第二章 金属在其它静载荷作用下的力学性能

1、第二章第二章 材料在其他静载下材料在其他静载下的力学性能的力学性能第一节第一节 应力状态软性系数应力状态软性系数 第二节第二节 压缩、弯曲、扭转性能压缩、弯曲、扭转性能 第三节第三节 缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验 第四节第四节 硬硬 度度 本章意义本章意义 金属材料制成的各种机件，除了承受单向拉伸金属材料制成的各种机件，除了承受单向拉伸以外，还承受压缩、弯曲、扭转等加载方式，以外，还承受压缩、弯曲、扭转等加载方式，不同不同的加载方式，其应力状态不同的加载方式，其应力状态不同。 本章将介绍金属材料在压缩、弯曲、扭转和缺本章将介绍金属材料在压缩、弯曲、扭转和缺口拉伸等试验方法及其测定的力学

2、性能指标。口拉伸等试验方法及其测定的力学性能指标。 本章将硬度试验作为一种静载荷试验方法加以本章将硬度试验作为一种静载荷试验方法加以介绍。介绍。最大强度理论最大强度理论 最大拉应力理论（第一）最大拉应力理论（第一） 最大拉应变理论（第二）最大拉应变理论（第二）nb1n为安全系数为安全系数Eb1最大强度理论最大强度理论 最大切应力理论（第三）最大切应力理论（第三） 最大剪切变形能理论（第四）最大剪切变形能理论（第四） 屈服条件：屈服条件：nsmaxn为安全系数为安全系数21323222121s2ss2-1 2-1 应力状态系数应力状态系数 一、问题的引出一、问题的引出 金属材料在一定承载条件下金

3、属材料在一定承载条件下产生何种失效形式，产生何种失效形式，除与载荷大小、材料性质有关外，还与在承载条件除与载荷大小、材料性质有关外，还与在承载条件下的应力状态有关下的应力状态有关。 不同的应力状态，其最大正应力不同的应力状态，其最大正应力maxmax与最大切与最大切应力应力maxmax的相对大小是不同的，对金属的变形和断的相对大小是不同的，对金属的变形和断裂性质将产生不同的影响。如：裂性质将产生不同的影响。如：铸铁拉伸时呈脆性铸铁拉伸时呈脆性断裂，但硬度试验时，仍能形成压痕断裂，但硬度试验时，仍能形成压痕。 二、主应力概念 对于任意应力状态，总可以找到这样一对于任意应力状态，总可以找到这样一组

4、互相垂直的平面，在这组平面上，组互相垂直的平面，在这组平面上，只只有正应力有正应力，没有切应力，这样的平面叫，没有切应力，这样的平面叫主平面主平面，主平面上的应力叫，主平面上的应力叫主应力主应力。321,用用 表示。表示。1 2 3根据这三个主应力，根据这三个主应力，按按最大切应力最大切应力理论（第三强度理论），可以计算理论（第三强度理论），可以计算最大切应力最大切应力2/31max按相当按相当最大正应力最大正应力理论（第二强度理论），可理论（第二强度理论），可以计算最大正应力以计算最大正应力321max为泊松比三、应力状态软性系数三、应力状态软性系数 在三向应力状态下，最大切应力与最大正应力

5、的比在三向应力状态下，最大切应力与最大正应力的比值称为应力状态软性系数，用值称为应力状态软性系数，用 表示。表示。32131maxmax2 越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形。反之，材料越易于产生塑性变形。反之， 越越小，表示应小，表示应力状态越硬力状态越硬 ，材料越容易产生脆性断裂。，材料越容易产生脆性断裂。 低塑性材料只有采用低塑性材料只有采用大的加载方式，才能表大的加载方式，才能表现出塑性。现出塑性。对于对于塑性较好的材料塑性较好的材料只有采用只有采用小的加小的加载方式，使之在更硬的应力状态下显示其脆性倾载方式，

6、使之在更硬的应力状态下显示其脆性倾向。向。 四、不同的加载方式下的应力状态软性系数四、不同的加载方式下的应力状态软性系数 不同的加载方式，其应力状态软性系数不同的加载方式，其应力状态软性系数不同，不同，详如表所示：详如表所示：加载加载方式方式三向三向等拉等拉伸伸三向三向不等不等拉伸拉伸单单向向拉拉伸伸扭扭转转二二向向等等压压缩缩单单向向压压缩缩三向三向不等不等压缩压缩三向三向等压等压缩缩0 00.10.10.50.50.80.81 12 24 48 8表：不同的加载方式下的应力状态软性系数表：不同的加载方式下的应力状态软性系数 五、力学状态图五、力学状态图 弗里德曼提出的力学状态图，较好地概弗

7、里德曼提出的力学状态图，较好地概括了应力状态对断裂形式的影响。括了应力状态对断裂形式的影响。 力学状态图力学状态图：纵坐标为最大切应力，横坐：纵坐标为最大切应力，横坐标为最大正应力，自原点作不同斜率的直线，标为最大正应力，自原点作不同斜率的直线，可代表应力状态系数可代表应力状态系数 ，这些直线的位置反，这些直线的位置反映了应力状态对断裂的影响。映了应力状态对断裂的影响。( (图图) )max =2 =1 k 切断区切断区 塑性塑性 变形区变形区 =0.8s =0.5 弹性变形区弹性变形区 正断区正断区 O Sk max 图图1 某材料的力学状态图某材料的力学状态图 力学状态图简单、明确地给出了

8、材料断裂力学状态图简单、明确地给出了材料断裂形式与应力状态的关系。对定性分析和讨论有形式与应力状态的关系。对定性分析和讨论有关断裂问题是很有用的，应用也很方便。关断裂问题是很有用的，应用也很方便。 例如，对例如，对s s、k k和和S Sk k各不相同的各种金各不相同的各种金属材料，只有选择与应力状态相适应的试验方属材料，只有选择与应力状态相适应的试验方法进行试验时，才能显示不同材料性能上的特法进行试验时，才能显示不同材料性能上的特点，可将材料分为三种材料。点，可将材料分为三种材料。 max 侧压侧压 单向压缩单向压缩 扭转扭转 单向拉伸单向拉伸 O max 图图 三种材料的力学状态图三种材料

