材料性能學(xué)-第二章

1、第二章第二章 教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求第二章第二章 教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求 一、一、掌握掌握洛氏硬度、洛氏硬度、布氏硬度、維氏硬度的概念布氏硬度、維氏硬度的概念及相應(yīng)指標(biāo)的表示方法及相應(yīng)指標(biāo)的表示方法. . 三、三、能進行簡單的硬度值的能進行簡單的硬度值的計算計算。 二、理解二、理解布氏硬度、維氏硬度的試驗原理、各布氏硬度、維氏硬度的試驗原理、各自的優(yōu)缺點及應(yīng)用對象自的優(yōu)缺點及應(yīng)用對象。2.1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 材料在實際應(yīng)用中的變形和斷裂方式主要決定于承載條件材料在實際應(yīng)用中的變形和斷裂方式主要決定于承載條件下的應(yīng)力狀態(tài)，不同的應(yīng)力狀態(tài)的最大正應(yīng)力下的應(yīng)力狀態(tài)，不同的應(yīng)力狀

2、態(tài)的最大正應(yīng)力 和最大和最大切應(yīng)力切應(yīng)力 的相對大小不同。的相對大小不同。應(yīng)力狀態(tài)可用三個主應(yīng)力表示：應(yīng)力狀態(tài)可用三個主應(yīng)力表示： 最大切應(yīng)力：最大切應(yīng)力：最大正應(yīng)力：最大正應(yīng)力：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)：maxmax321321、2/31max321max32131maxmax22.1 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)試驗：扭轉(zhuǎn)試驗：一般采用圓柱形試樣在扭轉(zhuǎn)試驗機上進行。一般采用圓柱形試樣在扭轉(zhuǎn)試驗機上進行。一、扭轉(zhuǎn)及其性能指標(biāo)一、扭轉(zhuǎn)及其性能指標(biāo)2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能規(guī)定非比例扭

3、轉(zhuǎn)應(yīng)力：規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：當(dāng)試件標(biāo)距當(dāng)試件標(biāo)距部分表面非比例切應(yīng)變達到規(guī)定部分表面非比例切應(yīng)變達到規(guī)定值時，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計算出的值時，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計算出的應(yīng)力。表示材料對扭轉(zhuǎn)塑性變形應(yīng)力。表示材料對扭轉(zhuǎn)塑性變形的抗力：的抗力：扭轉(zhuǎn)屈服強度：扭轉(zhuǎn)屈服強度：扭轉(zhuǎn)極限強度：扭轉(zhuǎn)極限強度：WMppWMssWMbb2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能真實扭轉(zhuǎn)強度極限：真實扭轉(zhuǎn)強度極限：根據(jù)塑性力學(xué)理論，按圓柱形試樣根據(jù)塑性力學(xué)理論，按圓柱形試樣產(chǎn)生大量塑性變形條件下的扭轉(zhuǎn)真應(yīng)力計算：產(chǎn)生大量塑性變形條件下的扭轉(zhuǎn)真應(yīng)力計算：當(dāng)當(dāng) 時：時：ffffddMMdt34300fddM

4、3012dMtff2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能剪切彈性模量：剪切彈性模量：扭轉(zhuǎn)相對殘余切應(yīng)變：扭轉(zhuǎn)相對殘余切應(yīng)變： （1）對于塑性材料：）對于塑性材料： （2）對于脆性材料和低塑性材料：）對于脆性材料和低塑性材料：40032dMlG%100200ldff%100200Gldpff2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能2、扭轉(zhuǎn)試驗的特點及應(yīng)用、扭轉(zhuǎn)試驗的特點及應(yīng)用（1）扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)比拉伸的應(yīng)力狀態(tài)軟性）扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)比拉伸的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)高，可用來測定在拉伸時呈脆性的材料的強度和系數(shù)高，可用來測定在拉伸時呈脆性的材料的強度

5、和塑性；塑性；（2）扭轉(zhuǎn)試驗對材料表面硬化及表面缺陷的反映敏感，）扭轉(zhuǎn)試驗對材料表面硬化及表面缺陷的反映敏感，可用于表面強化研究和熱處理表面質(zhì)量檢驗；可用于表面強化研究和熱處理表面質(zhì)量檢驗；（3）可精確評定拉伸時出現(xiàn)頸縮的材料的形變能力和）可精確評定拉伸時出現(xiàn)頸縮的材料的形變能力和形變抗力；形變抗力；（4）是測定大部分金屬材料切斷強度的可靠方法，還）是測定大部分金屬材料切斷強度的可靠方法，還可根據(jù)斷口特征判斷斷裂方式?？筛鶕?jù)斷口特征判斷斷裂方式。2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能彎曲試驗：彎曲試驗：用圓柱或方

