第二章 金属在其他静载荷下的力学性能

材料性能学第二章金属在其他静载荷下的力学性能王炳英办公室：D座504室手机mail:tdwby2004@126.com试验方法的目的

1.设计和选材的依据承受轴向压缩、弯矩或扭矩作用螺纹、孔洞、台阶等应力集中部位，测定相应承载条件下的力学性能指标。2.不同的加载方式引起不同的应力状态不同应力状态的试验方法所表现出来的弹性变形、塑性变形和断裂行为不完全相同。主要内容硬度扭转弯曲压缩应力状态软性系数缺口试样静载荷试验§2.1应力状态软性系数最大切应力理论：τmax=(σ1-σ3)/2相当最大正应力理论：σmax=σ1-υ(σ2+σ3)切应力

塑性变形和韧性断裂正应力脆性解理断裂变形和断裂方式主要与承载条件下应力状态有关不同的应力状态，其σmax和τmax不一样α越大，切应力分量越大，应力状态越“软”，易塑变和韧断α越小，正应力分量越大，应力状态越“硬”，易脆性断裂应力状态软性系数思考：（1）预考查脆性材料的塑性，设计试验时，α取大还是取小？（2）预考查塑性材料的脆性，设计试验时，α取大还是取小？取大取小§2.2压缩(1)α=2(单向)，脆性材料，在韧性状态下的力学行为。(2)塑性材料不用此法(3)多向不等压缩α＞2，适用于脆性更大的材料一、压缩试验的特点压缩拉伸脆性材料塑性材料二、压缩试验（GB/T7314-2005）试样：圆柱形或板状尺寸：长度=直径或边长的2.5~3.5倍根据压缩曲线，获得压缩强度和塑性指标σbc=Fbc/A0§2.3弯曲(1)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试验结果的影响，并可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。(2)表面上应力最大，反映表面缺陷。常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。(3)不能使塑性材料断裂，很少使用。一、弯曲试验特点二、弯曲试验（GB/T14452-92）试样：圆柱或方形试样，三点弯曲或四点弯曲加载记录：载荷F（或弯矩M）和试样挠度fF-fmax弯曲图规定非比例弯曲应力σpb:试样弯曲时外侧表面上的非比例弯曲应变达到规定值时，按公式计算的最大弯曲应力。σpb0.01或σpb0.02抗弯强度σbb：试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力W—试样抗弯截面系数；M—最大弯矩弯曲弹性模量断裂挠度fbb断裂能量U图2-5弯曲力-挠度曲线脆性或低塑性材料§2.4扭转一、扭转试验的特点(1)α=0.8(2)精确评定高塑性材料的形变能力和形变抗力(3)能敏感的反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能(4)σ≈τ，σc＞τf，测定材料切断抗力最可靠的方法(5)由扭转断口特征，区分正断或切断图2-7扭转试样的宏观断口(a)切断断口(b)正断断口(c)木纹状断口(a)断裂面与试样轴线垂直，断口平整，有回旋状塑性变形痕迹，切应力造成的切断；(b)脆性材料的断裂面与试样轴线成45°角，呈螺旋状，这是正应力作用下产生的正断；(c)断裂面顺着试样轴线形成纵向剥层或裂纹，因为金属中存在较多的非金属夹杂物或偏析，并在轧制过程中使其沿轴向分布，从而降低了试样轴向的切断抗力而造成的。二、扭转试验（GB/T10128-1998）试样：d0=10mm，L0=50或100mm扭转试验机扭转图扭转性能指标切应力和切应变τ=T/WT—扭矩，W—截面系数（πd03/16）

切变模量扭转屈服点扭转强度扭矩-扭角（T-φ）扭矩-扭角曲线§2.5缺口试样的静载荷试验实际机件，截面存在突变，如键槽、螺纹等“缺口”→应力状态变化→“缺口效应”。一、缺口效应（1）缺口造成应力应变集中

应力集中系数，Kt决定于缺口形状、角度、深度及根部曲率半径（2）缺口改变了缺口前方的应力状态单向→两向或三向应力状态只有两个方向上存在应力的状态——平面应力状态σy＜σs存在σx，σz=0纵向伸长→横向缩短金属变形连续性要求的结果平面应变状态缺口第一效应：引起应力集中，改变了缺口前方的应力状态，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态。Z向收缩受约束，产生σz厚板缺口内侧为三相拉伸的平面应变状态，且σy>