9、的力学状态图 材料（材料（1）：）：除了在侧压（相当于压入法硬除了在侧压（相当于压入法硬度试验时的应力状态）时表现为切断式的韧性断度试验时的应力状态）时表现为切断式的韧性断裂外，在其它施力方式下均表现为正断式的脆性裂外，在其它施力方式下均表现为正断式的脆性断裂。断裂。 显然对这种材料进行拉伸、弯曲、扭转试验显然对这种材料进行拉伸、弯曲、扭转试验时，除了得到一个断裂强度外，其它数据是无法时，除了得到一个断裂强度外，其它数据是无法得知的。普通灰铸铁、淬火高碳钢就相当于这种得知的。普通灰铸铁、淬火高碳钢就相当于这种材料。材料。 材料（材料（2 2）：）：除了材料在单向拉伸时表现为除了材料在单向拉伸时

10、表现为正断式的脆性断裂外，其它较正断式的脆性断裂外，其它较“软软”的应力状态的应力状态下均表现为切断式的韧性断裂。如图所示下均表现为切断式的韧性断裂。如图所示 显然这种材料要知道它的除断裂强度以外的显然这种材料要知道它的除断裂强度以外的其它性能指标，就应该进行扭转试验，而不能进其它性能指标，就应该进行扭转试验，而不能进行单纯的拉伸试验。淬火低温回火高碳钢和某些行单纯的拉伸试验。淬火低温回火高碳钢和某些结构钢就相当于这种材料。结构钢就相当于这种材料。 材料（材料（3）：）：在所有施力方式下，包括单向在所有施力方式下，包括单向拉伸都表现为切断式韧性断裂，显然只要对这拉伸都表现为切断式韧性断裂，显然

11、只要对这种材料进行单向拉伸试验，就可以获得强度、种材料进行单向拉伸试验，就可以获得强度、塑性等力学性能指标。塑性等力学性能指标。 生产中大部分退火、正火、调质的碳素结生产中大部分退火、正火、调质的碳素结构钢和某些低合金结构钢都属于这种情况。这构钢和某些低合金结构钢都属于这种情况。这也正是单向拉伸试验在生产上得到广泛应用的也正是单向拉伸试验在生产上得到广泛应用的原因。原因。 应力状态图的应力状态图的不足之处不足之处主要是主要是s、k和和Sk不不是常数，而是随应力状态、温度、加载速率发生是常数，而是随应力状态、温度、加载速率发生变化，同时，外力发生变化时将引起变化，同时，外力发生变化时将引起max

12、、Smax的变化，应力状态系数也不始终为常数。尽管如的变化，应力状态系数也不始终为常数。尽管如此，利用该图进行定性分析还是可行的。此，利用该图进行定性分析还是可行的。2-2 2-2 压压 缩缩 一、压缩试验的特点一、压缩试验的特点 1 1、单向压缩的应力状态软性系数为单向压缩的应力状态软性系数为2 2，比拉、，比拉、弯、扭更能充分显示脆性材料的脆性差别，对脆性弯、扭更能充分显示脆性材料的脆性差别，对脆性更大的材料或为更加充分地显示脆性材料的脆性差更大的材料或为更加充分地显示脆性材料的脆性差别，还可采用别，还可采用2的多向压缩试验。的多向压缩试验。 2、塑性较好材料（退火钢、黄铜）只能被压塑性较

13、好材料（退火钢、黄铜）只能被压扁，一般不会破坏，扁，一般不会破坏，除特殊需要外，一般不进行压除特殊需要外，一般不进行压缩试验。缩试验。低碳钢的拉伸和压缩比较和压缩后的形状低碳钢的拉伸和压缩比较和压缩后的形状 3 3、脆性材料压缩破坏形式有剪坏和拉坏两种形、脆性材料压缩破坏形式有剪坏和拉坏两种形式。式。 剪坏：断裂面与底面夹角成剪坏：断裂面与底面夹角成45角。角。 拉坏：纤维方向平行于压应力，压缩时横截面拉坏：纤维方向平行于压应力，压缩时横截面积增加，纤维组织横向伸长率不足造成的。积增加，纤维组织横向伸长率不足造成的。 4、压缩试验时，试样端面存在很大的摩擦力，、压缩试验时，试样端面存在很大的摩

14、擦力，这将阻碍试样端面的横向变形（这将阻碍试样端面的横向变形（试样呈腰鼓状试样呈腰鼓状），），影响试验结果的准确性，影响试验结果的准确性，L/do 摩擦力摩擦力，试验时尽，试验时尽量减小摩擦力，但量减小摩擦力，但L/do太大易造成失稳。太大易造成失稳。 根据上述原因根据上述原因可以解释薄而软的铜铝垫圈能承可以解释薄而软的铜铝垫圈能承受很大的紧固力和轧制金属薄板很费力的原因受很大的紧固力和轧制金属薄板很费力的原因。 二、压缩试验方法二、压缩试验方法1、试样试样 分分 侧向无约束试样（圆柱体或正方体试样）侧向无约束试样（圆柱体或正方体试样） 板状试样（需夹在约束装置内进行试验）板状试样（需夹在约束

