材料力学性能(第二章)

材料力学性能(第二章)第1页，共42页，2023年，2月20日，星期一

§2-1应力状态软性系数1、加载方式对变形的影响(1)正应力易导致裂纹扩展发生脆性断裂，切应力易导致塑性变形发生韧性断裂。(2)不同加载方式的应力状态不同，即σmax和τmax的相对大小不同。(3)金属材料在一定载荷条件下产生何种断裂形式，不仅与自身强度有关，还与加载方式（应力状态）有关。第2页，共42页，2023年，2月20日，星期一2、应力状态软性系数(α)(1)定义：最大切应力与最大正应力之比。(2)α值越大的试验方法,τmax就越大。如压缩等,易产生塑性变形和韧性断裂，表示应力状态越“软”，可用于测量脆性材料在静拉伸下不能测量的塑性。(3)α值越小的试验方法，σmax就越大。如单向拉伸等,易产生断裂，表示应力状态越“硬”，可用于测量韧性材料。第3页，共42页，2023年，2月20日，星期一§2-2压缩、弯曲和扭转一、压缩1、特点(1)单向压缩的α＝2，易发生塑性变形。(2)拉伸时的脆性材料，压缩时能产生一定的塑性，并沿与轴线呈45°角产生断裂，具有切断特征。(3)塑性好的材料通常不采用压缩试验。(4)由于裂纹等缺陷对压缩载荷不敏感，所以抗压强度一般要高于抗拉强度，在铸铁等脆性材料中表现得非常明显。第4页，共42页，2023年，2月20日，星期一2、压缩试验(1)抗压强度：σbc=Pbc/A0(2)相对压缩率：εc=(h0-hf)/h0×100%(3)相对断面扩张率：φfc=(Af-A0)/A0×100%P：载荷；A：试样截面积；h：试样高度；下脚标：c：压缩；0：初始值；f：断裂值。第5页，共42页，2023年，2月20日，星期一第6页，共42页，2023年，2月20日，星期一二、弯曲1、特点内部应力与单向拉伸和压缩一样，但应力分布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变化，力学行为与单向拉伸和压缩不同。(1)弯曲弹性模量是拉伸和压缩弹性模量的复合结果。(2)弯曲时不显示拉伸和压缩时产生的屈服现象。第7页，共42页，2023年，2月20日，星期一2、用途(1)评定铸铁、工具钢及硬质合金等脆性和低塑性材料的力学性能。①不受试样倾斜的影响，可以稳定地测定抗弯强度。②用挠度表示塑性，能明显地显示塑性差别。第8页，共42页，2023年，2月20日，星期一(2)截面内应力分布不平衡，表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷，常用于比较和鉴别渗碳和表面淬火等工件的质量和性能。3、弯曲试验(1)抗弯强度σbb=Mbb/WMbb：最大弯矩；W：试样抗弯截面系数。(2)断裂挠度fbb。第9页，共42页，2023年，2月20日，星期一三、扭转1、扭转试验2、特点(1)扭转的应力状态软性系数为0.8，易于显示塑性行为。(2)圆柱试样扭转时没有颈缩现象，能实现大塑性变形量下的试验。(3)可敏感反映表面缺陷及表面硬化层性能。第10页，共42页，2023年，2月20日，星期一(4)可根据试样的宏观断口特征，判断承受扭矩而断裂的工件性能。①正断：塑性材料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，是切应力造成的切断。②切断：脆性材料的断裂面与试样轴线成45o角，呈螺旋状，是正应力造成的正断。第11页，共42页，2023年，2月20日，星期一③木纹状断口：断裂面顺着试样轴线形成纵向剥层或裂纹，是金属中存在较多的非金属夹杂物或偏析，并在轧制过程中沿轴向分布造成的。第12页，共42页，2023年，2月20日，星期一第13页，共42页，2023年，2月20日，星期一3、扭转试验(1)切变模量G=32△TL0/π△φd04(2)扭转屈服点τs=Ts/WT:扭矩；W：试样抗扭截面系数。(3)扭转强度τb=Tb/W第14页，共42页，2023年，2月20日，星期一§2-3缺口试样静载荷试验一、缺口效应缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生变化。1、缺口顶端引起应力集中。设一薄板的边缘开有缺口，并承受拉应力的作用。当板材处于弹性范围内，其缺口截面上的应力分布如图。第15页，共42页，2023年，2月20日，星期一第16页，共42页，2023年，2月20日，星期一轴向应力在缺口根部最大，随着离开根部距离的增大，应力不断下降。理论应力集中系数Kt：表示缺口引起的应力集中程度。

