金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能

金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五1引言主要指：壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、硬度和帶缺口試樣力學(xué)性能。

原因：

零部件在使用過程中將承受不同類型的外應(yīng)力；零件內(nèi)部存在不同的應(yīng)力狀態(tài)。第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五2§2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)任何復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)可用三個主應(yīng)力σ1，σ2和σ3來表示最大切應(yīng)力τmax=(σ1-σ3）/2最大正應(yīng)力σ

max=σ1-v(σ2+σ3）第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五3切應(yīng)力是位錯運動的驅(qū)動力，只有切應(yīng)力才能引起材料的塑形變形，而位錯在障礙物面前的塞積可以引起裂紋的萌生和發(fā)展，所以切應(yīng)力對材料的變形和開裂都起作用。而拉應(yīng)力（正應(yīng)力）只促進材料的斷裂。近似地講，切應(yīng)力促進塑形變形，使材料傾向于韌性斷裂；而拉應(yīng)力促進斷裂，使材料傾向于脆性斷裂。第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五4

1、應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α（柔度系數(shù)）

應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α定義為：

式中,最大切應(yīng)力τmax按第三強度理論計算，即τmax=1/2(σ1-σ3)，σ1，σ3分別為最大和最小主應(yīng)力。最大正應(yīng)力Smax按第二強度理論計算，即,

ν——泊松系數(shù)。第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五5

單向拉伸α=1/2

扭轉(zhuǎn)α=1/（1+ν）≈0.8

單向壓縮α=1/（2ν）≈2

應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α表示材料塑性變形的難易程度。

α越大表示在該應(yīng)力狀態(tài)下切應(yīng)力分量越大，材料就越易塑性變形。

∴把α值較大的稱做軟的應(yīng)力狀態(tài)，α值較小的稱做硬的應(yīng)力狀態(tài)。第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五62、力學(xué)狀態(tài)圖力學(xué)狀態(tài)圖以第二強度理論和第三強度理論兩者的聯(lián)合為基礎(chǔ)，縱坐標為按第三強度理論計算最大切應(yīng)力，橫坐標為按第二強度理論計算最大正應(yīng)力。

自原點作不同斜率的直線，可代表應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α，這些直線的位置反映了應(yīng)力狀態(tài)對斷裂的影響。

返回第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五7§2.2壓縮一、材料壓縮的特點

應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α=2，即應(yīng)力狀態(tài)軟，∴材料易產(chǎn)生塑性變形。

軟鋼易壓縮成腰鼓狀、扁餅狀。

鑄鐵拉伸時斷口為正斷；壓縮時沿45o方向切斷。

第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五8二、壓縮實驗

塑性材料：在壓縮試驗時，只發(fā)生壓縮變形而不斷裂；脆性材料：在拉伸試驗時，正斷，幾乎不發(fā)生塑性變形；在壓縮試驗時，能產(chǎn)生塑性變形，切斷（沿與軸線成45o的方向斷裂）第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五9壓縮試驗要求：1.試驗橫截面為圓形或正方形，長度一般為直徑的2.5-3.5之間。2.可測定材料的抗壓強度σbc(試樣壓至破壞過程中的最大應(yīng)力）Fbc:最大的壓縮力第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五10

為了減小試樣在壓縮過程呈腰鼓狀的趨勢，試樣的兩端需加工成具有α角度的凹圓錐面，以便使試樣能均勻變形。

返回第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五11§2.3彎曲一、彎曲試驗的特點

彎曲試驗常用于測定脆性材料的力學(xué)性能。（1）正應(yīng)力上表面為壓應(yīng)力，下表面為拉應(yīng)力；

（2）表面應(yīng)力最大，中心的為零；可反映材料表面缺陷，用途：比較和鑒別滲碳和表面淬火等化學(xué)熱處理和表面熱處理的質(zhì)量和性能。

（3）力點處的作用力最大；

第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五12二、彎曲試驗（1）抗彎強度

M為最大彎矩，W為抗彎截面系數(shù)。第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五13三點彎曲彎矩M=FL/4直徑為d的圓形試樣,抗彎截面系數(shù)W=（πd3）/32對于寬度為b，高為h的矩形試樣，抗彎截面系數(shù)W=bh2/6；四點彎曲M=FL/2