σz>σx（3）缺口使塑性材料得到“强化”缺口附近：应力集中→造成塑性变形区扩大→试样的屈服应力比单向拉伸时高→“缺口强化”三向拉应力状态约束塑性变形，塑性降低，材料变脆缺口第二个效应：缺口使塑性材料强度增高，塑性降低。评价：缺口轴向拉伸、偏斜拉伸和缺口弯曲试验二、缺口试样静拉伸试验1.轴向拉伸缺口敏感度NSR（NotchSensitivityRatio）NSR越大缺口敏感性越小(1)脆性材料，NSR远小于1，对缺口非常敏感(2)高强度材料，NSR＜1，敏感(3)塑性材料，NSR＞1，不敏感缺口试样拉伸强度光滑试样拉伸强度2.偏斜拉伸倾斜角α（0°

、4°

、8°

）

(σbN，σ4bN，σ8bN)高强度螺栓拉伸和弯曲复合，应力状态更硬三、缺口试样静弯曲试验

缺口试样静弯曲曲线(F~f曲线)Ⅰ：弹性功Ⅱ：塑性功Ⅲ：断裂功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，因此可用断裂功或Fmax/F1的比值表示金属的缺口敏感度。断裂功或Fmax/F1大，缺口敏感性小；反之，缺口敏感性大。§2.6硬度1.硬度的意义定义：表征材料软硬程度的一种性能硬度试验方法：弹性回跳法，压入法，划痕法一、意义及硬度实验的特点金属弹性变形功塑性变形及应变硬化能力切断强度2、硬度试验的特点α>2，可测定任何材料的硬度。硬度高，材料的耐磨性好。硬度和强度往往有一定的关系。不需专门制作试样，不破坏零件，设备简单，测量迅速。二、硬度试验（1）布氏硬度HB适用于退火状态下的钢、铸铁、有色金属或质地较软的轴承合金。钢球：HBS＜450HB硬质合金球：HBW＜650HB球面压痕单位面积上所承受的平均力布氏硬度试验（GB/T231.1-2002）布氏硬度计布氏硬度压痕表示:例:120HBS10/1000/30

表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。

数字+HBW(或HBS)+数字/数字/数字布氏硬度值球体直径/载荷/载荷保持时间

压痕几何相似原理，压入角不变布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及过硬的材料HBb(MPa)钢黄铜球墨铸铁材料的b与HB之间的经验关系：低碳钢:b(MPa)≈3.6HB高碳钢：b(MPa)≈3.4HB铸铁：b(MPa)≈1HB

或b(MPa)≈0.6(HB-40)（2）洛氏硬度试验（GB/T230.1-2004）测量残余压入深度h表示硬度值金刚石压头k取0.2淬火钢球k取0.26定义：每0.002mm相当于洛氏1度根据压头和载荷：常用B、C、A三种①HRB－－淬火钢球，中等载荷，测轻金属，未淬火钢②HRC－－120°金刚石圆锥，大载荷，测较硬，淬硬钢制品③HRA－－120°金钢石圆锥，小载荷，测硬、薄试件表示：数字（硬度值）+标尺

60HRC洛氏硬度压痕表面洛氏硬度试验与普通洛氏硬度的不同点：预载荷为3kgf(29.42N)，总载荷比较小,分别为15kgf，30kgf和45kgf(441.3N)取k＝0.1mm时的洛氏硬度为零，深度每增大0.001mm,表面洛氏硬度降低一个单位。45HR30N：金刚石圆锥体，载荷294N，测得的硬度为45；80HR30T：Φ1.588mm钢球，载荷294N，测得的硬度为80洛氏硬度测量（3）维氏硬度（GB/T4340.1-1999）α为136°金刚石四棱锥体四方锥形的压痕测量压痕对角线长度取平均硬薄层工件表示：640HV30（4）显微硬度HV原理及压头等与维氏硬度相同载荷以g计算测量组织中某一相硬度其它硬度测试方法与显微硬度相比有两点不同：(1)四棱锥金刚石压头对面角分别为172°30′和130°，棱形压痕，l/w为7.11(2)硬度值是力除以压痕投影面积。努氏硬度肖氏硬度：根据重锤回跳的高度来表征硬度值的大小里氏硬度：用冲头（碳化钨球）的回弹速度表征金属的硬度值常用硬度的比较压头载荷kgf硬度范围HBS钢球≤3000≤450HBW硬质合金球≤