材料力学性能(3)

1、材料力学性能材料力学性能第三章 材料在其它载荷下的力学性能 3.1 应力状态系数和应力状态图3.2 材料的扭转、弯曲、压缩和剪切3.3 材料的硬度3.4 缺口试样的力学性能性3.5 材料在冲击载荷下的力学性能第四章 材料的断裂韧性第三章第三章 材料在其它载荷下的力学性能材料在其它载荷下的力学性能 3.1 3.1 应力状态系数和应力状态图应力状态系数和应力状态图3.1.1 3.1.1 应力状态系数应力状态系数 一个材料的塑性或脆性并不是绝对的。与应力状态有关，切应力引起塑性变形和韧性断裂，正应力易导致脆断为了表示应力状态对材料塑性变形的影响，引入应力状态系数举例：铸铁举例：铸铁 压压韧，拉韧，拉

2、脆脆材料的塑性或脆性完全取决于材料本身属性？材料的塑性或脆性完全取决于材料本身属性？maxmax13123/()/2S m ax13m ax123() / 2S1,3 分别为最大和最小主应力分别为最大和最小主应力, , 为泊松比为泊松比材料力学：材料力学：任何复杂应力状态都可用三个主应力表示。并由三个主应任何复杂应力状态都可用三个主应力表示。并由三个主应力可计算材料承受的最大切应力和最大正应力力可计算材料承受的最大切应力和最大正应力应力状态系数：单向拉伸单向拉伸扭转扭转单向压缩单向压缩 表示材料塑性变形的难易程度。表示材料塑性变形的难易程度。 在该应力状态下切应力分量越大，塑性变形在该应力状态

3、下切应力分量越大，塑性变形；软的应力状态；软的应力状态 正应力分量最大，易引起脆断。硬的应力状态正应力分量最大，易引起脆断。硬的应力状态 3.1.2 3.1.2 应力状态图：应力状态图：将将几个因素几个因素综合在一个图中，定性判断材料发生何种断裂综合在一个图中，定性判断材料发生何种断裂ff内在因素：材料本性；外在因素：应力状态内在因素：材料本性；外在因素：应力状态剪切屈服强度剪切屈服强度切断强度切断强度抗断强度抗断强度拉伸曲线上的断裂真应力拉伸曲线上的断裂真应力压缩、扭转：切断压缩、扭转：切断先剪切屈服，后拉断先剪切屈服，后拉断脆断脆断f*f 对同种材料：对同种材料：？对不同材料对不同材料:

4、:A A：抗剪强、抗拉弱（硬性材料）：抗剪强、抗拉弱（硬性材料）B B：A CA C之间之间C C：抗剪弱、抗拉强（软性材料）：抗剪弱、抗拉强（软性材料） 1 1 三轴不等压缩三轴不等压缩2 2 单向压缩单向压缩3 3 扭转扭转4 4 单向拉伸单向拉伸3.2 3.2 材料的扭转、弯曲、压缩和剪切材料的扭转、弯曲、压缩和剪切与工程力学重复，略与工程力学重复，略 扭转扭转: :断裂面与轴线垂直断裂面与轴线垂直( (塑性材塑性材料料)/45)/45角角( (脆性材料脆性材料) )3.3 3.3 材料的硬度材料的硬度3.3.1 3.3.1 分类分类 刻划法刻划法莫氏莫氏 （抗破裂能力）（抗破裂能力）

5、压入法压入法布氏、洛氏、维氏布氏、洛氏、维氏 （抗变形能力）（抗变形能力） 回跳法回跳法肖氏肖氏 （弹性变形功）（弹性变形功） 给定载荷下，材料对形成表面压（划）痕的抵抗能力给定载荷下，材料对形成表面压（划）痕的抵抗能力衡量软硬程度的力学性能指标，但仅是技术指标，衡量软硬程度的力学性能指标，但仅是技术指标，不是确定的力学性能指标，物理意义随测试方法而异不是确定的力学性能指标，物理意义随测试方法而异硬度测试方法中应力状态最软硬度测试方法中应力状态最软 （），几乎所有材料发生塑性变形），几乎所有材料发生塑性变形3.3.2 3.3.2 莫氏硬度莫氏硬度划痕硬度，表示硬度由小到大的顺序，不表示软硬程度