（2）撓度

試樣斷裂之前被壓下的最大距離。通過記錄彎曲力F和試樣撓度f之間的關(guān)系，求出斷裂時的抗彎強度和最大撓度，以表示材料的強度和塑性。

韌性材料一般不作彎曲強度檢測。

返回第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五14第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五15§2.4扭轉(zhuǎn)一、扭轉(zhuǎn)試驗的特點1、特點

（1）應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8，能檢測在拉伸時呈脆性的材料的塑性性能。

（2）長度方向，宏觀上的塑性變形始終是均勻的。沒有縮頸現(xiàn)象，所以能實現(xiàn)大塑性變形量下的實驗。（3）能敏感地反映材料表面的性能（表面缺陷和表面硬化層）

第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五16（4）斷口的特征最明顯（正斷、切斷、層狀斷口等）塑性材料：斷口平整，有回旋狀塑性變形。脆性材料：斷裂面與試樣軸線成45o角，呈螺旋狀；木紋狀（層狀）斷口：由于金屬中存在較多的非金屬的夾雜物或偏析。降低了試樣軸向切斷強度度造成的。第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五172、應(yīng)力狀態(tài)

縱向受力均勻；

橫向表面最大，心部為0；最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力相等。第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五18二、扭轉(zhuǎn)試驗試樣在彈性范圍內(nèi)表面的切應(yīng)力和切應(yīng)變：第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五19（1）切變模量G在彈性范圍內(nèi)，切變力與切應(yīng)變的比值稱為切變模量。（2）扭轉(zhuǎn)屈服點第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五20（3）抗扭強度Tb試樣在扭斷前承受的最大扭矩W試樣抗扭截面系數(shù)第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五21§2.5帶缺口試樣靜載荷試驗一、問題的提出

零件上有螺紋、鍵槽、油孔、退刀槽，焊縫等溝槽。

在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的“缺口效應(yīng)”從而影響金屬材料的力學(xué)性能。第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五22二、缺口效應(yīng)

1、理論應(yīng)力集中系數(shù)：缺口引起的應(yīng)力集中的程度

Kt=σmax/σ

σmax缺口凈截面上的最大應(yīng)力σ平均應(yīng)力Kt值與材料性質(zhì)無關(guān)，只取決于缺口的幾何形狀。

第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五23σz=0σx=0(x=0)2、拉伸時，缺口試樣上的應(yīng)力分布

（1）彈性狀態(tài)下第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五24缺口的第一個效應(yīng)是引起應(yīng)力集中，并改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)。第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五25塑性較好的材料，若根部產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力將重新分布，并隨載荷的增大，塑性區(qū)逐漸擴大，直至整個截面。

應(yīng)力最大處則轉(zhuǎn)移到離缺口根部ry距離處。σy，σx，σz均為最大值。

隨塑性變形逐步向試樣內(nèi)部轉(zhuǎn)移，各應(yīng)力峰值越來越大。試樣中心區(qū)的σy最大。

∴出現(xiàn)“缺口強化”（三向拉應(yīng)力約束了塑性變形）

強度提高，塑性降低，是缺口的第二個效應(yīng)。（2）塑性狀態(tài)下第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五26三、缺口試樣靜拉伸試驗

1、方法

缺口試樣，軸向拉伸和偏斜拉伸兩種。通常用缺口強度比NSR(NotchStrengthRatio)作為衡量靜拉伸下缺口敏感度指標：

NSR=σbn/σb

σbn：標用缺口的抗拉強度；σb：等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度NSR屬安全力學(xué)性能指標。NSR越大，缺口敏感度越小，對于脆性材料如鑄鐵，高碳鋼，其NSR<1，說明這些材料對缺口很敏感。塑性材料的NSR>1.

第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五27偏斜拉伸，α=4o和8o，試樣承受拉伸和彎曲。試樣同時承受拉伸和彎曲載荷復(fù)合作用，缺口截面上的應(yīng)力分布更不均勻，因而更能顯示材料對缺口的敏感性。第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五282、斷口

由于缺口的存在，裂紋源一般在缺口處，然后向內(nèi)部擴展，一般不存在剪切唇。

第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五29四、缺口試樣靜彎曲試驗

缺口試樣的靜彎試驗則用來評定或比較結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度由于缺口和彎曲所引起的應(yīng)力不均勻性疊加，使試樣缺口彎曲的應(yīng)力應(yīng)變分布的不均勻性更大。第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五30靜彎曲曲線