15、装置内进行试验） 要求要求： 保证试样表面粗糙度，并涂以润滑油或石墨保证试样表面粗糙度，并涂以润滑油或石墨粉，以降低摩擦系数。粉，以降低摩擦系数。 为保证试验结果有可比性，需保证：为保证试验结果有可比性，需保证： L/D0=(2.53.5)或（或（58）或（）或（12） 2、压缩试验、压缩试验 可分为：单向压缩、双向压缩和三向压缩。可分为：单向压缩、双向压缩和三向压缩。 工程中以单向压缩最常见、也是最简单的压缩，工程中以单向压缩最常见、也是最简单的压缩，简称压缩试验。可以看成是反向拉伸；压缩曲线简称压缩试验。可以看成是反向拉伸；压缩曲线（力变形曲线）如图所示（力变形曲线）如图所示 图图 金属材

16、料压缩曲线金属材料压缩曲线第二章 3 、主要性能指标： 1、规定非比例压缩应力pc 2、抗压强度bc试样压至破坏过程中的最大应力。 如果试验时金属材料产生屈服现象，还可测定压缩屈服点sc.0AFpcpc0AFbcbc第二章 三、压缩试验的破坏特征三、压缩试验的破坏特征 在压缩试验时，试样的破坏形式与材料的性在压缩试验时，试样的破坏形式与材料的性质及端面的支撑情况有关。质及端面的支撑情况有关。 1、塑性材料塑性材料，在压缩试验过程中高度减小，在压缩试验过程中高度减小，横截面增大形成腰鼓形，压力继续增加，软钢、横截面增大形成腰鼓形，压力继续增加，软钢、黄铜可压成圆板状，而纯铁则向侧面开裂，如图黄铜

17、可压成圆板状，而纯铁则向侧面开裂，如图(a)(b)所示。所示。 2、低塑性与脆性金属材料低塑性与脆性金属材料如高碳钢、铸铁等，如高碳钢、铸铁等，压缩时试样的破坏形式如图压缩时试样的破坏形式如图(c)所示，试样受压时所示，试样受压时沿斜截面发生剪切错动而破坏。破断面与横截面略沿斜截面发生剪切错动而破坏。破断面与横截面略大于大于45，压缩试样实际角度常在，压缩试样实际角度常在55左右左右(大于大于45是由于两破断面间有摩擦作用的缘故是由于两破断面间有摩擦作用的缘故)。 3、其它脆性材料其它脆性材料如石料、混凝土等压缩试验如石料、混凝土等压缩试验时破坏形式如图时破坏形式如图(d)所示。在试样端面涂油

18、，减小所示。在试样端面涂油，减小端面受压时的摩擦力，可使破坏载荷降低，破坏的端面受压时的摩擦力，可使破坏载荷降低，破坏的形式可由剪坏变为拉坏。形式可由剪坏变为拉坏。2-3 2-3 弯曲试验弯曲试验 金属杆状试样承受弯矩作用后，截面上的应力分金属杆状试样承受弯矩作用后，截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变化。化。 金属在弯曲加载下所表现的力学性能与单纯拉应金属在弯曲加载下所表现的力学性能与单纯拉应力或压应力下的不完全相同。如：力或压应力下的不完全相同。如：在拉伸或压缩载荷在拉伸或压缩载荷下产生屈服现象的金属，在弯曲载荷下显示不

19、出来。下产生屈服现象的金属，在弯曲载荷下显示不出来。 对于承受弯曲载荷的机件如轴、板状弹簧等，常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，以作为设计或选材的依用弯曲试验测定其力学性能，以作为设计或选材的依据。据。 2、弯曲试验时，试样表面应力最大，、弯曲试验时，试样表面应力最大，可可灵敏地反应材料表面缺陷灵敏地反应材料表面缺陷。因此，。因此，常用常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面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热处理机件的质量和性能。二、弯曲实验及其性能指标1 弯曲实验弯曲实验 方形方形 (高高宽，宽，57.5mm,3040mm)矩形矩

20、形 (55mm，3030mm)圆形圆形 (d=545mm)跨距跨距L为直径为直径d或高度或高度h的的16倍倍加载方式加载方式 四点弯曲加载四点弯曲加载三点弯曲加载三点弯曲加载弯曲试验的试样弯曲试验的试样q试验结果：试验结果：载荷载荷F与试样最大挠度与试样最大挠度fmax之间的关系图之间的关系图 典型的弯曲图典型的弯曲图（a）塑性材料塑性材料（b）中等塑性材料）中等塑性材料（c）脆性材料脆性材料 测得的力学性能：测得的力学性能：1）弯曲应力（抗弯强度）弯曲应力（抗弯强度） M最大弯矩，最大弯矩，W抗弯截面系数。抗弯截面系数。 三点弯曲试样：三点弯曲试样： （N.m） 四点弯曲试样：四点弯曲试样：

21、 （N.m） 直径为直径为d0的圆柱型试样：的圆柱型试样： （m3） 宽度为宽度为b，高度为，高度为h的矩型试样：的矩型试样： （m3）WM4maxFLMmax2FKM3230dW62bhW 第二章 二、二、弯曲试验弯曲试验1 1、弯曲试验的特点、弯曲试验的特点1） 弯曲试验的试样形状简单，操作方便。2） 弯曲试验时不存在试样偏斜对试验结果的影响，可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。3） 弯曲试验时，试样的表面应力最大，可较灵敏地反映材料的表面缺陷。 2 2、弯曲试验的应用、弯曲试验的应用1） 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。2） 常用来比较和

22、鉴定渗碳层和表面淬火层等化学热处理及表面热处理机件的质量和性能。2-4 2-4 扭扭 转转 一、应力应变分析一、应力应变分析 1、圆柱体受到扭矩作用时，其应力应变分布、圆柱体受到扭矩作用时，其应力应变分布如图所示。如图所示。 在与试样轴线呈在与试样轴线呈4545的两个斜截面上承受最的两个斜截面上承受最大与最小正应力大与最小正应力1 1及及3 3； 在与试样轴线平行和垂直的截面上承受最大切在与试样轴线平行和垂直的截面上承受最大切应力应力。 两者比值接近于两者比值接近于1 1。 2、在、在弹性变形阶段弹性变形阶段，试样横截面上的，试样横截面上的切应力和切应变沿半径方向的分布是线性切应力和切应变沿半

