意，使用两种类型材料的球压头，硬

50、度测试的结果不同。果不同。6.2 硬度试验硬度试验65v洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：v1. 操作简便、迅速、硬度值可直接读出；操作简便、迅速、硬度值可直接读出；v2. 压痕较小，可在工件上直接实验；压痕较小，可在工件上直接实验；v3. 采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属和厚薄采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度，可广泛用于热处理质量检验。不一的试样的硬度，可广泛用于热处理质量检验。v洛氏硬度的缺点：洛氏硬度的缺点：v1. 压痕较小，代表性差；压痕较小，代表性差；v2. 若材料中存在偏析及组织不均匀等缺陷，则所测若材料中存在偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差

51、，分散度大；硬度值重复性差，分散度大；v3. 用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。接比较。6.2 硬度试验硬度试验66v三、维氏硬度试验三、维氏硬度试验v维氏硬度试验的原理与布氏硬度相同，也是根据压维氏硬度试验的原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。v不同的是维氏硬度试验的不同的是维氏硬度试验的 压头不是球体，而是两相压头不是球体，而是两相 对面间夹角对面间夹角为为136的金的金 刚石四棱锥体。刚石四棱锥体。6.2 硬度试验硬度试验676.2 硬度试验硬度试验68v压头在试验

52、力压头在试验力F（N）作用下将样品表面压出一个）作用下将样品表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验力四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验力，测量压痕对角线平均长度，测量压痕对角线平均长度d，d=(d1+d2)/2，来计，来计算压痕的表面积算压痕的表面积A（mm2）。）。6.2 硬度试验硬度试验69v维氏硬度值（维氏硬度值（HV）为试验力）为试验力F除以压痕表面积除以压痕表面积A所所得的商，即得的商，即v维氏硬度值也不标注单位。维氏硬度值也不标注单位。v维氏硬度试验之所以采用正四棱锥体压头，是为维氏硬度试验之所以采用正四棱锥体压头，是为了当改变试验力时，压痕的几何形状总保持相似了当改变试验力时，压痕的几何形状总保持相似，而不致影响硬度值。，而不致影响硬度值。6.2 硬度试验硬度试验70v维氏硬度试验常用试验力范围为维氏硬度试验常用试验力范围为49.03980.7N。使用时应视零件厚度及材料的预期硬度，尽可能使用时应视零件厚度及材料的预期硬度，尽可能选取较大试验力，以减小压痕尺寸的测量误差。选取较大试验力，以减小压痕尺寸的测量误差。6.2