材料力学性能课件第二章

1、第二章金属在其它静载荷下的第二章金属在其它静载荷下的力学性能力学性能第二章金属在其它静载荷下的力学性能第二章金属在其它静载荷下的力学性能在生产实际中，机械和工程结在生产实际中，机械和工程结构中的材料或零件常承受压缩、构中的材料或零件常承受压缩、弯矩、扭矩或剪切的作用，因此弯矩、扭矩或剪切的作用，因此需要需要 测定材料在压缩、弯曲、扭测定材料在压缩、弯曲、扭转、剪切等不同加载方转、剪切等不同加载方 式的力学式的力学性能，以作为材料选用的依据。性能，以作为材料选用的依据。材料或零件上可能有螺纹、孔材料或零件上可能有螺纹、孔洞、台阶、缺口等引起应力集中洞、台阶、缺口等引起应力集中的部位，它们与光滑试

2、样静拉的部位，它们与光滑试样静拉 伸伸引起的应力状态不同。因此需要引起的应力状态不同。因此需要研究带有螺纹、研究带有螺纹、 油孔、键槽等缺油孔、键槽等缺口情况下的力学性能，以作为这口情况下的力学性能，以作为这些些 零件设计的依据。零件设计的依据。硬度是衡量材料软硬程度的一硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。材料的硬度试验方种性能指标。材料的硬度试验方法在工业生产及材料研究中的应法在工业生产及材料研究中的应用用 极为广泛，但硬度并不是一个极为广泛，但硬度并不是一个确定的力学性能指确定的力学性能指 标，其物理意标，其物理意义随硬度试验方法的不同而不同。义随硬度试验方法的不同而不同。第二章金属在其

3、它静载荷下的力学性能第二章金属在其它静载荷下的力学性能应力状态软性系数压缩弯曲扭转缺口试样静载荷试验硬度第二章金属在其它静载荷下的力学性能第二章金属在其它静载荷下的力学性能应力状态软性系数应力状态软性系数 材料的塑性变形和断裂方式材料的塑性变形和断裂方式(韧性或脆性断裂韧性或脆性断裂) 除与材料本身除与材料本身的性质有关外，主要与应力状态的性质有关外，主要与应力状态有关。有关。 切应力主要引起材料的塑性切应力主要引起材料的塑性变形和韧性断裂；变形和韧性断裂； 而正应力容易而正应力容易导致材料的脆性断裂。导致材料的脆性断裂。 不同的应力状态，其最大正不同的应力状态，其最大正应力应力max 与最大

4、切应力与最大切应力max 的相的相对大小是不一样的。因此，对材对大小是不一样的。因此，对材料的变形和断裂性质将产生不同料的变形和断裂性质将产生不同的影响。的影响。1.应力状态应力状态任何一种应力状态都可以通过适任何一种应力状态都可以通过适当的坐标变换，转换为主应力状当的坐标变换，转换为主应力状态。态。第二章金属在其它静载荷下的力学性能第二章金属在其它静载荷下的力学性能 32 1321321max31max212.强度理论强度理论最大拉应力理论（第一理论）最大拉应力理论（第一理论）1bn最大拉应变理论（第二理论）最大拉应变理论（第二理论）1bE最大切应力理论（第三理论）最大切应力理论（第三理论）

5、maxsn最大剪切变形能理论（第四理论）即最大剪切变形能理论（第四理论）即Mises屈服判据屈服判据2222122331()()()2s第二章金属在其它静载荷下的力学性能第二章金属在其它静载荷下的力学性能3.应力状态软性系数应力状态软性系数利用利用max 与与max 的比值表示它们的相对大小，称为应力状态的比值表示它们的相对大小，称为应力状态软性系数软性系数maxmax3213122对于金属材料，对于金属材料，取取0.25，则，则1312320.5应力状态软性系数应力状态软性系数值越大，值越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越最大切应力分量越大，表示应力状态越“软软”，越越易于产生塑性变形和

6、韧性断裂易于产生塑性变形和韧性断裂。值越小，最大正应力分量越大，值越小，最大正应力分量越大，应力状态越应力状态越“硬硬”，越不易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。，越不易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。 三向不等拉伸三向不等拉伸时应力状态最硬，因其切应力分量为零；在这时应力状态最硬，因其切应力分量为零；在这种应力状态下，材料最容易发生脆性断裂。种应力状态下，材料最容易发生脆性断裂。 因此因此对于塑性较好对于塑性较好的金属材料，往往采用应力状态硬的金属材料，往往采用应力状态硬 的三向不等拉伸的加载方法，的三向不等拉伸的加载方法，以考查其脆性倾向。以考查其脆性倾向。 单向静拉伸单向静拉伸的应力状态较

