工程材料力學(xué)性能第二章講述

1、第二章第二章 金屬在其它靜載荷下的力學(xué)性能金屬在其它靜載荷下的力學(xué)性能 目的：目的： v 1實際構(gòu)件服役承受壓縮、彎矩或扭矩實際構(gòu)件服役承受壓縮、彎矩或扭矩 作用，或有螺紋、孔洞、臺階等引起應(yīng)力集作用，或有螺紋、孔洞、臺階等引起應(yīng)力集 中的部位中的部位; v 2不同的加載方式將產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀不同的加載方式將產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀 態(tài)。態(tài)。 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： v 1.應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)的概念，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)的概念， v 2.壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和缺口試祥拉伸等特壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和缺口試祥拉伸等特 點(diǎn)、應(yīng)用范圍及力學(xué)性能指標(biāo)。點(diǎn)、應(yīng)用范圍及力學(xué)性能指標(biāo)。 v 3.金屬的硬度試驗方法金屬的硬度試

2、驗方法: 布氏硬度、洛氏硬布氏硬度、洛氏硬 度和維氏硬度度和維氏硬度。 v v 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) v塑性變形和斷裂塑性變形和斷裂(韌性的或脆性的韌性的或脆性的)是金屬材料在靜是金屬材料在靜 載荷下失效的主要形式。載荷下失效的主要形式。 v工程上總是希望構(gòu)件在韌性狀態(tài)下工作，避免危險工程上總是希望構(gòu)件在韌性狀態(tài)下工作，避免危險 的脆性斷裂。的脆性斷裂。 構(gòu)件或材料是韌性或脆性狀態(tài)，取決材料本身的組構(gòu)件或材料是韌性或脆性狀態(tài)，取決材料本身的組 織結(jié)構(gòu)，還取決于應(yīng)力狀態(tài)，溫度和加載速率等因織結(jié)構(gòu)，還取決于應(yīng)力狀態(tài)，溫度和加載速率等因 素，并不是固定不變的，而是可以互相轉(zhuǎn)

3、化的。素，并不是固定不變的，而是可以互相轉(zhuǎn)化的。 v舉例：舉例：鑄鐵鑄鐵 壓壓韌，拉韌，拉脆脆 v 韌性低碳鋼韌性低碳鋼 光滑，缺口光滑，缺口 一一 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) v 由材料力學(xué)可知，任何復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)都可以用由材料力學(xué)可知，任何復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)都可以用 切應(yīng)力和正應(yīng)力表示。切應(yīng)力和正應(yīng)力表示。 切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，對切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，對 塑性韌性有利；拉應(yīng)力促進(jìn)斷裂，不利于塑性和韌塑性韌性有利；拉應(yīng)力促進(jìn)斷裂，不利于塑性和韌 性。性。 v任何復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)都可用三個主應(yīng)力任何復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)都可用三個主應(yīng)力 123來表示。來表示。 v應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)(亦叫軟

4、性系數(shù)亦叫軟性系數(shù)) v三向不等拉伸： = 0.1 v單拉：單拉： 1= 2=3 =0 = 0.5 v扭轉(zhuǎn) v單向壓縮： = 2 取=0.25 =0.8 v 值越大，切應(yīng)力越大，應(yīng)力狀態(tài)越值越大，切應(yīng)力越大，應(yīng)力狀態(tài)越“軟軟”， 金屬越易于塑性變形和韌性斷裂。金屬越易于塑性變形和韌性斷裂。 v 值越小，正應(yīng)力越大，應(yīng)力狀態(tài)越值越小，正應(yīng)力越大，應(yīng)力狀態(tài)越“硬硬”， 金屬越不易塑性變形而脆性斷裂。金屬越不易塑性變形而脆性斷裂。 v塑性與材料的結(jié)構(gòu)、成分和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，塑性與材料的結(jié)構(gòu)、成分和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)， 改變應(yīng)力狀態(tài)改變應(yīng)力狀態(tài)改變塑性。改變塑性。 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 的目的：的

5、目的： v1、對應(yīng)力狀態(tài)改變塑性的影響，從定性到定量。、對應(yīng)力狀態(tài)改變塑性的影響，從定性到定量。 v2、通過改變應(yīng)力狀態(tài)、通過改變應(yīng)力狀態(tài)改變塑性，脆性材料改變塑性，脆性材料 和和 塑性材料。塑性材料。 v3、影響斷裂的內(nèi)在因素是材料本性，如、影響斷裂的內(nèi)在因素是材料本性，如s,b v4、外在因素：應(yīng)力狀態(tài)，溫度和加載速度、外在因素：應(yīng)力狀態(tài)，溫度和加載速度 第二節(jié)第二節(jié) 壓縮壓縮 壓縮試驗的特點(diǎn)：壓縮試驗的特點(diǎn)： v一一 與拉伸相似：反向的拉伸與拉伸相似：反向的拉伸 v 拉伸時定義的各個力學(xué)性能指標(biāo)和相應(yīng)的拉伸時定義的各個力學(xué)性能指標(biāo)和相應(yīng)的 計算公式，在壓縮試驗中基本實用。計算公式，在壓縮