23、径方向的分布是线性的。如图所示的。如图所示 3、当、当表层产生塑性变形后表层产生塑性变形后，切应变的，切应变的分布仍保持线性关系，但切应力则因塑分布仍保持线性关系，但切应力则因塑性变形而有所降低，不再呈线性分布。性变形而有所降低，不再呈线性分布。如图所示如图所示 二、扭转试验的特点二、扭转试验的特点 1、扭转试验的、扭转试验的应力状态软性系数为应力状态软性系数为0.80.8，比拉，比拉伸的大，易于显示金属的塑性行为，特别是那些在伸的大，易于显示金属的塑性行为，特别是那些在拉伸时呈现脆性的金属材料的塑性性能。拉伸时呈现脆性的金属材料的塑性性能。 2、圆柱形试样扭转时，、圆柱形试样扭转时，整个长度

24、上塑性变形整个长度上塑性变形是均匀的，没有颈缩现象是均匀的，没有颈缩现象。所以能精确地反应出高所以能精确地反应出高塑性材料直至断裂前的变形能力和强度。塑性材料直至断裂前的变形能力和强度。 3、较灵敏地反映出金属表面缺陷及表面硬化较灵敏地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能层的性能。因此，可利用扭转试验研究或检测工件因此，可利用扭转试验研究或检测工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。 4、根据扭转试样的宏观断口特征，还可明确、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区分金属材料最终断裂方式是正断正断还是还是切断切断。 塑性材

25、料塑性材料的断裂面与试样轴线垂直，断口平整，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（图有回旋状塑性变形痕迹（图a）这是由切应力造成）这是由切应力造成的切断；的切断； 脆性材料脆性材料的断裂面与试样的轴线成的断裂面与试样的轴线成45角，成角，成螺旋状（图螺旋状（图b），这是在正应力作用下的正断。），这是在正应力作用下的正断。 图图c为为木纹状断口木纹状断口（变态切断），断裂面顺着（变态切断），断裂面顺着试样轴线形成纵向剥层或裂纹。这是因为金属中存试样轴线形成纵向剥层或裂纹。这是因为金属中存在较多的非金属夹杂物或偏析，并在轧制过程中使在较多的非金属夹杂物或偏析，并在轧制过程中使其沿

26、轴向分布，从而降低了试样轴向的切断抗力造其沿轴向分布，从而降低了试样轴向的切断抗力造成的。成的。 三、扭转试验及测定的力学性能三、扭转试验及测定的力学性能 1、扭转试验按照、扭转试验按照GB/T10128-88金属室金属室温扭转试验方法温扭转试验方法进行。进行。 2、扭转试样与拉伸试样相似，夹持部分、扭转试样与拉伸试样相似，夹持部分不同。不同。(d010mm、标距长度为、标距长度为L0分别为分别为50mm或或100mm的圆柱形试样的圆柱形试样) 3、扭转曲线（扭转图）：、扭转曲线（扭转图）：T-4、扭转试验时可测得的力学性能指标主要有：、扭转试验时可测得的力学性能指标主要有： 切变模量切变模量

27、G：上屈服强度上屈服强度eH：下屈服强度下屈服强度eL：规定非比例扭转应力规定非比例扭转应力p：抗扭强度抗扭强度m： GWTeHeHWTPPWTmm40032/dTLGWTeLeL2-5 2-5 缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验 大多数机件或构件都含有缺口，如键槽、油孔、大多数机件或构件都含有缺口，如键槽、油孔、台阶、螺纹等，必须考虑缺口对材料的性能影响。台阶、螺纹等，必须考虑缺口对材料的性能影响。 一、缺口效应一、缺口效应 （一）缺口试样在弹性状态的应力分布（一）缺口试样在弹性状态的应力分布 缺口最大的影响是应力集中缺口最大的影响是应力集中,如图所示。因缺口如图所示。因缺口部分不能承受外

28、力，这一部分外力要由缺口前方的部分不能承受外力，这一部分外力要由缺口前方的部分材料来承担，因而缺口根部的应力最大，离开部分材料来承担，因而缺口根部的应力最大，离开缺口根部，应力逐渐减小，一直减小到某一恒定数缺口根部，应力逐渐减小，一直减小到某一恒定数值，这时缺口的影响便消失了值，这时缺口的影响便消失了。理论应力集中系数：理论应力集中系数：maxtKK Kt t值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状状与尺寸与尺寸 。薄板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布薄板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布 图图厚板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布厚板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布

29、 图图缺口效应缺口效应：因缺口的存在，在静载荷作用下，：因缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化的现象。缺口截面上的应力状态发生变化的现象。平面应力状态平面应力状态平面应变状态平面应变状态 缺口的第一个效应缺口的第一个效应： 产生应力集中或局部应力升高；产生应力集中或局部应力升高； 改变了缺口前方（附近局部区域）的应力改变了缺口前方（附近局部区域）的应力状态，使缺口试样所受应力状态由原来的单向应状态，使缺口试样所受应力状态由原来的单向应力状态改变为两向应力状态或三向应力状态（视力状态改变为两向应力状态或三向应力状态（视板厚决定）。板厚决定）。 应力状态的改变导致缺口附近应力状

30、态软性应力状态的改变导致缺口附近应力状态软性系数下降。导致了材料的脆化。系数下降。导致了材料的脆化。 直接的后果导致在缺口根部最大纵向应力的直接的后果导致在缺口根部最大纵向应力的作用下断裂，低于光滑试样的抗拉强度。作用下断裂，低于光滑试样的抗拉强度。 （二）缺口试样在塑性状态的应力分布（二）缺口试样在塑性状态的应力分布 如图所示如图所示 缺口的第二个效应缺口的第二个效应： 缺口强化缺口强化：在缺口前方出现了三向应力状态，并：在缺口前方出现了三向应力状态，并产生应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高。产生应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高。 缺口强化并不是金属内在性能发生变化缺口强化并不是金