7、硬，正应力分量较大，的应力状态较硬，正应力分量较大， 切应力分量切应力分量较小，较小，一般适用于那些塑性变形抗力与切一般适用于那些塑性变形抗力与切 断抗力较低的、所谓断抗力较低的、所谓塑性材料的试验塑性材料的试验第二章金属在其它静载荷下的力学性能第二章金属在其它静载荷下的力学性能压压 缩缩一、压缩试验的特点一、压缩试验的特点1.单向压缩试验的应力状态系数单向压缩试验的应力状态系数2，比拉伸、扭转、弯曲的，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软。应力状态都软。主要用于拉伸时主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测呈脆性的金属材料力学性能的测定定2.拉伸时塑性很好的材料在压缩拉伸时塑性很好的材料在压缩

8、时只发生压缩而不会断裂，因此时只发生压缩而不会断裂，因此塑性材料很少进行压缩试验。塑性材料很少进行压缩试验。3.压缩可以看作是反向拉伸，只压缩可以看作是反向拉伸，只不过压缩时试样不是伸长而是缩不过压缩时试样不是伸长而是缩短，横截面不是缩小而是胀大。短，横截面不是缩小而是胀大。4.脆性材料的压缩强度一般高脆性材料的压缩强度一般高于其抗拉强度，尤其是陶瓷材于其抗拉强度，尤其是陶瓷材料的压缩强度约高于其抗拉强料的压缩强度约高于其抗拉强度一个数量级度一个数量级;其压缩断裂面与其压缩断裂面与载荷呈载荷呈45压压 缩缩二、压缩试验（二、压缩试验（GB7314-87）1.试样试样常用的压缩试件为圆柱体，也可

9、常用的压缩试件为圆柱体，也可用立方体和棱柱体。用立方体和棱柱体。为防止压缩时试件失稳，试件的为防止压缩时试件失稳，试件的高度和直径之比高度和直径之比h0/d0常为常为1.52.0, d0常为常为1025。高径比愈大，抗压强度愈低。为高径比愈大，抗压强度愈低。为了相互比较试样的高径比必须相了相互比较试样的高径比必须相同。同。对于几何形状不同的试件，则应对于几何形状不同的试件，则应保持保持 为定值。为定值。00hA2.实验及主要性能指标实验及主要性能指标1）实验及力学行为）实验及力学行为变形变形断裂断裂弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形塑性材料不裂塑性材料不裂压缩试验压缩试验压缩试验压缩试验a. 塑

10、性材料的压缩塑性材料的压缩b. 脆材料的压缩脆材料的压缩压压 缩缩2.实验及主要性能指标实验及主要性能指标1）实验及力学行为）实验及力学行为变形变形断裂断裂弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形塑性材料不裂塑性材料不裂2）力学性能指标）力学性能指标规定非比例压缩应力规定非比例压缩应力pc 试样的非比例压缩变形达到规试样的非比例压缩变形达到规定的原始标距百分比时的应力定的原始标距百分比时的应力抗压强度抗压强度bc 试样压至破坏过程中的最大试样压至破坏过程中的最大应力应力相对压缩率相对压缩率ck 和相对断面扩胀率和相对断面扩胀率ck压压 缩缩 弯弯 曲曲第二章金属在其它静载荷下的力学性能第二章金属在其它

11、静载荷下的力学性能1.弯曲试验方法弯曲试验方法三点弯曲三点弯曲四点弯曲四点弯曲试样试样圆形：圆形：d=5-45mm矩形：矩形：4030 3030 7.55 55 bh长度为长度为d或或h的的16倍倍2.弯曲试验的特点弯曲试验的特点1）试样形状简单、操作方便，）试样形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的试样偏斜对不存在拉伸试验时的试样偏斜对试验结果的影响，并可用试样弯试验结果的影响，并可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。曲的挠度显示材料的塑性。2）弯曲试样一侧受拉，一侧受）弯曲试样一侧受拉，一侧受压，表面应力最大，故可较灵敏压，表面应力最大，故可较灵敏地反映材料的表面缺陷。地反映材料的表面缺陷。

12、弯弯 曲曲3.力学行为及性能指标力学行为及性能指标弯曲图（弯曲图（P-fmax关系曲线）关系曲线）对高塑性材料，弯曲试验不能对高塑性材料，弯曲试验不能使试件发生断裂，其曲线的最使试件发生断裂，其曲线的最后部分可延伸很长。因此，后部分可延伸很长。因此，弯弯曲试验难以测得塑性材料的强曲试验难以测得塑性材料的强度度。对脆性材料，在弹性范围内弯曲对脆性材料，在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力时，受拉侧表面的最大弯曲应力WMmax4FLM三点弯曲三点弯曲2maxFlM四点弯曲四点弯曲W为试样抗弯截面系数为试样抗弯截面系数W323d62bh 弯弯 曲曲3.力学行为及性能指标力学行为及性能指标通过