6、試驗中基本實用。 2 與拉不同：與拉不同： v變形不同：高度降低，截面積增加；變形不同：高度降低，截面積增加； v變形曲線、形態(tài)不同：塑性材料不裂。變形曲線、形態(tài)不同：塑性材料不裂。 二二 與拉伸不同點(diǎn)：與拉伸不同點(diǎn)： v1.如壓縮時試件不是伸長而是縮短，橫截面如壓縮時試件不是伸長而是縮短，橫截面 不是縮小而是脹大。不是縮小而是脹大。 v2.塑性材料壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不斷裂，塑性材料壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不斷裂， 壓縮曲線一直上升。壓縮曲線一直上升。 v考察塑性材料對加工工藝的適應(yīng)性。考察塑性材料對加工工藝的適應(yīng)性。 v3.單向壓縮載荷，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)單向壓縮載荷，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 2。

7、 v在拉伸裁荷下脆性斷裂的材料在拉伸裁荷下脆性斷裂的材料(例如灰鑄鐵例如灰鑄鐵)，在壓，在壓 縮試驗時也會顯示一定的塑性?？s試驗時也會顯示一定的塑性。 例如例如 灰鑄鐵：灰鑄鐵： v拉伸正斷，塑性變形量幾乎為零。拉伸正斷，塑性變形量幾乎為零。 v壓縮時沿與軸線呈壓縮時沿與軸線呈450方向產(chǎn)生切斷。方向產(chǎn)生切斷。 v若對脆性材料施加多向不等壓縮載荷，由于應(yīng)力狀若對脆性材料施加多向不等壓縮載荷，由于應(yīng)力狀 態(tài)軟性系數(shù)態(tài)軟性系數(shù) 2，更易產(chǎn)生塑性變形。，更易產(chǎn)生塑性變形。 三三 應(yīng)用應(yīng)用 v1.對于脆性材料比較其塑性差異而采用壓縮試驗。對于脆性材料比較其塑性差異而采用壓縮試驗。 v2.對于在接觸表面

8、處承受多向壓縮應(yīng)力的機(jī)件，如對于在接觸表面處承受多向壓縮應(yīng)力的機(jī)件，如 滾動軸承的套圈與滾動體，采用多向壓縮試驗，使?jié)L動軸承的套圈與滾動體，采用多向壓縮試驗，使 試驗條件更接近實際服役條件。試驗條件更接近實際服役條件。 v1 塑性材料 v2 脆性材料 壓縮試驗壓縮試驗 v用于脆性材料或低塑性材料塑性的度量，如鑄鐵、用于脆性材料或低塑性材料塑性的度量，如鑄鐵、 陶瓷等。陶瓷等。 v1 壓縮試件為圓柱體、立方體和棱柱體。壓縮試件為圓柱體、立方體和棱柱體。 v2 為防止壓縮時試件失穩(wěn)，試件的高度和直徑之比為防止壓縮時試件失穩(wěn)，試件的高度和直徑之比 v A0d0應(yīng)取應(yīng)取1.5-2.0。 v 為使試驗結(jié)

9、果能比較，試件的為使試驗結(jié)果能比較，試件的h0d0值相等。值相等。 v 對于幾何形狀不同的試件，則對于幾何形狀不同的試件，則h0A0為定值。為定值。 v3 壓縮試驗時壓縮試驗時,兩端面光滑平整，相互平行兩端面光滑平整，相互平行 ，涂潤滑，涂潤滑 油或石墨粉進(jìn)行潤滑。試件的端面加工成凹錐面。油或石墨粉進(jìn)行潤滑。試件的端面加工成凹錐面。 v4 通過壓縮試驗可測定下列主要壓縮性能指標(biāo)。通過壓縮試驗可測定下列主要壓縮性能指標(biāo)。 v (1)規(guī)定非比例壓縮應(yīng)力規(guī)定非比例壓縮應(yīng)力 v試樣標(biāo)距段內(nèi)的非比例壓縮變形達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百試樣標(biāo)距段內(nèi)的非比例壓縮變形達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百 分分 比時的應(yīng)力，稱為規(guī)定非

