金属在其他静载荷下的力学性能

金属在其他静载荷下的力学性能第1页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三引言主要指：压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。

原因：

零部件在使用过程中将承受不同类型的外应力；零件内部存在不同的应力状态。第2页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三§2.1应力状态软性系数任何复杂应力状态可用三个主应力σ1，σ2和σ3来表示最大切应力τmax=(σ1-σ3）/2最大正应力σ

max=σ1-v(σ2+σ3）第3页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三切应力是位错运动的驱动力，只有切应力才能引起材料的塑形变形，而位错在障碍物面前的塞积可以引起裂纹的萌生和发展，所以切应力对材料的变形和开裂都起作用。而拉应力（正应力）只促进材料的断裂。近似地讲，切应力促进塑形变形，使材料倾向于韧性断裂；而拉应力促进断裂，使材料倾向于脆性断裂。第4页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三

1、应力状态系数α（柔度系数）

应力状态系数α定义为：

式中,最大切应力τmax按第三强度理论计算，即τmax=1/2(σ1-σ3)，σ1，σ3分别为最大和最小主应力。最大正应力Smax按第二强度理论计算，即,

ν——泊松系数。第5页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三

单向拉伸α=1/2

扭转α=1/（1+ν）≈0.8

单向压缩α=1/（2ν）≈2

应力状态系数α表示材料塑性变形的难易程度。

α越大表示在该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑性变形。

∴把α值较大的称做软的应力状态，α值较小的称做硬的应力状态。第6页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三2、力学状态图力学状态图以第二强度理论和第三强度理论两者的联合为基础，纵坐标为按第三强度理论计算最大切应力，横坐标为按第二强度理论计算最大正应力。

自原点作不同斜率的直线，可代表应力状态系数α，这些直线的位置反映了应力状态对断裂的影响。

返回第7页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三§2.2压缩一、材料压缩的特点

应力状态系数α=2，即应力状态软，∴材料易产生塑性变形。

软钢易压缩成腰鼓状、扁饼状。

铸铁拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断。

第8页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三二、压缩实验

塑性材料：在压缩试验时，只发生压缩变形而不断裂；脆性材料：在拉伸试验时，正断，几乎不发生塑性变形；在压缩试验时，能产生塑性变形，切断（沿与轴线成45o的方向断裂）第9页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三压缩试验要求：1.试验横截面为圆形或正方形，长度一般为直径的2.5-3.5之间。2.可测定材料的抗压强度σbc(试样压至破坏过程中的最大应力）Fbc:最大的压缩力第10页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三

为了减小试样在压缩过程呈腰鼓状的趋势，试样的两端需加工成具有α角度的凹圆锥面，以便使试样能均匀变形。

返回第11页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三§2.3弯曲一、弯曲试验的特点

弯曲试验常用于测定脆性材料的力学性能。（1）正应力上表面为压应力，下表面为拉应力；

（2）表面应力最大，中心的为零；可反映材料表面缺陷，用途：比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理和表面热处理的质量和性能。

（3）力点处的作用力最大；

第12页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三二、弯曲试验（1）抗弯强度

M为最大弯矩，W为抗弯截面系数。第13页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三三点弯曲弯矩M=FL/4直径为d的圆形试样,抗弯截面系数W=（πd3）/32对于宽度为b，高为h的矩形试样，抗弯截面系数W=bh2/6；四点弯曲M=FL/2

（2）挠度

试样断裂之前被压下的最大距离。通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和塑性。

韧性材料一般不作弯曲强度检测。

返回第14页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三第15页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三§2.4扭转一、扭转试验的特点1、特点

（1）应力状态软性系数为0.8，能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。

（2）长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的。没有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量下的实验。（3）能敏感地反映材料表面的性能（表面缺陷和表面硬化层）

第16页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三（4）断口的特征最明显（正断、切断、层状断口等）塑性材料：断口平整，有回旋状塑性变形。脆性材料：断裂面与试样轴线成45o角，呈螺旋状；木纹状（层状）断口：由于金属中存在较多的非金属的夹杂物或偏析。降低了试样轴向切断强度度造成的。第17页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三2、应力状态

纵向受力均匀；

横向表面最大，心部为0；最大正应力与最大切应力相等。第18页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三二、扭转试验试样在弹性范围内表面的切应力和切应变：第19页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三（1）切变模量G在弹性范围内，切变力与切应变的比值称为切变模量。（2）扭转屈服点第20页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三（3）抗扭强度Tb试样在扭断前承受的最大扭矩W试样抗扭截面系数第21页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三§2.5带缺口试样静载荷试验一、问题的提出

零件上有螺纹、键槽、油孔、退刀槽，焊缝等沟槽。

在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的“缺口效应”从而影响金属材料的力学性能。第22页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三二、缺口效应

1、理论应力集中系数：缺口引起的应力集中的程度

Kt=σmax/σ

σmax缺口净截面上的最大应力σ平均应力Kt值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状。

第23页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三σz=0σx=0(x=0)2、拉伸时，缺口试样上的应力分布