31、属内在性能发生变化，纯粹是，纯粹是由于三向拉伸应力约束了塑性变形所致，因此，由于三向拉伸应力约束了塑性变形所致，因此，不能不能把缺口强化看成是强化金属材料的手段把缺口强化看成是强化金属材料的手段，塑性材料的，塑性材料的抗拉强度也因塑性变形受约束而增加了。抗拉强度也因塑性变形受约束而增加了。 知识拓展知识拓展 对塑性好的材料对塑性好的材料，缺口使材料的屈服强度或抗，缺口使材料的屈服强度或抗拉强度升高，塑性降低，称拉强度升高，塑性降低，称“缺口强化缺口强化”。但这种。但这种强化是以缺口的净截面积计算的并与同样截面的光强化是以缺口的净截面积计算的并与同样截面的光滑试样相比较，如果与包括缺口深度的原始

32、总面积滑试样相比较，如果与包括缺口深度的原始总面积的光滑试样比较，断裂载荷总是较低的。缺口试样的光滑试样比较，断裂载荷总是较低的。缺口试样的强度不会超过光滑试样强度的三倍。的强度不会超过光滑试样强度的三倍。 对于脆性材料对于脆性材料，由于缺口造成的应力集中，不，由于缺口造成的应力集中，不会因塑性变形而使应力重新分布，因此缺口试样的会因塑性变形而使应力重新分布，因此缺口试样的强度只会低于光滑试样强度只会低于光滑试样 。如图所示。如图所示 二、缺口试样静拉伸试验二、缺口试样静拉伸试验 通常用缺口强度比通常用缺口强度比NSR(Notch Strength Ratio) （又称（又称缺口敏感度缺口敏感

33、度）作为衡量静拉伸下缺）作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标：口敏感度指标： NSR越大缺口敏感度越小，脆性材料（如铸越大缺口敏感度越小，脆性材料（如铸铁、高碳钢）及高强度材料的铁、高碳钢）及高强度材料的NSR小于小于1，塑性材，塑性材料的料的NSR一般大于一般大于1。 缺口试样静拉伸试验广泛应用于研究高强度缺口试样静拉伸试验广泛应用于研究高强度钢的力学性能，钢的力学性能，NSR与塑性指标一样也是安全性与塑性指标一样也是安全性指标，但不能定量计算。指标，但不能定量计算。 知识拓展知识拓展bbnNSR 缺口试样进行拉伸试验时，有以下缺口试样进行拉伸试验时，有以下3种情况种情况(如如图所示图所示)： (

34、1) 缺口根部只有弹性变形缺口根部只有弹性变形。断口形貌如图。断口形貌如图(a)所示。所示。 (2)在缺口根部可在缺口根部可发生少量塑性变形发生少量塑性变形，最大轴向，最大轴向应力已不在缺口顶端的表面处，而是位于塑性变形应力已不在缺口顶端的表面处，而是位于塑性变形区和弹性区的交界处。断口形貌如图区和弹性区的交界处。断口形貌如图(b)所示。所示。 (3)断裂抗力远高于屈服强度断裂抗力远高于屈服强度。塑性区不断向试。塑性区不断向试样中心扩展，位于弹塑性交界处的最大轴向应力不样中心扩展，位于弹塑性交界处的最大轴向应力不断向中心移动，如塑性变形能扩展到试样中心，即断向中心移动，如塑性变形能扩展到试样中

35、心，即出现沿缺口截面的全面屈服。此时最大轴向应力出出现沿缺口截面的全面屈服。此时最大轴向应力出现在试样中心位置。断口形貌如图现在试样中心位置。断口形貌如图(c)所示。所示。 三、缺口偏斜拉伸试验三、缺口偏斜拉伸试验 无偏斜的缺口拉伸试验无偏斜的缺口拉伸试验往往显示不出组织与往往显示不出组织与合金元素的影响，合金元素的影响，不能保证带尖锐缺口的零件不能保证带尖锐缺口的零件（如高强度螺栓）在实际使用中的安全可靠性。（如高强度螺栓）在实际使用中的安全可靠性。 缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对比不同材料或不同工和试验条件下，来检验与对

36、比不同材料或不同工艺所表现出的性能差异。（如图所示）艺所表现出的性能差异。（如图所示）最常用偏斜角最常用偏斜角度 为 ：度 为 ： 4 4 或或8 8，相应的缺，相应的缺口拉伸强度以口拉伸强度以 或或 表示。表示。 4bn8bn 四、缺口试样静弯曲试验四、缺口试样静弯曲试验 光滑试样的静弯试验主要用来评定光滑试样的静弯试验主要用来评定工具钢或工具钢或一些脆性材料一些脆性材料的力学性能，而缺口试样的静弯试的力学性能，而缺口试样的静弯试验则验则用来用来评定或比较评定或比较结构钢结构钢的缺口敏感度和裂纹的缺口敏感度和裂纹敏感度。敏感度。 曲线（如图）下所包围的面积表示试样从变曲线（如图）下所包围的面

37、积表示试样从变形到断裂的总功。总功由三部分组成：形到断裂的总功。总功由三部分组成： (1)只发生弹性变形的弹性功，以面积表示只发生弹性变形的弹性功，以面积表示; (2)发生塑性变形的变形功，以面积发生塑性变形的变形功，以面积表示；表示； (3)在达到最大载荷在达到最大载荷Fmax时试样即出现裂纹，如时试样即出现裂纹，如果裂纹是缓慢扩展至断裂，则静弯曲线沿图中虚线果裂纹是缓慢扩展至断裂，则静弯曲线沿图中虚线变化；如果裂纹到载荷变化；如果裂纹到载荷F1点时开始迅速扩展，则引点时开始迅速扩展，则引起载荷急剧降低，随后相继有一些小的台阶出现，起载荷急剧降低，随后相继有一些小的台阶出现，直至试样完全破断