13、弯曲试验，可测定通过弯曲试验，可测定脆性或低塑性材料脆性或低塑性材料的主要力学性能指标有：的主要力学性能指标有：规定非比例弯曲应力规定非比例弯曲应力pb： 弯曲时，外侧表面上的非比例弯曲应变达到规定值时的最弯曲时，外侧表面上的非比例弯曲应变达到规定值时的最大弯曲应力。大弯曲应力。抗弯强度抗弯强度bb ：弯曲至断裂前达到的最大弯曲力弯曲至断裂前达到的最大弯曲力弯曲模量弯曲模量Eb 矩形试样：矩形试样：m为弯曲图上为弯曲图上P-f直线段的斜率直线段的斜率 弯弯 曲曲4 扭扭 转转1.应力应力-应变分析应变分析 当一等直径的圆柱试样受当一等直径的圆柱试样受到扭矩到扭矩M作用时，作用时， 试样表面试样

14、表面的应力状态：的应力状态： 应力状态为纯剪切，切应力分布应力状态为纯剪切，切应力分布在纵向与横向两个垂直的截面上。在纵向与横向两个垂直的截面上。 在横截面上无正应力，最大与最在横截面上无正应力，最大与最小的正应力分布在与试样轴线呈小的正应力分布在与试样轴线呈450的两个斜截面上：的两个斜截面上： 1 为拉应力为拉应力(1 =)，3为等值的为等值的压应力压应力(3 = -)，2 =0。应力状态系数为：应力状态系数为：4 扭扭 转转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切应力和切应变沿半径方向沿半径方向呈线性分布，呈线性分布，中心处切应力为零，表面处最大；中心

15、处切应力为零，表面处最大；表层产生塑性变形表层产生塑性变形后，后，切应变切应变的分布仍保持的分布仍保持线性关系线性关系，但，但切应切应力力因塑性变形而有所降低，因塑性变形而有所降低， 不再呈线性分布。不再呈线性分布。4 扭扭 转转2.扭转试验的特点与应扭转试验的特点与应用用 a) 扭转的应力状态系数比拉扭转的应力状态系数比拉伸大，故可用来伸大，故可用来测定那些在拉测定那些在拉伸时呈现脆性或低塑性材料伸时呈现脆性或低塑性材料（如淬火低碳钢、工具钢、灰（如淬火低碳钢、工具钢、灰铸铁和球墨铸铁等）铸铁和球墨铸铁等）的强度和的强度和 塑性。塑性。 b) 试样截面的试样截面的应力应力分布不均分布不均匀，

16、匀，表面最大表面最大，愈往心部愈小。，愈往心部愈小。因此因此能较敏感地反映出材料表能较敏感地反映出材料表面缺陷及表面缺陷及表 面硬化层的性能面硬化层的性能。可对表面强化工艺进行研究和可对表面强化工艺进行研究和对机件热处理表面质量进行检对机件热处理表面质量进行检验。验。 c) 圆柱形试样扭转时，整个圆柱形试样扭转时，整个试试样长度上的塑性变形是均匀的样长度上的塑性变形是均匀的， 试样的标距长度和截面积基本保试样的标距长度和截面积基本保持不变，持不变，不会出颈缩现象不会出颈缩现象。可用。可用于评定那些拉伸时出现颈缩的高于评定那些拉伸时出现颈缩的高塑性的形变能力和变形抗力。塑性的形变能力和变形抗力。

17、 d) 扭转时扭转时最大正应力与最大切最大正应力与最大切应力在数值上大体相等应力在数值上大体相等，而生产，而生产实际上所使用的大部分金属材料实际上所使用的大部分金属材料的正断强度大于切的正断强度大于切 断强度。扭转断强度。扭转试验是试验是测定材料切断强度的最可测定材料切断强度的最可靠方法。靠方法。4 扭扭 转转3.扭转试验方法及力学性能指标扭转试验方法及力学性能指标1）试样）试样 主要采用直径为主要采用直径为d0 10mm、标距长度、标距长度L0 分别为分别为50mm或或l00mm的圆柱形（实心或空心）试样。的圆柱形（实心或空心）试样。4 扭扭 转转2）扭转试验）扭转试验韧性材料韧性材料脆性材

18、料脆性材料4 扭扭 转转扭转图：扭矩扭转图：扭矩-扭角扭角(M-)曲线曲线4 扭扭 转转弹性变形范围内弹性变形范围内,表面的切应力表面的切应力为：为：W为试样的截面系数为试样的截面系数实心杆实心杆:空心圆杆空心圆杆:d0 为外径，为外径，d1为内径。为内径。3）力学性能指标）力学性能指标切变模量切变模量G 实心圆杆实心圆杆扭转比例极限扭转比例极限p和扭转屈服强度和扭转屈服强度s抗扭强度抗扭强度第二章金属在其它静载荷下的力学性能第二章金属在其它静载荷下的力学性能4 扭扭 转转第二章金属在其它静载荷下的力学性能第二章金属在其它静载荷下的力学性能5缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验一、缺口效应一、