曲線下所包圍的面積，表示試樣從變形到斷裂的總功?？偣τ扇糠纸M成：

(1)只發(fā)生彈性變形的彈性功Ｉ;

(2)發(fā)生塑性變形的變形功以面積Ⅱ表示；

(3)在達到最大載荷Pmax時試樣即出現(xiàn)裂紋。如果裂紋到截荷P點時開始迅速擴展，直至試樣完全破斷。這一部分功以面積Ⅲ表示，叫作撕裂功。可用斷裂功，或Fmax/F1來表示材料的缺口敏感度。

F1—試樣發(fā)生斷裂所對應(yīng)的作用力。Fmax/F1=1時，缺口敏感度最大。第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五31§2.6硬度一、硬度及其意義1、硬度表征材料軟硬程度的一種性能,隨試驗方法的不同，物理意義不同。2、硬度的種類

壓入法：布氏硬度、洛氏、維氏等。表征材料的塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力。

應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大，α>2，幾乎所有的材料都能產(chǎn)生塑性變形。

刻劃法(劃痕法）：莫氏硬度。表征材料對切斷的抗力。

回跳法：肖氏硬度表征金屬彈性變形功的大小。

第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五32二、硬度試驗

1、布氏硬度

（1）原理

用一定直徑D的鋼球或硬質(zhì)合金球為壓頭，施以一定的試驗力，將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力。試樣表面留下壓痕。力除以壓痕球形表面積的商就是布氏硬度。

d—壓痕直徑

通常布氏硬度值不標出單位。第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五33第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五34（2）種類

布氏硬度試驗用壓頭直徑D有10，5，2.5，2，1mm五種。

F/D2的比值有六種。

（3）布氏硬度的優(yōu)缺點優(yōu)點：能較大范圍的反映材料的平均性能。試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好，應(yīng)用廣泛。

缺點：屬有損檢測；

為保證數(shù)據(jù)可靠，需根據(jù)材料的種類和試樣的厚薄更換壓頭。d=0.24-0.6D第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五35布氏硬度的表示方法：①硬度值②符合HBW③球直徑④試驗力⑤試驗力保持時間（10-15S不標注）舉例：350HBW5/750直徑5mm的硬質(zhì)合金球在7.355kN試驗力下保持10-15s測得的布氏硬度值為350.1kgf=9.80665N第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五362、洛氏硬度（1）原理

以壓頭留下的壓痕深度來表示材料的硬度值。

壓痕深度h越大，硬度值越低。

規(guī)定：不同的壓頭，k值不同；金剛石k=0.2；鋼球k=0.26

錐頭又分成α=120o的圓錐或四面錐。（2）種類

HRA、HRB、HRC最常用，改變壓力和壓頭，可適用于不同的測試范圍。

第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五37洛氏硬度表示方法：硬度值，符號HR,標尺字母。60HRC:用C標尺測定的洛氏硬度值為60.注意：B標尺洛氏硬度有兩種材料的壓頭，在硬度符號后面要加以說明：鋼球用S表示；硬質(zhì)合金球用W表示。60HRBW：表示用硬質(zhì)合金球在B標尺上測得的洛氏硬度值為60.第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五38表面洛氏

HR15N，HR30N，HR45N，HR15T用來測定極薄試樣及滲氮層的硬度。表面洛氏硬度的表示方法：硬度值，符號HR,總試驗力，標尺。70HR30N:表示用總試驗力294.2N的30N標尺測得的表面洛氏硬度值為70.①87HR15T②100HR15N③45HR45T第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五39可根據(jù)指針的指示值直接讀出硬度值。第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五403、維氏硬度

α=136o的金剛石四棱錐體取α=136o與布氏硬度的計算方法相同。

維氏硬度可分為宏觀和顯微觀兩種：

宏觀：F=49.03-980.7N（常用的試驗力范圍）顯微F=0.098-0.9807N

顯微維氏硬度試驗：可測定極薄的表面層的硬度以及合金中各種組成相的硬度。需要配備顯微鏡。第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五41維氏硬度的表示方法：硬度值，符號HV，試驗力，試驗力保持時間（10-15s不標注)640HV30:在試驗力為294.2N下保持10-15s測得的維氏硬度值為640.①870HV20;②350HV0.5;③450HV0.015第四十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五42第四十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五434、努氏硬度（也屬顯微硬度）

采用四棱錐