6、形試樣在萬能試驗機上進行。用圓柱或方形試樣在萬能試驗機上進行。2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能彎曲圖：彎曲圖：載荷或彎載荷或彎矩與試樣最大撓矩與試樣最大撓度之間的關(guān)系曲度之間的關(guān)系曲線，用來確定材線，用來確定材料在彎曲載荷下料在彎曲載荷下的力學(xué)性能。的力學(xué)性能。2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能試樣彎曲時，試樣彎曲時，受拉一側(cè)表面的最大正應(yīng)力：受拉一側(cè)表面的最大正應(yīng)力：（1）直徑為）直徑為d0的圓柱試樣：的圓柱試樣：（2）寬度）寬度b、高度高度h的矩形試樣：的矩形試樣：脆性材料的抗彎強度：脆性材料的抗彎強度：最大彎曲撓度最大彎曲撓度fmax

7、：表示材料的塑性，由撓度計讀出。表示材料的塑性，由撓度計讀出。 彎曲彈性模數(shù)、規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力、斷裂撓度、斷裂彎曲彈性模數(shù)、規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力、斷裂撓度、斷裂能量能量WMmaxmax33032mdW336mbhW WMbbb2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能（1）受拉一側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)基本與靜拉伸時同，）受拉一側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)基本與靜拉伸時同，不存在試樣偏斜對試驗結(jié)果的影響，常用不存在試樣偏斜對試驗結(jié)果的影響，常用于測脆性材料的斷裂強度；于測脆性材料的斷裂強度；（2）試驗時表面上應(yīng)力最大，可用于比較和）試驗時表面上應(yīng)力最大，可用于比較和評定材料表面處理層的質(zhì)量。評定材料表面

8、處理層的質(zhì)量。2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能壓縮試驗：壓縮試驗：對圓柱形試樣對圓柱形試樣施加軸向壓力，在其變施加軸向壓力，在其變形和斷裂過程中測定材形和斷裂過程中測定材料的強度和塑性等力學(xué)料的強度和塑性等力學(xué)性能。性能。壓縮曲線：壓縮曲線：壓力和變形的壓力和變形的關(guān)系曲線。關(guān)系曲線。2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能規(guī)定非比例壓縮應(yīng)力：規(guī)定非比例壓縮應(yīng)力：抗壓強度：抗壓強度：相對壓縮率：相對壓縮率：相對斷面擴展率：相對斷面擴展率：0AFpcpc0AFbcbc0AFpcpc%10000AAAfc2.2 扭轉(zhuǎn)、彎曲與壓縮的力學(xué)性能扭轉(zhuǎn)、彎曲與

9、壓縮的力學(xué)性能壓縮試驗的特點及應(yīng)用：壓縮試驗的特點及應(yīng)用：（1）單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)）單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=2，壓，壓縮試驗主要用于脆性材料，以顯示其在韌性狀縮試驗主要用于脆性材料，以顯示其在韌性狀態(tài)下的力學(xué)行為。態(tài)下的力學(xué)行為。（2）塑性材料一般不采用壓縮方法檢驗。）塑性材料一般不采用壓縮方法檢驗。（3）多向不等壓縮試驗的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)）多向不等壓縮試驗的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)2，適用于脆性更大的材料，可反映此類，適用于脆性更大的材料，可反映此類材料的微小塑性差異。材料的微小塑性差異。2.3 缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力學(xué)性能1、彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布、彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布 缺口

10、的第一個效應(yīng)：缺口的第一個效應(yīng)：根根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，缺口部產(chǎn)生應(yīng)力集中，缺口造成應(yīng)力應(yīng)變集中。造成應(yīng)力應(yīng)變集中。 薄板中心是兩向拉伸的薄板中心是兩向拉伸的平面應(yīng)力狀態(tài)。平面應(yīng)力狀態(tài)。2.3 缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力學(xué)性能 厚板的缺口根部為兩厚板的缺口根部為兩向應(yīng)力狀態(tài)，缺口內(nèi)向應(yīng)力狀態(tài)，缺口內(nèi)側(cè)為三向應(yīng)力狀態(tài)。側(cè)為三向應(yīng)力狀態(tài)。 缺口的第二個效應(yīng)：缺口的第二個效應(yīng)：缺口改變了缺口前方缺口改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使平板的應(yīng)力狀態(tài)，使平板中材料所受的應(yīng)力由中材料所受的應(yīng)力由原來的單向拉伸改變原來的單向拉伸改變?yōu)閮上蚧蛉蚶臁閮上蚧蛉蚶臁?.3 缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力

11、學(xué)性能 影響缺口應(yīng)力集中程度的因素：影響缺口應(yīng)力集中程度的因素：缺口形狀、角度、缺口形狀、角度、深度及根部曲率半徑（影響最大）深度及根部曲率半徑（影響最大） 用應(yīng)力集中系數(shù)用應(yīng)力集中系數(shù)Kt表示應(yīng)力集中程度：表示應(yīng)力集中程度：maxtK2.3 缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力學(xué)性能 當(dāng)缺口前方產(chǎn)生塑性變形當(dāng)缺口前方產(chǎn)生塑性變形后，最大應(yīng)力不在缺口根后，最大應(yīng)力不在缺口根部，而在其前方一定距離部，而在其前方一定距離處。處。 隨塑性變形逐步向內(nèi)遷移，隨塑性變形逐步向內(nèi)遷移，各應(yīng)力峰不但越來越高，各應(yīng)力峰不但越來越高，而且位置也逐步移向中心。而且位置也逐步移向中心。 缺口的第三個效應(yīng)：缺口的第三個