6、，后面的矿物划痕硬度，表示硬度由小到大的顺序，不表示软硬程度，后面的矿物可划破前面的矿物表示。一般分十级，后来出现一些人工合成的硬度可划破前面的矿物表示。一般分十级，后来出现一些人工合成的硬度大的材料，又可分为大的材料，又可分为1515级：级：滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石（、（、SiOSiO2 2玻璃）玻璃）、石英、石英、黄玉黄玉（、石榴石、熔融（、石榴石、熔融ZrOZrO2 2）、刚玉、刚玉（、（、SiCSiC、BNBN）、金刚石、金刚石物理本质：（刻划法物理本质：（刻划法莫氏：对破裂的抗力）莫氏：对破裂的抗力） l冲头落下，能量冲头落下，

7、能量塑性变形塑性变形+ +弹性变形功存于件中，弹性恢复时，弹性变形功释放；弹性变形功存于件中，弹性恢复时，弹性变形功释放；l回弹回弹，储存的弹性变形功，储存的弹性变形功，（弹性功，（弹性功E E），原子间作用力），原子间作用力，硬度，硬度；l物理本质：回跳法物理本质：回跳法肖氏：弹性变形功的大小。肖氏：弹性变形功的大小。E E不同的材料不能比较。不同的材料不能比较。金刚石或钢球金刚石或钢球h0, 自由落自由落h,回弹高度回弹高度现场大件，不破坏样品现场大件，不破坏样品3.3.3 3.3.3 肖氏硬度肖氏硬度金刚石或钢球金刚石或钢球h h0 0, , 自由落；自由落；h,h,回弹高度回弹高度现场

8、大件，不破坏样品现场大件，不破坏样品Hs=kHs=kh/hh/h0 0 k k为回弹系数为回弹系数3.3.4 3.3.4 静载压入硬度静载压入硬度（1 1）原理：静压下将一硬的物体压入被测物体的表面）原理：静压下将一硬的物体压入被测物体的表面（2 2）表征：硬度）表征：硬度= =载荷载荷/ /压入凹面面积，写文章时标明方法、载荷压入凹面面积，写文章时标明方法、载荷（3 3）意义：对变形（金属）意义：对变形（金属）/ /破坏（陶瓷）的抗力破坏（陶瓷）的抗力（4 4）分类：布、洛、维。）分类：布、洛、维。（5 5）显微硬度：载荷很小，大致在）显微硬度：载荷很小，大致在100gf-500gf100g

9、f-500gf范围，所用的压范围，所用的压头有两种：维氏压头和努氏压头头有两种：维氏压头和努氏压头物理本质：（压入法物理本质：（压入法布氏、洛氏、维氏：对变形的抗力）布氏、洛氏、维氏：对变形的抗力）、布式、布式： 直径、最久最广的测试方法直径、最久最广的测试方法 钢球钢球/硬质合金球硬质合金球 压痕面积大（工件损伤大）压痕面积大（工件损伤大） d/D适当适当(0.24Dd0.6D) ； 抗拉强度抗拉强度b=kHB2、洛氏：洛氏： 深度；对工件损伤小深度；对工件损伤小 两种压头（无压头变形）两种压头（无压头变形）- -适应性好适应性好 存在人为定义，不同标尺硬度值不可比存在人为定义，不同标尺硬度

10、值不可比3、维氏：、维氏：对角线、误差小对角线、误差小136136四方角锥，载荷变压入角不变；四方角锥，载荷变压入角不变；136136？便于比较布氏？便于比较布氏d= d= (0.25D+0.5D)/2=0.375D(0.25D+0.5D)/2=0.375D时，过压痕直径时，过压痕直径做压头切线夹角做压头切线夹角136 136 特点特点/136/136？/ /可比性可比性 Al2O3 Al2O36 610-610-6 / ZrO2ZrO2101010-610-6 /硬度测试的其它应用：硬度测试的其它应用： 一些材料的硬度一些材料的硬度Kg/mmKg/mm2 2 （H HB B H HV V）：

11、铝）：铝20-4020-40；钢；钢200-900200-900；氧化锆；氧化锆20002000；金刚石；金刚石6000-100006000-10000；有机玻璃；有机玻璃1616；光学玻璃；光学玻璃550-600550-600； 硬度数据是相对的。与测试方法、固有性质、组成硬度数据是相对的。与测试方法、固有性质、组成/ /结构有关；结构有关； 一般，化学键强，硬度大，共，离，金，氢，范氏键依次降低；一般，化学键强，硬度大，共，离，金，氢，范氏键依次降低； 离子半径离子半径，电价，电价，配位数，配位数，结合能，结合能，抵抗外力摩擦、刻划、压，抵抗外力摩擦、刻划、压入的能力入的能力，硬度，硬度；