10、比例壓縮應(yīng)力。比時的應(yīng)力，稱為規(guī)定非比例壓縮應(yīng)力。 v例如分別表示規(guī)定非比例壓縮應(yīng)變?yōu)槔绶謩e表示規(guī)定非比例壓縮應(yīng)變?yōu)?.01、0.2時時 的壓縮應(yīng)力。的壓縮應(yīng)力。 v (2)抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度 試樣壓至破壞過程中的最大應(yīng)力稱為抗壓試樣壓至破壞過程中的最大應(yīng)力稱為抗壓 強(qiáng)度。強(qiáng)度。 v ( 3)壓縮試驗也可測定金屬壓縮楊氏模量。壓縮試驗也可測定金屬壓縮楊氏模量。 v對于在壓縮時產(chǎn)生明顯屈服現(xiàn)象可測定壓縮屈服點(diǎn)。還對于在壓縮時產(chǎn)生明顯屈服現(xiàn)象可測定壓縮屈服點(diǎn)。還 可通過最大變形量比較材料的塑性性能?？赏ㄟ^最大變形量比較材料的塑性性能。 第三節(jié)第三節(jié) 彎曲彎曲 一一.彎曲試樣的特點(diǎn)彎曲試樣的特點(diǎn) 與

11、拉伸試驗相比有與拉伸試驗相比有 以下特點(diǎn)：以下特點(diǎn)： v(1) 試樣形狀簡單、操作方便，無偏斜，用試樣彎曲試樣形狀簡單、操作方便，無偏斜，用試樣彎曲 的撓度表示材料的塑性。的撓度表示材料的塑性。 v(2) 試樣表面應(yīng)力最大，較靈敏地反映材料表面缺陷。試樣表面應(yīng)力最大，較靈敏地反映材料表面缺陷。 用來比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱處理用來比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱處理 機(jī)件的質(zhì)量和性能。機(jī)件的質(zhì)量和性能。 v(3) 測定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性測定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性 與低塑性材料的強(qiáng)度和顯示塑性的差別。與低塑性材料的強(qiáng)度和顯示塑性的差別。 （4）

12、對于承受彎曲載荷的機(jī)件如軸、板狀彈簧等常用）對于承受彎曲載荷的機(jī)件如軸、板狀彈簧等常用 彎曲試驗測定其力學(xué)性能以作為選材的依據(jù)。彎曲試驗測定其力學(xué)性能以作為選材的依據(jù)。 v二二.彎曲試驗彎曲試驗 v彎曲試驗時采用矩形或圓柱形試件。彎曲試驗時采用矩形或圓柱形試件。 v試樣在彈性范圍內(nèi)彎曲時，受拉側(cè)表面的最大彎曲應(yīng)試樣在彈性范圍內(nèi)彎曲時，受拉側(cè)表面的最大彎曲應(yīng) 力按下式計算：力按下式計算： v (24) v彎曲試驗主要性能指標(biāo)： v非比例彎曲應(yīng)力pb v 抗彎強(qiáng)度bb 試樣彎曲至斷裂前達(dá)到最大彎曲力。 v從彎曲力從彎曲力撓度曲線上還可測出彎曲彈性模量撓度曲線上還可測出彎曲彈性模量Eb、 斷裂撓度斷

13、裂撓度fb及斷裂能量及斷裂能量U(曲線下所包圍的面積曲線下所包圍的面積)等性等性 能指標(biāo)能指標(biāo)。 典型材料的彎曲圖典型材料的彎曲圖 1 塑性材料塑性材料 2中等塑性材料中等塑性材料 3 脆性材料脆性材料 v第四節(jié)第四節(jié) 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 1 扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力 狀態(tài)軟性系數(shù)狀態(tài)軟性系數(shù) v取取 0.8 2、扭轉(zhuǎn)試驗具有如下特點(diǎn)、扭轉(zhuǎn)試驗具有如下特點(diǎn): v 1） =0.8，比拉伸的，比拉伸的 大，易于顯示金屬的塑性行為，大，易于顯示金屬的塑性行為， 特別是拉伸時呈現(xiàn)脆性的金屬材料的塑性性能。特別是拉伸時呈現(xiàn)脆性的金屬材料的塑性性能。 v 2)塑性變形均勻，沒有縮頸現(xiàn)象。能精確地反映出塑性變形均勻，

14、沒有縮頸現(xiàn)象。能精確地反映出 高塑性材料，直至斷裂前的變形能力和強(qiáng)度。高塑性材料，直至斷裂前的變形能力和強(qiáng)度。 v 3)表面切應(yīng)力最大，能較敏感地反映出金屬表面缺表面切應(yīng)力最大，能較敏感地反映出金屬表面缺 陷及表面硬化層的性能。陷及表面硬化層的性能。 v可利用扭轉(zhuǎn)試驗研究或檢驗工件熱處理的表面質(zhì)量和可利用扭轉(zhuǎn)試驗研究或檢驗工件熱處理的表面質(zhì)量和 各種表面強(qiáng)化工藝的效果。各種表面強(qiáng)化工藝的效果。 v4)扭轉(zhuǎn)時試樣中的最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力在數(shù)值扭轉(zhuǎn)時試樣中的最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力在數(shù)值 上大體相等，而生產(chǎn)上所使用的大部分金屬材料的上大體相等，而生產(chǎn)上所使用的大部分金屬材料的 正斷抗力正斷抗力 大