19、缺口效应 由于缺口的存在，会引由于缺口的存在，会引起受载后在缺口处的应力集起受载后在缺口处的应力集中、应变集中，并且形成双中、应变集中，并且形成双向或三向应力状态，向或三向应力状态， 增加了增加了材料的脆化趋势材料的脆化趋势1.应力集中应力集中 由于缺口的存在，破坏了由于缺口的存在，破坏了位于缺口两侧面相对应的原子位于缺口两侧面相对应的原子对之间的键合，使这些原子对对之间的键合，使这些原子对不能承担外力。不能承担外力。 所以，缺口两所以，缺口两面的外力需要由缺口前方的区面的外力需要由缺口前方的区域来承担。域来承担。 在缺口的正前方随着距缺口在缺口的正前方随着距缺口根部距离的增大，纵向应力根部距

20、离的增大，纵向应力y 逐逐渐减小，一直减小到某一恒定数渐减小，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。 这种由于缺口所造成的局部这种由于缺口所造成的局部应力增大的现象称为应力增大的现象称为应力集中应力集中。集中系数集中系数:maxtK在弹性范围内，在弹性范围内，Kt的数值决定的数值决定于缺口的几何形状与尺寸。于缺口的几何形状与尺寸。对椭图形的缺口对椭图形的缺口, Kt(1+2a/b) a和和b分别为椭圆缺口长、短轴的长度。分别为椭圆缺口长、短轴的长度。应力集中应力集中 椭圆缺口越窄即椭圆缺口越窄即b越小，产生的应力集中就会越大。越小，产生的应力集中就会越大。

21、对圆形孔，对圆形孔，Kt 32.双向或三向应力状态双向或三向应力状态1) 缺口试样在弹性状态下的应力分布缺口试样在弹性状态下的应力分布应力集中应力集中(1) 平面应力状态平面应力状态假设一个薄板的边缘开有缺口，并承受拉应力假设一个薄板的边缘开有缺口，并承受拉应力的作用的作用yyyy xyy xyx对于薄板，可以认为在对于薄板，可以认为在z轴方向能自由变轴方向能自由变形。这样，在形。这样，在z轴方向无应力存在轴方向无应力存在x=0时，可自由收缩，时，可自由收缩，0 xx0时，连续介质横向不能自由收缩时，连续介质横向不能自由收缩缺口效应缺口效应 在在x轴方向远离缺口根部处，轴方向远离缺口根部处，x

22、 的数值也很小，因为这时相的数值也很小，因为这时相邻小块之间的横向收缩之差邻小块之间的横向收缩之差 很小。这样，随着很小。这样，随着x的增大，的增大，x 就由就由零迅速上升至极大值，再缓慢地减小至零。零迅速上升至极大值，再缓慢地减小至零。缺口效应缺口效应(2) 平面应变状态平面应变状态对厚板，在厚度方向的变形受到约束，即在对厚板，在厚度方向的变形受到约束，即在z轴方向上的应轴方向上的应变变z 0。根据虎克定律根据虎克定律z =z - (x +y )=0z =（x +y ）效应效应1：缺口引起应力集中，：缺口引起应力集中，改变了缺口前方应力状态。由改变了缺口前方应力状态。由单向应力状态变为两向或

23、三向单向应力状态变为两向或三向应力状态应力状态缺口效应缺口效应2)缺口试样在塑性状态下应力分布缺口试样在塑性状态下应力分布三向应力条件下的屈服判据三向应力条件下的屈服判据(屈雷斯加判据屈雷斯加判据):s31a）平面应力状态：）平面应力状态：maxy 、min z 0缺口处屈服的条件为：缺口处屈服的条件为：(max -min )/2=(y z)/2 =y /2 s /2即即y s塑性屈服区位于与塑性屈服区位于与x轴和轴和y轴夹轴夹角为角为45o并与并与zoy平面相垂直的平面相垂直的平面内。塑性区内的应力为平面内。塑性区内的应力为s 。缺口效应缺口效应b)平面应变状态平面应变状态maxy 、min

24、 x在在x0时，时，x =0，此处，此处y =s 沿沿x方向增大时，方向增大时，x 0，屈服判据屈服判据y -x =sy =s +x 屈服将发生在屈服将发生在xoy平面内，平面内，x增大，增大， x增加。在屈服区内，增加。在屈服区内， y =s +x， y增加。增加。缺口的第二个效应缺口的第二个效应 缺口使塑性材料产生缺口附加强缺口使塑性材料产生缺口附加强化，使强度增加。化，使强度增加。5缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验二、缺口试样静拉伸二、缺口试样静拉伸缺口静拉伸试样：圆形截面和矩缺口静拉伸试样：圆形截面和矩形截面试样两种。形截面试样两种。缺口形状的缺口形状的3个主要参数：缺口深度，个主

25、要参数：缺口深度，缺口张角，缺口曲率半径。缺口张角，缺口曲率半径。(一一)缺口拉伸试验时可能产生的缺口拉伸试验时可能产生的情况：情况：1.缺口根部只有弹性变形而失去缺口根部只有弹性变形而失去了塑性变形能力，平均应力尚了塑性变形能力，平均应力尚低时，缺口顶端的轴向集中应低时，缺口顶端的轴向集中应力，有可能达到材料的断裂抗力，有可能达到材料的断裂抗力，引起过早的脆性断裂。缺力，引起过早的脆性断裂。缺口试样的断裂强度口试样的断裂强度bN 低于同一低于同一材料光滑试样的断裂强度材料光滑试样的断裂强度b 。缺口试样静拉伸缺口试样静拉伸2.在缺口根部发生少量的塑性变形，最大轴向应力已不在缺口顶在缺口根部发