12、 温度增加，硬度降低。温度增加，硬度降低。 3.4 3.4 缺口试样的力学性能缺口试样的力学性能3.4.1 3.4.1 缺口对材料性能的影响缺口对材料性能的影响 设计之需要：键槽、油孔设计之需要：键槽、油孔 、台阶、螺纹、台阶、螺纹 工艺难避免：空洞、砂眼、裂纹、刀痕工艺难避免：空洞、砂眼、裂纹、刀痕对材料性能产生对材料性能产生4 4个方面的影响：个方面的影响：1.1.缺口产生应力集中缺口产生应力集中 2.2.引起三向应力状态引起三向应力状态, ,使材料脆化使材料脆化3.3.由应力集中产生应变集中由应力集中产生应变集中 4.4.使缺口附近的应变速率增高使缺口附近的应变速率增高缺口：薄弱环节缺口

13、：薄弱环节1 1、产生应力集中、产生应力集中1 2 3 41 2 3 4受纵向拉伸应力受纵向拉伸应力1 1 2 2 3 3 44（正常）（正常）1 1）原因：缺口前方材料承担缺口部分的外力，缺口根部的应力最大，）原因：缺口前方材料承担缺口部分的外力，缺口根部的应力最大， 离开缺口根部，应力逐渐减小，到某一恒定值，缺口的影响消失。离开缺口根部，应力逐渐减小，到某一恒定值，缺口的影响消失。 2 2）定义：由于缺口造成局部应力增）定义：由于缺口造成局部应力增大的现象称为应力集中大的现象称为应力集中 3 3）表征：应力集中系数）表征：应力集中系数K Kt t表示表示nLtSKmax弹性范围内弹性范围内

14、,K,Kt t决定于缺口的几何形状与尺寸决定于缺口的几何形状与尺寸缺口根部的最大应力缺口根部的最大应力净截面上的名义应力净截面上的名义应力Z Z向：厚度方向可自由变形，应力向：厚度方向可自由变形，应力=0=0Y YX XZ Zz平面应力状态平面应力状态（薄板）：（薄板）： 0 0，在在XYXY平面内受应力，在垂直于平面内受应力，在垂直于XYXY平面方向无应力平面方向无应力Y Y向均匀拉伸向均匀拉伸X X、Z Z向均匀收缩（无缺口）向均匀收缩（无缺口）有缺口：有缺口：Y Y向向：根部受拉应力最大，向中心渐小：根部受拉应力最大，向中心渐小X X向向：根部向中心收缩应力：根部向中心收缩应力应该应该由

15、大变小由大变小由于根部可自由收缩，应力为由于根部可自由收缩，应力为0 0Y Y向加载向加载 弹性极限弹性极限（1 1）带有缺口的薄板）带有缺口的薄板2 2、引起三向应力状态，使材料脆化、引起三向应力状态，使材料脆化 Y YX XZ Z（2 2）带缺口的厚板）带缺口的厚板X X、Y Y向：与薄板相同向：与薄板相同Z Z（厚度）向：（厚度）向：变形受约束，只在接近变形受约束，只在接近两个自由表面时，变形才不受限制，应两个自由表面时，变形才不受限制，应力为力为0 0，越趋于厚板中心，应力越大。，越趋于厚板中心，应力越大。缺口在厚板内产生了三向应力状态。缺口在厚板内产生了三向应力状态。由于板的厚度方向

16、不能自由变形，即由于板的厚度方向不能自由变形，即 0 0，即变形只发生在，即变形只发生在XYXY平面内，平面内，在垂直于在垂直于XYXY平面的方向没有变形。平面的方向没有变形。 根据虎克定律，根据虎克定律， = = 故有故有 这种应力状态称为这种应力状态称为平面应变状态平面应变状态。z)(1yxzE)(yxzz弹性变形时：缺口根部弹性变形时：缺口根部 最大，最大， =0=0， 在二者之间。在二者之间。塑变形时：塑变形时： 、 、 最大值不在缺口最大值不在缺口根部，在弹塑变形交界处。根部，在弹塑变形交界处。 ：弹性变形时在缺口根最高，但有塑：弹性变形时在缺口根最高，但有塑性变形时，原来达到屈服强