38、。这一部分功以面积直至试样完全破断。这一部分功以面积表示，一表示，一般叫作般叫作撕裂功撕裂功。 在这在这3部分功中以撕裂功最为重要，通常以撕裂部分功中以撕裂功最为重要，通常以撕裂功的大小或者以功的大小或者以Fmax/F1的大小来表示裂纹敏感度。的大小来表示裂纹敏感度。 缺口静弯曲试验的试样及装置缺口静弯曲试验的试样及装置 如图所示如图所示722-6 2-6 金属的硬度金属的硬度 一、硬度的意义和试验特点一、硬度的意义和试验特点 1 1、定义定义：表征金属材料软硬程度的性能指标。表征金属材料软硬程度的性能指标。（随试验方法的不同，物理意义不同，目前没有统（随试验方法的不同，物理意义不同，目前没有

39、统一而确切的定义）一而确切的定义） 2 2、特点特点 设备简单，操作方便，迅速。能敏感反映出材设备简单，操作方便，迅速。能敏感反映出材料内部成分和组织结构的差异。料内部成分和组织结构的差异。 对表面损伤小，可在成品（零件）上直接测定。对表面损伤小，可在成品（零件）上直接测定。 与其它力学性能之间存在一定的关系。与其它力学性能之间存在一定的关系。73 3、测定方法、测定方法分类分类： 压入法压入法：布氏、洛氏、维氏、努氏硬度。：布氏、洛氏、维氏、努氏硬度。表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。 应力状态软性系数应力状态软性系数2，几乎所有的材料都，几乎所有的材

40、料都能产生塑性变形。能产生塑性变形。 弹性回跳法弹性回跳法：肖氏硬度、里氏硬度。：肖氏硬度、里氏硬度。表征表征金属弹性变形功的大小金属弹性变形功的大小。 划痕法（刻划法）：划痕法（刻划法）：锉刀硬度、莫氏硬度。锉刀硬度、莫氏硬度。表征金属对切断的抗力表征金属对切断的抗力。74 二、硬度试验二、硬度试验 （一）布氏硬度（一）布氏硬度 1、原理、原理 用直径为用直径为D（mm）的钢球或硬质合金球的压头，）的钢球或硬质合金球的压头，加一定的试验力加一定的试验力F（N），将其压入试样表面，经过），将其压入试样表面，经过规定的保持时间规定的保持时间t（s）后卸除试验力，试样表面将残）后卸除试验力，试样表

41、面将残留压痕，然后测量压痕的平均直径留压痕，然后测量压痕的平均直径d（mm），求得），求得压痕的球形面积压痕的球形面积A（mm2）。）。 （图）（图）7576 布氏硬度值布氏硬度值(HB)就是试验力就是试验力F除以压痕球除以压痕球形面积形面积A所得的商，其计算公式为：所得的商，其计算公式为： 22204. 0102. 0dDDDFAFHB 通常，布氏硬度值不标出单位。通常，布氏硬度值不标出单位。 GB/T231.1-2002金属布氏硬度试验金属布氏硬度试验 第第1部分：试验方法部分：试验方法77 2 2、压头材料的选择及符号、压头材料的选择及符号 选用不同的压头材料，应用不同的符号表示，选用不

42、同的压头材料，应用不同的符号表示，以示区别。以示区别。 当压头为淬火钢球时，其符号为当压头为淬火钢球时，其符号为HBS（适用于（适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料）；以下的材料）； 当压头为硬质合金球时，其符号为当压头为硬质合金球时，其符号为HBW（适（适用于布氏硬度值为用于布氏硬度值为450650的材料）。的材料）。 按照最新国家标准：按照最新国家标准：GB/T231.1-2002金属金属布氏硬度试验布氏硬度试验 第第1部分：试验方法部分：试验方法规定，规定，压头压头统一使用硬质合金球。统一使用硬质合金球。78 22204. 0dDDDFHBsin*Dd2DF2sin204. 0

43、 3 3、压痕相似原理、压痕相似原理 对于材料相同而厚薄不同的工件，为测得相对于材料相同而厚薄不同的工件，为测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径同的布氏硬度值，在选配压头直径D及试验力及试验力F时，时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保保持不变。如图所示持不变。如图所示 推导公式为：推导公式为： 7980 由上式可见，若相同由上式可见，若相同HB硬度值的一块试件用硬度值的一块试件用不同不同F、D测量硬度，只要保证：测量硬度，只要保证： 为常数。为常数。F、D可以改变。可以改变。 值不变，限制在一定范围内（值不变，限制在一定范围内（2874，实践证

44、明，实践证明，在这一范围内时，试验力的变化对布在这一范围内时，试验力的变化对布氏硬度值不会产生太大的影响，与此相对应的压氏硬度值不会产生太大的影响，与此相对应的压痕直径痕直径d应控制在应控制在d/D0.240.6之间。之间。d/D =0.375最理想。）就能保证所测得的硬度值不变。最理想。）就能保证所测得的硬度值不变。2DF81 4 4、试验时注意的事项、试验时注意的事项 压头直径的选择压头直径的选择 压头直径压头直径D有有10、5、2.5和和1mm四种，主四种，主要根据试样厚度来选择，应使压痕深度要根据试样厚度来选择，应使压痕深度h小于试小于试样厚度的样厚度的1/10。当试样厚度足够时，应尽