15、于切斷抗力大于切斷抗力 ，扭轉(zhuǎn)試驗是測定這些材，扭轉(zhuǎn)試驗是測定這些材 料切斷抗力最可靠的方法。料切斷抗力最可靠的方法。 5）根據(jù)扭轉(zhuǎn)試樣的宏觀斷口特征，區(qū)分金屬材料最）根據(jù)扭轉(zhuǎn)試樣的宏觀斷口特征，區(qū)分金屬材料最 終斷裂方式是正斷還是切斷。終斷裂方式是正斷還是切斷。 v6）不僅適用于脆性也適用于塑性金屬材料。）不僅適用于脆性也適用于塑性金屬材料。 v 7） 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 表面切應(yīng)力大，心部小，變形不均勻。表面切應(yīng)力大，心部小，變形不均勻。 二、扭轉(zhuǎn)實驗 扭轉(zhuǎn)試樣：圓柱形式（d0=10mm，L0=50m或100mm） 試驗方法：對試樣施加扭矩T，相對扭轉(zhuǎn)角以表示 彈性范圍內(nèi)表面的切應(yīng)力和切應(yīng)變 v扭轉(zhuǎn)

16、試驗可測定下列主要性能指標(biāo)： v(1) 切變模量G v v(2) 扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)s ：與金屬材料(如低碳鋼)拉伸試驗 屈服現(xiàn)象同。 v(3)抗扭強(qiáng)度b： 根據(jù)試樣在扭斷前承受的最大扭矩 Tb，利用彈性扭轉(zhuǎn)公式計算的切應(yīng)力，稱為抗扭強(qiáng)度。 即 v v 三、扭轉(zhuǎn)試驗應(yīng)用三、扭轉(zhuǎn)試驗應(yīng)用 實際上扭轉(zhuǎn)試驗的應(yīng)用場合，在多數(shù)情況下是研究塑性材料實際上扭轉(zhuǎn)試驗的應(yīng)用場合，在多數(shù)情況下是研究塑性材料 在大應(yīng)變范圍時的力學(xué)行為，它能更真實地反映材料的塑性在大應(yīng)變范圍時的力學(xué)行為，它能更真實地反映材料的塑性 和形變抗力。扭轉(zhuǎn)試驗的實際應(yīng)用主要表現(xiàn)在：和形變抗力。扭轉(zhuǎn)試驗的實際應(yīng)用主要表現(xiàn)在： (1)用熱扭轉(zhuǎn)試驗確定

17、材料在熱加工用熱扭轉(zhuǎn)試驗確定材料在熱加工(軋制、鍛造、擠壓軋制、鍛造、擠壓)時的最時的最 佳溫度佳溫度 (2)對單相合金，用熱扭轉(zhuǎn)試驗確對單相合金，用熱扭轉(zhuǎn)試驗確 定材料在高溫時發(fā)生的動態(tài)回復(fù)定材料在高溫時發(fā)生的動態(tài)回復(fù) 和動態(tài)再結(jié)晶過程和動態(tài)再結(jié)晶過程 (3)對多相合金，用熱扭轉(zhuǎn)研究不對多相合金，用熱扭轉(zhuǎn)研究不 穩(wěn)定組織的轉(zhuǎn)變，或者模擬某種穩(wěn)定組織的轉(zhuǎn)變，或者模擬某種 熱加工成形方式研究其組織特點(diǎn)熱加工成形方式研究其組織特點(diǎn) 第五節(jié)第五節(jié) 缺口試樣靜載實驗缺口試樣靜載實驗 缺口對材料性能的影響缺口對材料性能的影響 v 大多數(shù)機(jī)構(gòu)或構(gòu)件，零件都含有缺口的，如鍵槽，大多數(shù)機(jī)構(gòu)或構(gòu)件，零件都含有缺

18、口的，如鍵槽， 油孔，臺階，螺紋油孔，臺階，螺紋,爆縫等對材料的性能影響有以下爆縫等對材料的性能影響有以下 四個方面：四個方面： v1 缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中 v2 引起三向應(yīng)力狀態(tài)引起三向應(yīng)力狀態(tài),使材料脆化使材料脆化 v3 由應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)變集中由應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)變集中 v4 使缺口附近的應(yīng)變速率增高使缺口附近的應(yīng)變速率增高 v v切口幾何的三個主要參數(shù)為：切口幾何的三個主要參數(shù)為： v 切口深度切口深度t、切口根部的曲率半徑、切口、切口根部的曲率半徑、切口 張角張角 。 v(一一)缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布 v 1.薄板：薄板： v缺口截面上的缺