17、度性变形时，原来达到屈服强度 后就开后就开始屈服，由于三向应力的影响，塑性变形始屈服，由于三向应力的影响，塑性变形受约束，受约束， 要达到比原来更高的水平才要达到比原来更高的水平才能屈服能屈服“缺口强化缺口强化”：提高了屈服强：提高了屈服强度，但断裂前的塑性变形量减小了。度，但断裂前的塑性变形量减小了。yx)(yxzyxzy0y（3 3） 屈服状态下缺口处的应力分布屈服状态下缺口处的应力分布3 3、由应力集中带来应变集中、由应力集中带来应变集中 缺口处很陡的应力梯度，必然导致很陡的应变梯度。缺口处很陡的应力梯度，必然导致很陡的应变梯度。应变集中带来的后果是导致裂纹的产生应变集中带来的后果是导致

18、裂纹的产生缺口根部附近应变硬化体积很小，应变集中引起缺口根部附近应变硬化体积很小，应变集中引起的开裂并不需要消耗很大的塑性功的开裂并不需要消耗很大的塑性功4 4、使缺口附近的应变速率增高、使缺口附近的应变速率增高 夹头移动速率夹头移动速率 v=dl/dt v=dl/dt ；试样应变速率；试样应变速率 而而d =dl/ld =dl/l 因此因此 = = =v/= = =v/如如 100100 为光滑试样的工作长度；为光滑试样的工作长度；1 1 为缺口附近的工作长度，则为缺口附近的工作长度，则缺口附近的应变速率缺口附近的应变速率比平均应变速率比平均应变速率提高了两个数量级提高了两个数量级 dtd/

19、dtd /dtldl /dtdl01l0l3.4.23.4.2 缺口缺口试样的力学性能试样的力学性能 1 1、缺口静拉伸试验、缺口静拉伸试验 塑性材料：塑性材料：缺口使材料屈服强度或抗拉强度升高，但塑性降低，缺口使材料屈服强度或抗拉强度升高，但塑性降低，“缺口强化缺口强化”；脆性材料：脆性材料：应力集中不会因塑性变形而使应力重新分布，缺口试样强度只会低于光滑试样应力集中不会因塑性变形而使应力重新分布，缺口试样强度只会低于光滑试样. . 以缺口的净截面积以缺口的净截面积计算并与同样截面计算并与同样截面的光滑试样比较：的光滑试样比较：2 2、缺口偏斜拉伸试验、缺口偏斜拉伸试验 有些零部件（如连接螺

20、钉），本身存在严重有些零部件（如连接螺钉），本身存在严重的应力集中，装配中又不可避免出现偏心。的应力集中，装配中又不可避免出现偏心。模拟这类工况，进行偏斜拉伸试验。模拟这类工况，进行偏斜拉伸试验。当实验机上夹头向上运动时，通过垫圈当实验机上夹头向上运动时，通过垫圈3 3传递到试样螺母夹头传递到试样螺母夹头4 4的作用力的作用力P P非均匀接非均匀接触，使试样的工作部分倾斜，倾斜角度等触，使试样的工作部分倾斜，倾斜角度等于垫圈的角度。（于垫圈的角度。（ =0=0 ，4 4 ，8 8 ，1212 ）在这种偏斜拉伸的作用下，缺口截面在这种偏斜拉伸的作用下，缺口截面上的应力极不均匀，更易导致早期断上的

21、应力极不均匀，更易导致早期断裂，所以更能灵敏地反映出材料的缺裂，所以更能灵敏地反映出材料的缺口敏感度。口敏感度。3 3、缺口弯曲试验、缺口弯曲试验 评定材料的缺口敏感度和裂纹敏感度评定材料的缺口敏感度和裂纹敏感度对缺口敏感度对缺口敏感度1 1 2 2 3 3从变形到断裂的总功：图从变形到断裂的总功：图3-373-37弹性变形功弹性变形功塑性变形功塑性变形功撕裂功撕裂功 ：或：或P Pmaxmax/P (P/P (P裂纹开始迅速扩展裂纹开始迅速扩展的载荷）表示裂纹敏感度的载荷）表示裂纹敏感度越大，断裂前越大，断裂前塑性变形大，缺口敏感性小，脆化趋势小。塑性变形大，缺口敏感性小，脆化趋势小。1、简

22、述测硬度的刻划法、压入法、回跳法原理，它们各反映了材料的何种力学属性？2、洛氏硬度的特点？3、维氏硬度压头夹角为什么取136？4、什么是平面应力状态，什么是平面应变状态?为什么平面应变情况最容易脆断? 3.5 3.5 材料在冲击载荷下的力学性能材料在冲击载荷下的力学性能3.5.13.5.1冲击载荷与静载荷的区别冲击载荷与静载荷的区别变形速率不同：由加载速率不同引起变形速率不同：由加载速率不同引起能量性质：载荷作用时间、速率变化难测；把冲击载荷作为能量而非力处理。能量性质：载荷作用时间、速率变化难测；把冲击载荷作为能量而非力处理。3.5.23.5.2 冲击载荷下材料变形与断裂的特点冲击载荷下材料