26、生少量的塑性变形，最大轴向应力已不在缺口顶端的表面处，而是位于塑性变形区和弹性区的交界处，端的表面处，而是位于塑性变形区和弹性区的交界处， 当其当其 达到了材料断裂抗力水平，达到了材料断裂抗力水平， 则在交界处出现裂纹。其宏则在交界处出现裂纹。其宏观特征为在观特征为在断口上距表面一定深度范断口上距表面一定深度范 围，存在纤维区围，存在纤维区，这是断裂，这是断裂的起源；然后裂纹向中心弹性区扩展、的起源；然后裂纹向中心弹性区扩展、 呈放射状，呈放射状，最后破断区位最后破断区位于试样中心或偏于一侧于试样中心或偏于一侧。此时。此时bN 可以稍低于可以稍低于b ，也可略高于，也可略高于b 。 3.如果材

27、料的断裂抗力远远高于屈服强度，则随着载荷增加，塑性如果材料的断裂抗力远远高于屈服强度，则随着载荷增加，塑性区可以不断向试样中心扩展。区可以不断向试样中心扩展。 位于弹塑性交界处的最大轴向应力也相应地不断向中心移动，位于弹塑性交界处的最大轴向应力也相应地不断向中心移动，如塑性变形能扩展到试样中心，即出现沿缺口截面的全面屈服。此如塑性变形能扩展到试样中心，即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。时，最大轴向应力出现在试样中心位置。缺口试样静拉伸缺口试样静拉伸 如果缺口理论集中系数如果缺口理论集中系数Kt 2，即钝缺口，则可形成裂纹源，即钝缺口，则可形成裂纹源位于试样中心的

28、杯状断口。位于试样中心的杯状断口。 如缺口很尖锐如缺口很尖锐(Kt 6)，将出现同心圆似的纤维层，将出现同心圆似的纤维层(环形剪切环形剪切脊脊)，此时断裂是通过裂纹由外向内发展完成的。，此时断裂是通过裂纹由外向内发展完成的。缺口试样静拉伸缺口试样静拉伸 无论是钝缺口还是尖锐缺口，无论是钝缺口还是尖锐缺口，对于塑性高的材料都是对于塑性高的材料都是bN b 。 对对塑性好的材料塑性好的材料，缺口使材，缺口使材料的屈服强度或抗拉强度升高，料的屈服强度或抗拉强度升高， 但塑性降低，即但塑性降低，即缺口强化缺口强化。 对于对于脆性材料脆性材料，由于缺口造，由于缺口造成的应力集中，不会因塑性变形成的应力集

29、中，不会因塑性变形而使应力重新分布，因此缺口试而使应力重新分布，因此缺口试样的样的强度只会低于光滑试样强度只会低于光滑试样。(二二)缺口敏感度缺口敏感度(Notch Sensitivity Ratio)1.定义定义qe 越大，缺口敏感性越小越大，缺口敏感性越小脆性材料及高强度材料脆性材料及高强度材料1eq塑性材料，若缺口不太尖锐塑性材料，若缺口不太尖锐1eq缺口敏感度缺口敏感度2.缺口敏感度的影响因素缺口敏感度的影响因素缺口顶端曲率半径越小、缺口越深，缺口敏感性越大。缺口顶端曲率半径越小、缺口越深，缺口敏感性越大。缺口类型相同，增加试样截面尺寸，缺口敏感性也增大缺口类型相同，增加试样截面尺寸，

30、缺口敏感性也增大降低温度，尤其对降低温度，尤其对bcc金属，因金属，因s 显著增高，塑性储存下降，故显著增高，塑性储存下降，故缺口敏感性急剧增大。缺口敏感性急剧增大。应力状态越硬，缺口敏感性越大。应力状态越硬，缺口敏感性越大。(四四)缺口试样偏斜拉伸缺口试样偏斜拉伸缺口试样静拉伸缺口试样静拉伸 有些零部件，如联接螺钉等，有些零部件，如联接螺钉等，本身就存在着严重的应力集中，本身就存在着严重的应力集中，在装配中又不可避免地会出现偏在装配中又不可避免地会出现偏心。心。垫圈的倾角垫圈的倾角可取可取0、 4、8或或12 等等拉弯复合，应力分布不均拉弯复合，应力分布不均裂纹源位于缺口处，由表面向裂纹源位