45、可能。当试样厚度足够时，应尽可能选用直径为选用直径为10mm的压头。的压头。 布氏硬度计设备及相关图片布氏硬度计设备及相关图片8283 的选择的选择 其比值有其比值有30、15、10、5、2.5和和1六种。主要六种。主要根据所测试材料的种类及硬度范围，再按照表的规根据所测试材料的种类及硬度范围，再按照表的规定来选择。定来选择。 当压头直径当压头直径D及及 的比值选定后，试验力的比值选定后，试验力F也就也就随之确定了。随之确定了。 试验力保持时间试验力保持时间 为保证在试验力的作用下，保证所测试的金属为保证在试验力的作用下，保证所测试的金属材料产生足够的塑性变形，规定：黑色金属，材料产生足够的塑

46、性变形，规定：黑色金属，1015s；有色金属，；有色金属，30s；对于；对于35HBS的材料为的材料为60s。2DF2DF84表表 不同材料的试验力不同材料的试验力压头直径平方的比率压头直径平方的比率材料材料HBW0.102F/D2钢、镍合金、钛合金钢、镍合金、钛合金30铸铸 铁铁1401014030铜及铜合金铜及铜合金20030轻金属及合金轻金属及合金801015铅、锡铅、锡185 5 5、布氏硬度的表示方法、布氏硬度的表示方法HBWHBW（S S）/ / / 载荷保持时间载荷保持时间 （1015s不标注）不标注） 载荷载荷kgf(kN) 压头直径压头直径（mm） 布氏硬度符号布氏硬度符号，

47、s淬火钢球；淬火钢球；w硬质合金球硬质合金球 布氏硬度值布氏硬度值 如如:160HBW10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的硬质合金球在的硬质合金球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为160。86 6、锤击式布氏硬度、锤击式布氏硬度 如图所示如图所示877、布氏硬度试验方法的优缺点、布氏硬度试验方法的优缺点 优点：因一般采用直径较大的压头，压痕面积优点：因一般采用直径较大的压头，压痕面积大，其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相的大，其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均匀性

48、的影平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响，响，数值稳定，重复性强数值稳定，重复性强。因此，布氏硬度试验。因此，布氏硬度试验特特别适用于测定铸铁、轴承合金以及低碳钢、铜合金、别适用于测定铸铁、轴承合金以及低碳钢、铜合金、铝合金的硬度铝合金的硬度。 布氏硬度值与强度之间有稳定的换算关系。布氏硬度值与强度之间有稳定的换算关系。88缺点缺点： 对不同材料需要更换压头直径和改变对不同材料需要更换压头直径和改变试验力，压头直径的测量也比较麻烦，因试验力，压头直径的测量也比较麻烦，因而用于自动检测时受到限制。而用于自动检测时受到限制。 当压痕直径较大时，不易在成品上进当压痕直径较大时，不易在成品上

49、进行试验。行试验。 不能测量布氏硬度值超过不能测量布氏硬度值超过650以上材以上材料的硬度。料的硬度。89 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度 布氏硬度不能测量从极软到极硬材料的硬度，布氏硬度不能测量从极软到极硬材料的硬度，从而出现了洛氏硬度。从而出现了洛氏硬度。 1、原理原理 与布氏硬度不同，它不是一测定压痕的面积与布氏硬度不同，它不是一测定压痕的面积来计算硬度值，而是以测量压痕深度来表示材料来计算硬度值，而是以测量压痕深度来表示材料的硬度值。的硬度值。 洛氏硬度压头：洛氏硬度压头： 有两种有两种 圆锥角圆锥角120的金刚石圆锥体；的金刚石圆锥体； 一定直径的淬火钢球或硬质合金球（一定直径的淬火钢

50、球或硬质合金球（1.588mm，即，即1/16）90 试验力：试验力： 初始试验力初始试验力F0：10kg(98.1N)，目的是目的是保证保证压头与试样表面紧密接触。压头与试样表面紧密接触。 主试验力主试验力F1：目的是形成压痕目的是形成压痕。A（50kg）、）、B（90kg）、）、C（140kg）。）。 试验过程：如图所示试验过程：如图所示9192 2、衡量衡量 洛氏硬度值是以压痕深度洛氏硬度值是以压痕深度h来计算的。来计算的。h越大，越大，硬度值越低，反之则越高。为了照顾习惯上数值越硬度值越低，反之则越高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，引入常数大硬度越高的概念，引入常数N减去减去h

51、/s来计算硬度来计算硬度值。洛氏硬度值的计算式为：值。洛氏硬度值的计算式为：shNHR93式中：式中： HR洛氏硬度值的符号；洛氏硬度值的符号； N 给定标尺的硬度数（压头为金刚石锥体给定标尺的硬度数（压头为金刚石锥体时时N100，压头为球体时，压头为球体时N130）；）； h 卸除主试验力后，在初试验力下压痕残卸除主试验力后，在初试验力下压痕残留的深度（残余压痕深度）；留的深度（残余压痕深度）； S 给定标尺的单位（给定标尺的单位（0.002mm为一个洛氏，为一个洛氏， 0.001mm为一个表面洛氏单位）。为一个表面洛氏单位）。94 实际测定洛氏硬度时，由于由于硬度计上方测量压痕深实际测定洛

52、氏硬度时，由于由于硬度计上方测量压痕深度的百分表表盘上的刻度已按上式换算为相应的硬度值，因度的百分表表盘上的刻度已按上式换算为相应的硬度值，因此，可以直接从表盘上指针的指示值读出硬度值。如图所示此，可以直接从表盘上指针的指示值读出硬度值。如图所示 为了能在一台硬度计上测定不同软、硬或厚、薄试样的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，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，以字母硬度标尺，以字母A、B、C等表示。用不同标尺测定的硬等表示。用不同标尺测定的硬度值，用在度值，用在HR前面加数值来表示。我国规定（前面加