（1）弹性状态下第24页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态。第25页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。

应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处。σy，σx，σz均为最大值。

随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。试样中心区的σy最大。

∴出现“缺口强化”（三向拉应力约束了塑性变形）

强度提高，塑性降低，是缺口的第二个效应。（2）塑性状态下第26页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三三、缺口试样静拉伸试验

1、方法

缺口试样，轴向拉伸和偏斜拉伸两种。通常用缺口强度比NSR(NotchStrengthRatio)作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标：

NSR=σbn/σb

σbn：标用缺口的抗拉强度；σb：等截面尺寸光滑试样的抗拉强度NSR属安全力学性能指标。NSR越大，缺口敏感度越小，对于脆性材料如铸铁，高碳钢，其NSR<1，说明这些材料对缺口很敏感。塑性材料的NSR>1.

第27页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三偏斜拉伸，α=4o和8o，试样承受拉伸和弯曲。试样同时承受拉伸和弯曲载荷复合作用，缺口截面上的应力分布更不均匀，因而更能显示材料对缺口的敏感性。第28页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三2、断口

由于缺口的存在，裂纹源一般在缺口处，然后向内部扩展，一般不存在剪切唇。

第29页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三四、缺口试样静弯曲试验

缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的应力应变分布的不均匀性更大。第30页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三静弯曲曲线

曲线下所包围的面积，表示试样从变形到断裂的总功。总功由三部分组成：

(1)只发生弹性变形的弹性功Ｉ;

(2)发生塑性变形的变形功以面积Ⅱ表示；

(3)在达到最大载荷Pmax时试样即出现裂纹。如果裂纹到截荷P点时开始迅速扩展，直至试样完全破断。这一部分功以面积Ⅲ表示，叫作撕裂功。可用断裂功，或Fmax/F1来表示材料的缺口敏感度。

F1—试样发生断裂所对应的作用力。Fmax/F1=1时，缺口敏感度最大。第31页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三§2.6硬度一、硬度及其意义1、硬度表征材料软硬程度的一种性能,随试验方法的不同，物理意义不同。2、硬度的种类

压入法：布氏硬度、洛氏、维氏等。表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。

应力状态软性系数最大，α>2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。

刻划法(划痕法）：莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。

回跳法：肖氏硬度表征金属弹性变形功的大小。

第32页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三二、硬度试验

1、布氏硬度

（1）原理

用一定直径D的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力。试样表面留下压痕。力除以压痕球形表面积的商就是布氏硬度。

d—压痕直径

通常布氏硬度值不标出单位。第33页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三第34页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三（2）种类

布氏硬度试验用压头直径D有10，5，2.5，2，1mm五种。

F/D2的比值有六种。

（3）布氏硬度的优缺点第35页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三布氏硬度的表示方法：①硬度值②符合HBW③球直径④试验力⑤试验力保持时间（10-15S不标注）举例：350HBW5/750直径5mm的硬质合金球在7.355kN试验力下保持10-15s测得的布氏硬度值为350.1kgf=9.80665N第36页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三2、洛氏硬度（1）原理

以压头留下的压痕深度来表示材料的硬度值。

压痕深度h越大，硬度值越低。

规定：不同的压头，k值不同；金刚石k=0.2；钢球k=0.26

锥头又分成α=120o的圆锥或四面锥。（2）种类

HRA、HRB、HRC最常用，改变压力和压头，可适用于不同的测试范围。

第37页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三洛氏硬度表示方法：硬度值，符号HR,标尺字母。60HRC:用C标尺测定的洛氏硬度值为60.注意：B标尺洛氏硬度有两种材料的压头，在硬度符号后面要加以说明：钢球用S表示；硬质合金球用W表示。60HRBW：表示用硬质合金球在B标尺上测得的洛氏硬度值为60.第38页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三表面洛氏

HR15N，HR30N，HR45N，HR15T用来测定极薄试样及渗氮层的硬度。表面洛氏硬度的表示方法：硬度值，符号HR,总试验力，标尺。70HR30N:表示用总试验力294.2N的30N标尺测得的表面洛氏硬度值为70.①87HR15T②100HR15N③45HR45T第39页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三可根据指针的指示值直接读出硬度值。第40页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三3、维氏硬度

α=136o的金刚石四棱锥体取α=136o与布氏硬度的计算方法相同。

维氏硬度可分为宏观和显微观两种：

宏观：F=49.03-980.7N（常用的试验力范围）显微F=0.098-0.9807N

显微维氏硬度试验：可测定极薄的表面层的硬度以及合金中各种组成相的硬度。需要配备显微镜。第41页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三维氏硬度的表示方法：硬度值，符号HV，试验力，试验力保持时间（10-15s不标注)640HV30:在试验力为294.2N下保持10-15s测得的维氏硬度值为640.①870HV20;②350HV0.5;③450HV0.015第42页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三第43页，共48页，2022年，5月20日，22点0分，星期三4、努氏硬度（也属显微硬度）

采用四棱锥，对面角分别为