31、于缺口处，由表面向内部扩展。若塑性好的裂纹也内部扩展。若塑性好的裂纹也可于内部生成，表面受约束，可于内部生成，表面受约束，无剪切唇。无剪切唇。应用：模拟工况进行选材及热应用：模拟工况进行选材及热处理工艺优化处理工艺优化缺口试样偏斜拉伸缺口试样偏斜拉伸实例实例 40CrNi钢淬火，钢淬火，200、450、600回火回火对于光滑试样，在对于光滑试样，在200、450、600回火后抗拉强度分为：回火后抗拉强度分为：1950、1480、1120MPa 200回火状态的回火状态的bN 高而且高而且NSR1，似乎是较理想的选择。，似乎是较理想的选择。 随偏斜角度的增大，随偏斜角度的增大，bN 下降很下降很

32、快，数据的分散性也大。在偏斜快，数据的分散性也大。在偏斜8时，时，200回火与回火与450回火均回火均显示出很大的缺口敏感性，显示出很大的缺口敏感性，NSR1。所以对于偏斜所以对于偏斜8左右的螺钉，左右的螺钉，600回火是更合理的选择。回火是更合理的选择。485缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验三、缺口弯曲试验三、缺口弯曲试验 光滑试样的静弯试验主光滑试样的静弯试验主要用来评定工具钢或一些脆要用来评定工具钢或一些脆性材料的力学性能，而缺口性材料的力学性能，而缺口试样的静弯试验则用来试样的静弯试验则用来评定评定或比较结构钢的缺或比较结构钢的缺 口敏感度口敏感度和裂纹敏感度和裂纹敏感度缺口弯曲试

33、样的尺寸缺口弯曲试样的尺寸缺口弯曲试验的加载方式缺口弯曲试验的加载方式典型的缺口静弯曲线典型的缺口静弯曲线49缺口弯曲试验缺口弯曲试验曲线下所包围的面积，表示试样从变形到断裂的功。曲线下所包围的面积，表示试样从变形到断裂的功。I发生弹性变形的弹性功发生弹性变形的弹性功发生塑性变形的变形功发生塑性变形的变形功撕裂功撕裂功裂纹敏感度裂纹敏感度通常以撕裂功的大小或通常以撕裂功的大小或Pmax /P的大小的大小(P点表示裂点表示裂纹开始迅速扩展的载荷纹开始迅速扩展的载荷)来表示。来表示。撕裂功或撕裂功或Pmax /P越大，说明材料断裂前塑性变形大，缺口敏越大，说明材料断裂前塑性变形大，缺口敏感性小。感

34、性小。第二章金属在其它静载荷下的力学性能第二章金属在其它静载荷下的力学性能6 硬硬 度度一、硬度的概念与分类一、硬度的概念与分类硬度硬度是衡量金属材料软硬程度是衡量金属材料软硬程度的力学性能指标，其意义随着的力学性能指标，其意义随着测试方法的不同而不同测试方法的不同而不同压入法压入法静载压入静载压入动载压入动载压入刻划法刻划法金属抵抗表面局部断裂的能力金属抵抗表面局部断裂的能力静载压入：静载压入：材料表面抵抗另一物体材料表面抵抗另一物体压入所引起塑性变形的压入所引起塑性变形的能力。能力。静载压入静载压入球体压入球体压入布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维氏硬度维氏硬度显微硬度显微

35、硬度(维氏和努氏维氏和努氏)锥体压入锥体压入动载压入动载压入锤击法锤击法布氏硬度布氏硬度回跳法回跳法肖氏硬度肖氏硬度回跳法：金属弹性变形功的大小回跳法：金属弹性变形功的大小刻划法刻划法莫氏硬度莫氏硬度6 硬硬 度度 压入法的应力状态软性系数压入法的应力状态软性系数2，在这应力状态下，几乎所有，在这应力状态下，几乎所有的金属材料都能产生塑性变形，所的金属材料都能产生塑性变形，所以这种方法也能测定以这种方法也能测定硬质合金、陶硬质合金、陶瓷瓷等脆性材料的硬度，应用最广泛。等脆性材料的硬度，应用最广泛。二、布氏硬度二、布氏硬度(Brinell Hardness)1. 原理和测试方法原理和测试方法 用

36、一定大小的载荷用一定大小的载荷P(kgf)，将直径为将直径为D(mm)的淬火钢球的淬火钢球(HBS)或硬质合金球或硬质合金球(HBW)压入试样表面压入试样表面 保持规定的时间后卸除载保持规定的时间后卸除载荷，于是在试样表面留下压痕荷，于是在试样表面留下压痕测量压痕的平均直径测量压痕的平均直径d（mm）,求得压痕的球形面积求得压痕的球形面积A（mm2）布氏硬度布氏硬度53布氏硬度的单位为布氏硬度的单位为kgf/mm2，但一般不标注单位。如载荷的单位，但一般不标注单位。如载荷的单位用牛顿用牛顿(N)， 则布氏硬度的单位变为则布氏硬度的单位变为MPa，上式的右端应乘以，上式的右端应乘以0.102。布