Kt只取决于缺口的几何形状，以根部曲率半径影响最大，缺口越尖锐，应力越大。第17页，共42页，2023年，2月20日，星期一2、近缺口顶端区产生两向应力状态（薄板）或三向应力状态（厚板）。(1)自缺口根部向内侧，横向拉应力由零逐渐增大，达到一定数值后逐渐减小，薄板缺口内侧是两向拉伸的平面应力状态。(2)厚板由于在板厚方向的收缩变形受到约束，也存在拉应力，厚板缺口内侧是三向拉伸是平面应力状态。（σy＞σx＞σz）第18页，共42页，2023年，2月20日，星期一3、脆性材料和低塑性材料进行缺口试样拉伸时，往往由弹性变形过度到断裂，且其抗拉强度比光滑试样低。此时应力状态软性系数α＜0.5，很难通过缺口根部塑性变形使应力重新分布，往往发生断裂。由于断裂是在试样缺口根部的最大纵向应力作用下产生的，其抗拉强度必然低于光滑试样。第19页，共42页，2023年，2月20日，星期一4、缺口使塑性材料强度增加，塑性降低。第20页，共42页，2023年，2月20日，星期一(1)塑性好的材料，若缺口根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增加塑性区逐渐加大，直至整个截面都产生塑性变形。三向应力状态下屈服条件为：σy－σx＝σs①缺口根部σx=0，外加载荷增大时，缺口根部首先发生屈服。第21页，共42页，2023年，2月20日，星期一②缺口内侧σx≠0，必须增加σy才能产生屈服。如果不断增加σy，塑性变形将自表面向心部扩展。(2)缺口强化：塑性较好的材料，由于缺口的存在，出现了三向应力状态，并产生了应力集中，使得试样的屈服应力比单向拉伸时高。缺口使塑性下降，脆性上升。不是强化金属材料的手段。第22页，共42页，2023年，2月20日，星期一三、缺口敏感性与敏感度1、缺口脆化效应：缺口根部的应力集中会促使萌生裂纹，加上根部较硬的应力状态使构件趋于脆性状态，从而使缺口构件脆性断裂的危险性增大。2、缺口敏感性：金属材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。第23页，共42页，2023年，2月20日，星期一3、缺口敏感度NSR：缺口试样的抗拉强度与等截面光滑试样抗拉强度的比值。(1)脆性材料和多数高强度材料的NSR<1，形变强化小，缺口敏感性大。(2)多数塑性材料的NSR>1，形变强化大，缺口敏感性小。第24页，共42页，2023年，2月20日，星期一§2-4硬度硬度是表征材料软硬程度的一种性能。划痕法：材料抵抗表面局部断裂的能力。（莫氏硬度）回跳法：金属弹性变形功的大小。（肖氏硬度、里氏硬度）压入法：材料表面抵抗另一物体压入引起的塑性变形的能力。第25页，共42页，2023年，2月20日，星期一压入硬度试验法的特点：(1)应力状态软性系数α≥2，材料易产生塑性变形，可测量淬火钢、硬质合金及陶瓷材料的硬度。(2)仅在表面产生很小的压痕，可直接在工件成品上测量，也可检查金属表面层的质量。(3)在一定条件下，可由硬度大致推测出材料的强度水平。第26页，共42页，2023年，2月20日，星期一一、布氏硬度1、测量原理：以单位面积压痕所承受的压力表示硬度值。（N/mm2）压力将压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留下压痕。第27页，共42页，2023年，2月20日，星期一第28页，共42页，2023年，2月20日，星期一2、压头(1)材质：淬火钢球：用HBS表示；硬质合金球：用HBW表示。(2)直径（D）：分为1，2，2.5，5，10mm共五种。(3)试件厚度＞10d；相邻压痕中心距离≮4～6d，压痕中心距试样边缘≮2.5～3d。第29页，共42页，2023年，2月20日，星期一3、测试压力(1)根据材料软硬程度及被测工件厚度，选用不同F/D2的比值，控制压痕直径d在0.25-0.6D。(2)当F/D2应为常数时，不同压头直径D及载荷F测量的硬度具有可比性。(3)压力保持时间：黑色金属为10秒，有色金属为30秒，对HB＜35的材料为60秒。第30页，共42页，2023年，2月20日，星期一4、表示方法硬度值；压头符号；压头直径；试验力；试验力保持时间。压头符号：淬火钢球：HBS；硬质合金球：HBW。如150HBSl0/3000/30；500HBW5/750。（试验力以kg为单位）第31页，共42页，2023年，2月20日，星期一5、优点(1)能反映较大范围内各组成相的平均性能。(2)数据稳定，重复性强。6、缺点(1)不易测量成品及小、薄的工件。(2)测量工作比较繁琐。(3)不同F/D2比值测量同一材料时的硬度值不同。第32页，共42页，2023年，2月20日，星期一7、适用范围HBS(＜450)；HBW(450~650)。(1)相对较软的材料，如退火、正火、调质钢件；有色金属。(2)有粗大晶粒或粗大组成相的材料，如灰铸铁和轴承合金等第33页，共42页，2023年，2月20日，星期一h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计第34页，共42页，2023年，2月20日，星期一二、洛氏硬度1、测量原理：以压痕的深度表示硬度值。

以千分表测量留下的压痕深度，在表盘上直接读出硬度值。2、分类采用不同压头及不同压力，可形成多种标尺。常用的有：HRA，HRB，HRC三种。第35页，共42页，2023年，2月20日，星期一硬度符号压头类型主载荷力(N)硬度范围HRA120°金刚石圆锥体490.320-88HRB1.588mm淬火钢球（S）硬质合金球（W）980.720-100HRC120°金刚石圆锥体147120-703、表示方法：硬度值；硬度符号；标尺字母。如60HRC；60HRBW。第36页，共42页，2023年，2月20日，星期一4、优点(1)操作简单，测量迅速。(2)压痕小，可用于成品检验。(3)测量范围广，可测量各种软硬及不同厚度的试样。5、缺点(1)数据重复性差，需多次测量。(2)不同标尺的硬度值不能相互比较。第37页，共42页，2023年，2月20日，星期一6、应用范围HRA：硬质合金、硬化薄钢板、表面薄层硬化钢。HRB：低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁。HRC:淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁。第38页，共42页，2023年，2月20日，星期一三、维氏硬度1、测量原理：以单位面积压痕承受的力表示硬度值。2、压头：面夹角α=136o的金刚石四棱锥体。（测量对角线长度d）第39页，共42页，2023年，2月20日，星期一3、试验力(1)常用力：49.03-980.7N。(2)0.098-0.9807N。在显微镜下测量，称显微硬度（显微维氏硬度）。4、表示方法硬度值；HV；试验力。如640HV30。第40页，共42页，2