23、变形与断裂的特点 弹性变形不受影响：弹性变形在介质中声速传播，冲击变形速率弹性变形不受影响：弹性变形在介质中声速传播，冲击变形速率10103 3以下；以下；塑性变形受限：加载快，塑性变形慢、来不及充分进行；塑性变形受限：加载快，塑性变形慢、来不及充分进行；加载速率不同加载速率不同弹性极限、屈服强度（塑性变形抗力）提高；弹性极限、屈服强度（塑性变形抗力）提高；3.5.33.5.3 缺口试样的冲击试验和冲击韧性缺口试样的冲击试验和冲击韧性冲击韧性是材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断冲击韧性是材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。裂功的能力。 将具有一定重量将具有一定重量G G的摆锤举至一定

24、高度的摆锤举至一定高度H H1 1，使其获得一，使其获得一定的势能定的势能mgHmgH1 1，然后将摆锤释放，在摆锤下落至最低位置，然后将摆锤释放，在摆锤下落至最低位置处将试样冲断，摆锤在冲断试样时所做的功，称为冲击功，处将试样冲断，摆锤在冲断试样时所做的功，称为冲击功，以以A Ak k表示，摆锤的剩余能量为表示，摆锤的剩余能量为mgHmgH2 2，故有，故有 A Ak k=mg(H=mg(H1 1H H2 2) )A Ak k的单位为的单位为J J，摆锤冲击试样时的速度为每秒，摆锤冲击试样时的速度为每秒5 5米。米。 冲击韧性冲击韧性 k k=A=Ak k/S/Sn n, S, Sn n是缺

25、口处的截面面积（是缺口处的截面面积（cmcm2 2）. .S Sn n是一个综合性的力学性能指标，与材料的强度、韧性、是一个综合性的力学性能指标，与材料的强度、韧性、形状、尺寸、缺口形式都有关系。因此形状、尺寸、缺口形式都有关系。因此 k k是材料抗冲击断是材料抗冲击断裂的一个参考性指标，最大的优点就是测量迅速简便。裂的一个参考性指标，最大的优点就是测量迅速简便。不同缺口形状的试样，无法对比不同缺口形状的试样，无法对比，设计中不能定量使用。，设计中不能定量使用。 3.5.43.5.4 冲击试样断裂过程分析冲击试样断裂过程分析挠度：弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移P Pe e弹性变形

26、弹性变形阶段阶段塑性变形塑性变形+ +形形变强化阶段变强化阶段F F处裂纹失稳扩展，处裂纹失稳扩展，载荷陡降为载荷陡降为D DD D后裂纹前端进入试样压应力区，后裂纹前端进入试样压应力区，尚未断裂截面已很小，平面应力状尚未断裂截面已很小，平面应力状态，变形比较自由，载荷降落变缓态，变形比较自由，载荷降落变缓AcAc：弹性变形功：弹性变形功ApAp：塑性变形、变形强化、裂纹形成功：塑性变形、变形强化、裂纹形成功d d：裂纹扩展功：裂纹扩展功PmaxPmax前后、根部一定距离处前后、根部一定距离处（三向应力），萌生裂纹（三向应力），萌生裂纹相同的冲击功，冲击过程吸收的功的相相同的冲击功，冲击过程吸收的功的相对比例不同，物理意义差别可能很大：对比例不同，物理意义差别可能很大：强度高、塑性低、无裂纹扩展强度高、塑性低、无裂纹扩展功。裂纹难形成，极易扩展功。裂纹难形成，极易扩展强度较高强度较高裂纹较难形成，有裂纹较难形成，有一定抵抗裂纹扩展能力一定抵抗裂纹扩展能力强度低并有很大抵抗强度低并有很大抵抗裂纹扩展的能力裂纹扩展的能力3.5.3.5. 冲击试验的应用冲击试验的应用冲击功是一种混合韧性指标，设计中不能定量使用，不真冲击功是一种混合韧性指标，设计中不能定量使用，不真正代表材料的韧脆程度。主要用途是揭示材料的变脆正代表材料的韧脆程度。主要用途是揭示材料的