19、口截面上的 v應(yīng)力分布是不均勻的。應(yīng)力分布是不均勻的。 v軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力y 在缺口根部最大。在缺口根部最大。 隨著離開根部距離的增大，隨著離開根部距離的增大，y 不斷下降，即在缺口根部產(chǎn)生不斷下降，即在缺口根部產(chǎn)生 應(yīng)力集中。應(yīng)力集中。 v最大應(yīng)力決定于缺口幾何參數(shù)最大應(yīng)力決定于缺口幾何參數(shù) v(形狀、深度、角度及根部曲率半徑形狀、深度、角度及根部曲率半徑)， v以根部曲率半徑影響最大，以根部曲率半徑影響最大， v缺口越尖銳，應(yīng)力越大。缺口越尖銳，應(yīng)力越大。 v厚度方向厚度方向 ：z =0 v橫向橫向 ：拉應(yīng)力：拉應(yīng)力x v根部根部(x0處處)x 0， 單向拉伸單向拉伸 v中心部分：（中心部

20、分：（x0處）處）x 0 v x=y v兩向拉伸平面應(yīng)力狀態(tài)。兩向拉伸平面應(yīng)力狀態(tài)。 缺口引起應(yīng)力集中缺口引起應(yīng)力集中 v 1）缺口根部的應(yīng)力最大）缺口根部的應(yīng)力最大; v 2）應(yīng)力集中系數(shù)）應(yīng)力集中系數(shù)Kt ：表示缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中的影：表示缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中的影 響響 。 應(yīng)力應(yīng)力 SLmax 為缺口根部的最大應(yīng)力為缺口根部的最大應(yīng)力 m m為凈截面上的平均應(yīng)力為凈截面上的平均應(yīng)力 v 在彈性范圍內(nèi)在彈性范圍內(nèi),Kt的數(shù)值決定于缺口的幾何形狀的數(shù)值決定于缺口的幾何形狀 和尺寸和尺寸 與材料性質(zhì)無關(guān)與材料性質(zhì)無關(guān). v2.厚板：厚板： v z=0, z0 v根部根部:兩向拉伸力狀態(tài)，兩向拉伸力狀

21、態(tài)， v內(nèi)側(cè)內(nèi)側(cè):三向拉伸的立體應(yīng)力平面應(yīng)變狀態(tài)，三向拉伸的立體應(yīng)力平面應(yīng)變狀態(tài)， v z （yx） v yz x 3.缺口效應(yīng)：缺口效應(yīng)： v1）根部應(yīng)力集中）根部應(yīng)力集中 v2）改變?nèi)笨诘膽?yīng)力狀態(tài)，由單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)椋└淖內(nèi)笨诘膽?yīng)力狀態(tài)，由單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)?兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)，出現(xiàn)兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)，出現(xiàn)x (平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài))或或x 與與z (平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài))，據(jù)板厚或直徑而定。，據(jù)板厚或直徑而定。 v薄板：薄板：z =0，x 0，y 0，平面應(yīng)力狀態(tài)；，平面應(yīng)力狀態(tài)； v厚板：厚板： z=0，x 0，y0， 立體應(yīng)力、平面應(yīng)變立體應(yīng)力、平面應(yīng)變 狀態(tài)；狀態(tài)； v3

22、)缺口強(qiáng)化，即脆化傾向增加，難于塑性變形。缺口強(qiáng)化，即脆化傾向增加，難于塑性變形。 (二二)缺口試樣在塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布缺口試樣在塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布 以厚板為例以厚板為例: 1.缺口根部：缺口根部： v根據(jù)屈雷斯加判據(jù)，根據(jù)屈雷斯加判據(jù)， v屈服條件屈服條件 max=y-x=s。 v在缺口根部，在缺口根部，x 0， v故：故： max=y=s 。 v當(dāng)外加載荷增加時，也隨之增加，當(dāng)外加載荷增加時，也隨之增加， v缺口根部最先滿足缺口根部最先滿足 max=y=s v2.缺口內(nèi)側(cè)：缺口內(nèi)側(cè)： vy=x+s z=(x+y) vy、z向的應(yīng)力隨向的應(yīng)力隨 x的增大而增大。的增大而增大。 v3.隨著