37、氏硬度布氏硬度2.布氏硬度试验规程布氏硬度试验规程所得的数据能够进行相互比所得的数据能够进行相互比较的基本条件是载荷较的基本条件是载荷P和压球和压球直径直径D必须事先确定。必须事先确定。2sinDd 2sin11222DFHB若若HB不变，则需不变，则需、P/D2为常数。为常数。试验证实：若试验证实：若P/D2为常数，则为常数，则 为常数，为常数，HB不变。不变。生产上常用的生产上常用的P/D2值规定有值规定有D(mm)1052.5210.102F/D230151052.5根据材料种类不同和布氏硬度根据材料种类不同和布氏硬度的范围而分别采用不同的的范围而分别采用不同的P/D2值值布氏硬度布氏硬

38、度压头材质：压头材质：淬火钢球淬火钢球 HBS450HBS450硬质合金球硬质合金球 HBW 450650布氏硬度布氏硬度试样厚度：试样厚度： 为为h的的10倍，倍，d=0.250.6D在试件厚度足够时，应尽可能选用在试件厚度足够时，应尽可能选用10 mm直径的压头。直径的压头。布氏硬度布氏硬度保持时间：对黑色金属应为保持时间：对黑色金属应为10 s，有色金属为，有色金属为30 s，对，对HB 35的材料为的材料为60s。但也不能保。但也不能保持得太长，如铅、锡等在室温持得太长，如铅、锡等在室温下即有显著冷蠕变现象，变形下即有显著冷蠕变现象，变形会随着时间的延长而一直增大。会随着时间的延长而一

39、直增大。3.布氏硬度的表示方法布氏硬度的表示方法500HBW5/750/ HB D P S一般表示为：一般表示为：HB5004.特点特点优点优点压痕面积大，不受个别相及微小压痕面积大，不受个别相及微小不均匀性影响，反映平均性能，不均匀性影响，反映平均性能，重现度大。重现度大。缺点缺点不同材料变不同材料变D、F，测，测d不能直接不能直接读数读数布氏硬度与抗拉强度布氏硬度与抗拉强度b 存在如下存在如下的经验关系：的经验关系：bk HB5.锤击式硬度计算锤击式硬度计算2222dDDdDDBHHB压痕较大，不宜在零件表面上测压痕较大，不宜在零件表面上测定硬度，也不能测定薄壁件或表定硬度，也不能测定薄壁

40、件或表面硬化层硬面硬化层硬 度。度。6 硬硬 度度三、洛氏硬度（三、洛氏硬度（Rockwell hardness）1. 测试原理及方法测试原理及方法洛氏硬度是以一定的压力将压头压洛氏硬度是以一定的压力将压头压入试样表面，以残留于表面的压痕入试样表面，以残留于表面的压痕深度来表示材料的硬度。深度来表示材料的硬度。(a) 试验时先加初始试验力试验时先加初始试验力F0，以，以保证压头与试样表面接触良好，得保证压头与试样表面接触良好，得到一个压痕深度到一个压痕深度h0，此时指针指零，此时指针指零(b) 施加主作用力施加主作用力F1，压头压入深度，压头压入深度为为h1，表逆时针转到相应刻度位置，表逆时针

41、转到相应刻度位置，h1包括弹性变形与塑性变形。包括弹性变形与塑性变形。洛氏硬度洛氏硬度(c) F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一段距离（卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一段距离（h2-h1），此时塑性变形深度即为压痕深度），此时塑性变形深度即为压痕深度h，最终表盘指针所指即为，最终表盘指针所指即为洛氏硬度值。洛氏硬度值。洛氏硬度洛氏硬度压头：压头：（1）顶角为）顶角为1200的金钢石圆锥体的金钢石圆锥体适于测定淬火钢材等较硬的材料；适于测定淬火钢材等较硬的材料；（2）直径为）直径为1/16 (1.5875mm) (12.70mm)的钢球的钢球适于测定退火钢、有色金属等较软适

42、于测定退火钢、有色金属等较软材料材料洛氏硬度可统一用下式来定义：洛氏硬度可统一用下式来定义：002. 0hkHRK为常数，采用金刚石圆锥体压头为常数，采用金刚石圆锥体压头时为时为0.2，采用钢球压头时为，采用钢球压头时为0.262.洛氏硬度的试验规范及应用洛氏硬度的试验规范及应用洛氏硬度洛氏硬度上述标尺的洛氏硬度，因施加的压力大，不宜用于测定极薄工件和上述标尺的洛氏硬度，因施加的压力大，不宜用于测定极薄工件和表面硬化层。表面洛氏硬度表面硬化层。表面洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度3.洛氏硬度的表示方法洛氏硬度的表示方法a.硬度硬度HR标尺字母：标尺字母：60HRCHRB有钢球有钢球(S)和硬质合金球和

43、硬质合金球(W)，此二者测试结果不同，此二者测试结果不同b.表面洛氏硬度：硬度表面洛氏硬度：硬度HR总试总试验力标尺验力标尺70HR30N4. 洛氏硬度间、洛氏硬度与布氏洛氏硬度间、洛氏硬度与布氏硬度间的换算关系硬度间的换算关系HRC = 2 HRA - 104HB = 10 HRC在在HRC = 40 60范围内范围内HB = 2 HRB5.洛氏硬度试验方法的选择洛氏硬度试验方法的选择1)其所测硬度范围应在其所测硬度范围应在 该方法该方法所允许的范围内。如应所允许的范围内。如应HRC在在20 67之间；若材料硬度小于之间；若材料硬度小于HRC20，则应选用，则应选用B标尺；若标尺；若大于大于