53、数值来表示。我国规定（GB/T230.1-2009金属洛氏硬度试验金属洛氏硬度试验）的洛氏硬度标尺有九种，各标）的洛氏硬度标尺有九种，各标尺的试验规范、测量硬度范围及应用。其中以尺的试验规范、测量硬度范围及应用。其中以HRA、HRB、HRC三种洛氏硬度最为常用，如表所示。三种洛氏硬度最为常用，如表所示。959697 3、表面洛氏硬度表面洛氏硬度 由于洛氏硬度试验所用试验力较大，不宜用由于洛氏硬度试验所用试验力较大，不宜用来测定极薄试样及渗氮层、金属镀层等的硬度，来测定极薄试样及渗氮层、金属镀层等的硬度，为此，人们应用洛氏硬度试验的原理，减小试验为此，人们应用洛氏硬度试验的原理，减小试验力，提出

54、了表面洛氏硬度试验方法。（力，提出了表面洛氏硬度试验方法。（GB1818-79 金属表面洛氏硬度试验方法金属表面洛氏硬度试验方法，表示方法见，表示方法见表所示。现已合并到表所示。现已合并到GB/T230.1-2009中。中。 4、修正修正：对柱面和球面，因压头所受阻力：对柱面和球面，因压头所受阻力小，硬度值偏低，要进行修正。小，硬度值偏低，要进行修正。 9899 5、表示方法表示方法 HRA(B、C) 旧标准用旧标准用HRA(B、C) 洛氏硬度洛氏硬度用硬度值、符号用硬度值、符号HRHR和标尺的字母和标尺的字母表示表示。如。如60HRC表示用表示用C标尺测得洛氏硬度值为标尺测得洛氏硬度值为60

55、。 表面洛氏硬度用表面洛氏硬度用硬度值、标尺符号硬度值、标尺符号（金刚（金刚石圆锥为石圆锥为N，硬质合金球为，硬质合金球为T）的字母表示。如）的字母表示。如60HR30N表示用金刚石圆锥压头在表示用金刚石圆锥压头在30N30N标尺上测标尺上测得的洛氏硬度值为得的洛氏硬度值为6060。100 6 6、洛氏硬度试验方法的优缺点洛氏硬度试验方法的优缺点 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； 压痕较小，可在工件上进行试验；压痕较小，可在工件上进行试验； 采用不同标尺，可测定各种软硬不同的金属采用不同标尺，可测定各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样的硬度；和厚薄不一的试样的硬度

56、； 因压痕小，代表性差，由于材料中有偏析及因压痕小，代表性差，由于材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，致使所测硬度值重复性差、组织不均匀等缺陷，致使所测硬度值重复性差、分散度大；（至少测量四次，第一次不计）分散度大；（至少测量四次，第一次不计） 用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接进行比较。能直接进行比较。101 （三）维氏硬度（三）维氏硬度 布氏硬度布氏硬度仅适用于硬度值小于仅适用于硬度值小于650的材料（过的材料（过高将导致钢球发生塑性变形或硬质合金球变形量高将导致钢球发生塑性变形或硬质合金球变形量大）；大）； 洛氏硬度洛氏硬度可以测量从极软到极硬

57、材料的硬度，可以测量从极软到极硬材料的硬度，但是不同标尺之间测得的硬度值没有直接联系，但是不同标尺之间测得的硬度值没有直接联系，也不能直接换算或相互比较。也不能直接换算或相互比较。 为了从极软到极硬的各种金属材料用一个压为了从极软到极硬的各种金属材料用一个压头测得一个连续一致的硬度标度，从而制定了维头测得一个连续一致的硬度标度，从而制定了维氏硬度法。氏硬度法。102 1 1、原理原理 基本与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积基本与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷来计量硬度值。上的载荷来计量硬度值。 压头压头：两相对面间夹角为：两相对面间夹角为136的正四棱锥的正四棱锥金刚石压头，见图

58、。金刚石压头，见图。 采用正四棱锥体压头，是为了当改变试验力时，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（布氏硬度理想的压压痕的几何形状总保持相似（布氏硬度理想的压入角为入角为44，推导出压头两相对面间夹角为，推导出压头两相对面间夹角为136），而不致影响硬度值。在较低硬度时，其），而不致影响硬度值。在较低硬度时，其硬度值与布氏硬度值相等或接近。硬度值与布氏硬度值相等或接近。103104 衡量衡量：在载荷：在载荷F的作用下，试样表面上压的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度d，用来计算压痕的表面积。用用来

59、计算压痕的表面积。用HV表示。表示。2201891. 0)2/136sin(204. 0102. 0dFdFAFHV 2 2、表示、表示 HV/ 载荷保持时间（载荷保持时间（1015s不标注）不标注） 载荷载荷kg(kN) 维氏硬度符号维氏硬度符号 维氏硬度值维氏硬度值 符号与试验力见表符号与试验力见表 105 例例：580HV30表示用表示用30kgf (294.2N)试验力试验力保持保持1015S测定的维氏硬度值为测定的维氏硬度值为580。106 3、标准标准 根据材料的软硬、厚薄及所测部位的特性不同，需要在根据材料的软硬、厚薄及所测部位的特性不同，需要在不同试验力范围内测定维氏硬度。为此

60、，我国制定了三个维不同试验力范围内测定维氏硬度。为此，我国制定了三个维氏硬度试验方法国家标准：氏硬度试验方法国家标准： GB4340.1-1999金属维氏硬度试验金属维氏硬度试验 第第1部分：试验部分：试验方法方法 GB4340.1-1999金属维氏硬度试验金属维氏硬度试验 第第1部分：试验部分：试验方法方法试验力范围为试验力范围为49.03980.7N，共分六级。主要用于测，共分六级。主要用于测定较大工件和较深表面层的硬度。定较大工件和较深表面层的硬度。 GB5030-85金属小负荷维氏硬度试验方法金属小负荷维氏硬度试验方法试验力试验力范围为范围为1.96149.03N，共分七级。主要用于测