23、塑性變形逐步向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，隨著塑性變形逐步向內(nèi)部轉(zhuǎn)移， v各應(yīng)力峰值越來越大各應(yīng)力峰值越來越大 并逐步移向中心并逐步移向中心 。 v試樣中心區(qū)最大。試樣中心區(qū)最大。 v缺口效應(yīng)缺口效應(yīng) v（1 ）缺口三向應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生應(yīng)力集中；）缺口三向應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生應(yīng)力集中； v（2） 缺口強(qiáng)化：缺口試樣的屈服強(qiáng)度高于光滑試缺口強(qiáng)化：缺口試樣的屈服強(qiáng)度高于光滑試 樣；樣； v 注意：缺口強(qiáng)化并不是金屬的內(nèi)在注意：缺口強(qiáng)化并不是金屬的內(nèi)在 v性能發(fā)生變化。性能發(fā)生變化。 v（3） 由應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)變集中由應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)變集中 ； v（4） 缺口附近應(yīng)變速率高于平均應(yīng)變速率。缺口附近應(yīng)變速率高于平均應(yīng)變速率。 v 總

24、結(jié)：無論脆性材料或塑性材料，缺口造成兩向總結(jié)：無論脆性材料或塑性材料，缺口造成兩向 或三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而產(chǎn)生變脆傾向，或三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而產(chǎn)生變脆傾向， 降低了使用的安全性。降低了使用的安全性。 (三三) 缺口試樣靜拉伸試驗缺口試樣靜拉伸試驗 v軸向拉伸和偏斜拉伸兩種。軸向拉伸和偏斜拉伸兩種。 1、缺口敏感性、缺口敏感性:以缺口試樣的抗拉強(qiáng)度與光滑試樣的以缺口試樣的抗拉強(qiáng)度與光滑試樣的 抗拉強(qiáng)度的比值來衡量，稱為缺口敏感度，并以抗拉強(qiáng)度的比值來衡量，稱為缺口敏感度，并以 NSR(Notch Sensitivity Ratio)表示：表示： vNSR越大，缺口敏感性越小。越大

25、，缺口敏感性越小。 v 脆性材料：脆性材料：NSR總是小于總是小于1，表明缺口根部尚未發(fā)，表明缺口根部尚未發(fā) 生明顯塑性變形時就已經(jīng)脆性斷裂；生明顯塑性變形時就已經(jīng)脆性斷裂； v 高強(qiáng)度材料：高強(qiáng)度材料：NSR一般也小于一般也小于1； v 塑性材料：一般塑性材料：一般NSR1。 2 缺口試樣靜拉伸試驗：用于研究高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性缺口試樣靜拉伸試驗：用于研究高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性 能、鋼和鈦的氫脆以及用于研究高溫合金的缺口敏能、鋼和鈦的氫脆以及用于研究高溫合金的缺口敏 感性等。感性等。 v缺口敏感度指標(biāo)缺口敏感度指標(biāo)NSR是安全性的力學(xué)性能指標(biāo)。是安全性的力學(xué)性能指標(biāo)。 v材料缺口靜拉伸的力學(xué)行為如圖材

26、料缺口靜拉伸的力學(xué)行為如圖 v3缺口試樣 偏斜拉伸試驗： 復(fù)合作用復(fù)合作用 拉伸彎曲拉伸彎曲 更更“硬硬”更不均勻更敏感更不均勻更敏感 作用：作用： 適合高強(qiáng)度螺栓之類零件的選材和熱處理工藝適合高強(qiáng)度螺栓之類零件的選材和熱處理工藝 的優(yōu)化。如帶有缺口螺拴。的優(yōu)化。如帶有缺口螺拴。 （四）缺口試樣靜彎曲試驗（四）缺口試樣靜彎曲試驗 v 顯示缺口敏感性顯示缺口敏感性:光滑試樣的靜彎試驗主要用來評定工具鋼或光滑試樣的靜彎試驗主要用來評定工具鋼或 一些脆性材料的力學(xué)性能，而缺口試樣的靜彎試驗則用來評定一些脆性材料的力學(xué)性能，而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?；虮容^結(jié)

27、構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度。 v缺口和彎曲引起的應(yīng)力不均勻性疊加。缺口和彎曲引起的應(yīng)力不均勻性疊加。 v 試驗試驗: v記錄彎曲曲線：試驗力記錄彎曲曲線：試驗力P與撓度與撓度f關(guān)系曲線，直至試樣斷裂。關(guān)系曲線，直至試樣斷裂。 斷裂功的大小取決于材料塑性。斷裂功的大小取決于材料塑性。 v斷裂功或斷裂功或Fmax /F1比值表示金屬的缺口敏感度：塑性比值表示金屬的缺口敏感度：塑性 好的材料裂紋擴(kuò)展慢，斷裂功增大；好的材料裂紋擴(kuò)展慢，斷裂功增大； v 斷裂功大或斷裂功大或Fmax /F1大，缺口敏感性小；大，缺口敏感性??； v反之，則缺口敏感性大。反之，則缺口敏感性大。 v若斷裂功為零或若斷裂功為