44、HRC67，则应选用，则应选用A标尺标尺2)从材料角度看，淬火后经不从材料角度看，淬火后经不同温度回火的钢材、各种工模同温度回火的钢材、各种工模具钢及渗层厚度大于具钢及渗层厚度大于0.5mm的的渗碳层等较硬的材料，常采用渗碳层等较硬的材料，常采用洛氏硬度洛氏硬度C标尺法；标尺法；对于硬质合金之类的很硬材料，对于硬质合金之类的很硬材料，常采用洛氏硬度常采用洛氏硬度A标尺法标尺法;洛氏硬度洛氏硬度当零件或工模具的渗层较浅时，如氮化层，渗硼层，可选用表面洛当零件或工模具的渗层较浅时，如氮化层，渗硼层，可选用表面洛氏硬度法。氏硬度法。6.洛氏硬度试验的优缺点洛氏硬度试验的优缺点优点：优点：1）因有硬质

45、、软质两种压头，）因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题不存在压头变形问题;2）因为硬度值可直接读出）因为硬度值可直接读出;3）对试件表面造成的损伤较小，）对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验可用于成品零件的质量检验;4）因加有预载荷，可以消除表面）因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。轻微的不平度对试验结果的影响。缺点：缺点：1）洛氏硬度存在人为的定义，）洛氏硬度存在人为的定义，使得不同标尺的洛氏硬度值无使得不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较法相互比较;2）由于压痕小，所以洛氏硬）由于压痕小，所以洛

46、氏硬度对材料组织的不均匀性很敏度对材料组织的不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复感，测试结果比较分散，重复性差，因而不适用具有粗大组性差，因而不适用具有粗大组成相成相(如灰铸铁中的石墨片如灰铸铁中的石墨片)或或不均匀组织材料的硬度测定。不均匀组织材料的硬度测定。6 硬硬 度度四、维氏硬度四、维氏硬度1.维氏硬度的测定原理和方法维氏硬度的测定原理和方法原理和布氏硬度相同原理和布氏硬度相同;维氏硬度采用锥面夹角为维氏硬度采用锥面夹角为136 的四方金钢石角锥体压头。的四方金钢石角锥体压头。四方角锥压头，当载荷改变时压四方角锥压头，当载荷改变时压入角不变，因此载荷可以任意选入角不变，因此载荷可以任

47、意选择。择。选取选取136 ，是为了所测数据与，是为了所测数据与HB值能得到最好的配合。值能得到最好的配合。布氏硬度试验时，压痕直径布氏硬度试验时，压痕直径d多多半在半在0.25D到到0.50D之间之间当当时时通过此压痕直径作压球的切线，通过此压痕直径作压球的切线，切线的夹角正好等于切线的夹角正好等于136 ，通，通过维氏硬度试验所得到的硬度值过维氏硬度试验所得到的硬度值和通过布氏硬度试验所得到的硬和通过布氏硬度试验所得到的硬度度 值能完全相等。值能完全相等。维氏硬度维氏硬度测量压痕测量压痕两对角线的长度后取平两对角线的长度后取平均值均值d，维氏硬度值可用下式计算：维氏硬度值可用下式计算：维氏

48、硬度的单位为维氏硬度的单位为kgf/mm2 所加的载荷所加的载荷50N，100N， 200N，300N，500N，1000N等六种。等六种。2.维氏硬度的表示方法维氏硬度的表示方法640HV30/20,前面的数字为硬度前面的数字为硬度值，后面的数字依次为所加载荷值，后面的数字依次为所加载荷（Kgf）和保持时间）和保持时间4)需通过测量对角线后才能计算需通过测量对角线后才能计算(或查表或查表)出来。出来。3）精度较布氏硬度法高）精度较布氏硬度法高,当材料当材料的硬度小于的硬度小于450HV时，时， 维氏硬度维氏硬度值与布氏硬度值大致相同值与布氏硬度值大致相同;2）维氏硬度法测量范围较宽，软）维氏硬度法测量范围较宽，软硬材料都可测试，并且比洛氏硬硬材料都可测试，并且比洛氏硬度法能更好地测定薄件或薄层的度法能更好地测定薄件或薄层的硬度，因而常用来测定表面硬度，因而常用来测定表面 硬化硬化层及仪表零件等的硬度层及仪表零件等的硬度;1）压痕的几何形状相同，载荷大）压痕的几何形状相同，载荷大小可以任意选择，所得硬度值均小可以任意选择，所得硬度值均相同相同;3.维氏硬度的特点维氏硬度的特点维氏硬度维氏硬度载荷为载荷为0.5120kgf时，应根据