28、零或Fmax /F1=1， v表明裂紋擴(kuò)展極快，金屬產(chǎn)生突然脆性斷裂，表明裂紋擴(kuò)展極快，金屬產(chǎn)生突然脆性斷裂， v缺口敏感性最大。缺口敏感性最大。 思考題：思考題： v 1 缺口效應(yīng)及其產(chǎn)生原因；缺口效應(yīng)及其產(chǎn)生原因； v 2 缺口強(qiáng)化；缺口強(qiáng)化； v 3 缺口敏感度。缺口敏感度。 v 第六節(jié)第六節(jié) 硬度硬度 金屬硬度的意義金屬硬度的意義 1 硬度：硬度： v表征哪種抗力，決定采用的試驗方法表征哪種抗力，決定采用的試驗方法: A.塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力：塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力： v B. 抵抗破裂能力：抵抗破裂能力： C. 抵抗金屬彈性變形能力：抵抗金屬彈性變形能力： v硬度數(shù)值在真實

29、應(yīng)力應(yīng)變曲線上的位置硬度數(shù)值在真實應(yīng)力應(yīng)變曲線上的位置 2 硬度試驗：在金屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小的壓硬度試驗：在金屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小的壓 痕痕 。在成品或試樣上。在成品或試樣上。 采用硬度試驗易于檢查金屬表面層的質(zhì)量采用硬度試驗易于檢查金屬表面層的質(zhì)量(如脫如脫碳、碳、 表面淬火和化學(xué)熱處理后的表面性能等。表面淬火和化學(xué)熱處理后的表面性能等。 硬度試驗的方法：硬度試驗的方法： v壓入法：如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等；壓入法：如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等； v劃痕法：如莫氏硬度；劃痕法：如莫氏硬度； v彈性回跳法彈性回跳法 ：如肖氏硬度。：如肖氏硬度。 應(yīng)用最廣的是壓入硬度試驗：

30、應(yīng)用最廣的是壓入硬度試驗：2 幾乎所有金屬材料都能產(chǎn)生塑性變形。幾乎所有金屬材料都能產(chǎn)生塑性變形。 v 應(yīng)用：測定塑性金屬材料的硬度；測定淬火應(yīng)用：測定塑性金屬材料的硬度；測定淬火 鋼、硬質(zhì)合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。鋼、硬質(zhì)合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。 3 硬度試驗意義硬度試驗意義 1 設(shè)備簡單，操作方便迅速，不破壞表面；設(shè)備簡單，操作方便迅速，不破壞表面； 2 測量局部區(qū)域抵抗變形、斷裂的能力；測量局部區(qū)域抵抗變形、斷裂的能力； 3 能敏感地反映出金屬材料的化學(xué)成分和組織結(jié)能敏感地反映出金屬材料的化學(xué)成分和組織結(jié) 構(gòu)的差異。用于檢查性能、熱加工工藝質(zhì)量或研究構(gòu)的差異。用于檢查性能、熱加

31、工工藝質(zhì)量或研究 金屬組織結(jié)構(gòu)的變化。金屬組織結(jié)構(gòu)的變化。 4 所測硬度不是獨(dú)立的力學(xué)性能指標(biāo)，與其它力所測硬度不是獨(dú)立的力學(xué)性能指標(biāo)，與其它力 學(xué)性能有一定關(guān)系，綜合反映材料的力學(xué)性能；學(xué)性能有一定關(guān)系，綜合反映材料的力學(xué)性能； 如：如：bKHB 5 硬度試驗特別是壓入硬度試驗在生產(chǎn)及科學(xué)研硬度試驗特別是壓入硬度試驗在生產(chǎn)及科學(xué)研 究個得到了廣泛的應(yīng)用；究個得到了廣泛的應(yīng)用； v硬度試驗硬度試驗 (一一)布氏硬度試驗基本原理布氏硬度試驗基本原理 HBS HBW 壓力將淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面，壓力將淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面， 保持規(guī)定的時間后卸除壓力，試件表面留下壓痕

32、，保持規(guī)定的時間后卸除壓力，試件表面留下壓痕， 單位壓痕表面積上所承受的平均壓力即定義為布氏單位壓痕表面積上所承受的平均壓力即定義為布氏 硬度值。硬度值。 1. 布氏硬度的測定原理： vt測量困難測量困難,測定測定d容易容易 df(t) v 將上式中的將上式中的t換成換成d。則有。則有 v v根據(jù)不同根據(jù)不同d值，可查表或計算出值，可查表或計算出HB值。值。 v2.布氏硬度試驗規(guī)程布氏硬度試驗規(guī)程 v(2)壓痕直徑壓痕直徑d和鋼球直徑和鋼球直徑D的比值的比值否否 則所得則所得HB值失真值失真; 如何保證同一材料得到同樣的如何保證同一材料得到同樣的HB值？值？ v從圖中可看出，從圖中可看出，和和

33、d的關(guān)系是的關(guān)系是 對對P和和D規(guī)定：規(guī)定： 使使P/D2為一常數(shù)，保證得到幾何相似的壓為一常數(shù)，保證得到幾何相似的壓(即壓痕的壓即壓痕的壓 入角保持不變?nèi)虢潜３植蛔?，即保證對同一材料得到相同的，即保證對同一材料得到相同的HB值。值。 即相似原理。即相似原理。 v與此相應(yīng)的壓痕直徑與此相應(yīng)的壓痕直徑d： (0.24-0.26)D 4.布氏硬度的特點(diǎn)和適用范圍：布氏硬度的特點(diǎn)和適用范圍： v優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： v應(yīng)用應(yīng)用 v缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： v思考題：思考題： v 2 v 4 v 符號表示：符號表示： 例：例： 150HBSl0300030 v 500HBW5750 (二二)洛氏硬度試驗洛氏硬度試驗 v

34、1.定義定義 v2.常用壓頭兩類：常用壓頭兩類： v 3.試驗方法：試驗方法： v洛氏硬度：壓痕深度h. v規(guī)定：HR= v小 4.硬度標(biāo)尺：硬度標(biāo)尺： 不同壓頭并施加不同的壓力不同壓頭并施加不同的壓力 v 九九 v5.洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用 v優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： v（ v缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： v思考題：思考題： v 2 v（三）維氏硬度試驗（三）維氏硬度試驗 HV v原理與方法：基本上與布氏硬度的相同，根據(jù)單位原理與方法：基本上與布氏硬度的相同，根據(jù)單位 壓痕表面積上所承受的壓力來定義硬度值。壓痕表面積上所承受的壓力來定義硬度值。 v不同點(diǎn)不同點(diǎn):壓頭為金剛石制成的四方角錐體，兩

35、壓頭為金剛石制成的四方角錐體，兩 相對面間的夾角為相對面間的夾角為1360，所加的載荷較小。，所加的載荷較小。 v表示方法與布氏硬度的相同表示方法與布氏硬度的相同 v例如例如: 640HV3020 v硬度值硬度值HV載荷載荷/保持時間保持時間 v維氏硬度試驗的特點(diǎn)維氏硬度試驗的特點(diǎn) v（1)四方角錐體壓頭，各種載荷壓痕幾何相似，可四方角錐體壓頭，各種載荷壓痕幾何相似，可 任意選擇任意選擇 ，不受布氏法，不受布氏法P和和D條件的約束。條件的約束。 v（2)維氏硬度試驗和布氏硬度試驗所得到的硬度值維氏硬度試驗和布氏硬度試驗所得到的硬度值 能完全相等能完全相等 ； v（3)測量范圍較寬，軟硬材料都可

36、測試，而不存在測量范圍較寬，軟硬材料都可測試，而不存在 洛氏硬度法不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題；洛氏硬度法不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題； v（4)維氏硬度的壓痕為一輪廓清晰的正方形，對角維氏硬度的壓痕為一輪廓清晰的正方形，對角 線長度易于精確測量，故精度較布氏法的高。線長度易于精確測量，故精度較布氏法的高。 v (5)材料的硬度小于材料的硬度小于450HV時，維氏硬度值與布氏硬時，維氏硬度值與布氏硬 度值大致相同。度值大致相同。 v v缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率沒有缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率沒有HR高。高。 v通過測對角線，適用于硬質(zhì)的材料通過測對角線，適用于硬質(zhì)的材料 (四四)顯微硬度試驗方法顯微硬度試驗方法 v

37、布、洛及維氏三種硬度試驗只能測得組織的平均布、洛及維氏三種硬度試驗只能測得組織的平均 硬度值硬度值 v 測定極小范圍內(nèi)的硬度，需用顯微硬度試驗，例測定極小范圍內(nèi)的硬度，需用顯微硬度試驗，例 如某個晶粒，某個組成相或夾雜物的硬度如某個晶粒，某個組成相或夾雜物的硬度 v 顯微硬度試驗一般是指測試載荷小于顯微硬度試驗一般是指測試載荷小于200g力的硬力的硬 度試驗，常用的有顯微維氏硬度和努氏硬度。度試驗，常用的有顯微維氏硬度和努氏硬度。 1.顯微維氏硬度顯微維氏硬度 v 顯微維氏硬度試驗實質(zhì)上就是小載荷的維氏硬度顯微維氏硬度試驗實質(zhì)上就是小載荷的維氏硬度 試驗，其測試原理和維氏硬度試驗相同，仍用試驗，其測試原理和維氏硬度試驗相同，仍用HV表表 示。示。 v 測試載荷小，載荷與壓痕之間的關(guān)系不一定像維測試載荷小，載荷與壓痕之間的關(guān)系不一