12、效應(yīng)：缺口缺口使塑性材料得到強化使塑性材料得到強化 脆性材料缺口試樣的強度脆性材料缺口試樣的強度比光滑試樣要低。比光滑試樣要低。2.3 缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力學(xué)性能 缺口敏感性：缺口敏感性：材料因存材料因存在缺口造成三向應(yīng)力狀在缺口造成三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而變態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而變脆的傾向。脆的傾向。1、缺口試樣的靜拉伸和偏、缺口試樣的靜拉伸和偏斜拉伸斜拉伸 靜拉伸試驗：靜拉伸試驗：研究高強研究高強度材料的缺口敏感性、度材料的缺口敏感性、鋼和鈦的氫脆、高溫合鋼和鈦的氫脆、高溫合金的缺口敏感性金的缺口敏感性2.3 缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力學(xué)性能 偏斜拉伸試驗：偏斜拉伸試

13、驗：同時同時存在拉伸和彎曲復(fù)合存在拉伸和彎曲復(fù)合作用，其應(yīng)力狀態(tài)更作用，其應(yīng)力狀態(tài)更硬，缺口截面上應(yīng)力硬，缺口截面上應(yīng)力更不均勻，能顯示材更不均勻，能顯示材料的高度民主敏感狀料的高度民主敏感狀態(tài)，適合于高強度螺態(tài)，適合于高強度螺栓等零件的選材和熱栓等零件的選材和熱處理工藝優(yōu)化。處理工藝優(yōu)化。2.3 缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力學(xué)性能2、缺口試樣靜彎曲、缺口試樣靜彎曲 可顯示材料的缺口敏可顯示材料的缺口敏感性，由于缺口和彎感性，由于缺口和彎曲引起的應(yīng)力不均勻曲引起的應(yīng)力不均勻性疊加，使缺口彎曲性疊加，使缺口彎曲比缺口拉伸應(yīng)力應(yīng)變比缺口拉伸應(yīng)力應(yīng)變不均勻性更嚴(yán)重。不均勻性更嚴(yán)重。2.3 缺口

14、試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力學(xué)性能2.3 缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力學(xué)性能 彈性變形區(qū)彈性變形區(qū) 塑性變形區(qū)塑性變形區(qū) 斷裂區(qū)斷裂區(qū)：斷裂功表斷裂功表示材料阻止裂紋擴展示材料阻止裂紋擴展的能力，用以定性衡的能力，用以定性衡量缺口敏感性的大小量缺口敏感性的大小2.3 缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力學(xué)性能 缺口敏感度：缺口敏感度：試樣的抗拉強度與等截面尺寸試樣的抗拉強度與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度的比值，該值越大，缺光滑試樣的抗拉強度的比值，該值越大，缺口敏感性越小。口敏感性越小。bbNeq2.3 缺口試樣靜載力學(xué)性能缺口試樣靜載力學(xué)性能影響缺口敏感性的因素：影響缺口敏感性的因素：

15、 材料本身性能、應(yīng)力狀材料本身性能、應(yīng)力狀態(tài)態(tài) 缺口形狀、尺寸、試驗缺口形狀、尺寸、試驗溫度溫度2.4 硬度硬度定義：定義：指材料表面上不大體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力，指材料表面上不大體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力，是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能，有多種試驗方是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能，有多種試驗方法，按加載方式有壓入法和刻劃法。法，按加載方式有壓入法和刻劃法。 動載試驗法：動載試驗法：超聲波硬度、肖氏硬度、錘擊式布氏硬超聲波硬度、肖氏硬度、錘擊式布氏硬度度 靜載壓入法：靜載壓入法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度硬度硬度值的物理意義：硬度值的物理意

16、義：隨試驗方法的不同而不同。隨試驗方法的不同而不同。硬度試驗的作用和意義：硬度試驗的作用和意義：產(chǎn)品質(zhì)量檢測、制定合理工藝。產(chǎn)品質(zhì)量檢測、制定合理工藝。一、硬度試驗的意義一、硬度試驗的意義2.4 硬度硬度1、布氏硬度、布氏硬度測定原理如右圖。測定原理如右圖。)(222dDDDFSFHB硬度值的表示方法：硬度值的表示方法：數(shù)字?jǐn)?shù)字+硬度符號（硬度符號（HBS或或HBW）+數(shù)字?jǐn)?shù)字/數(shù)字?jǐn)?shù)字/數(shù)字）數(shù)字）如如280HBS10/3000/30。2.4 硬度硬度 對于不同的材料用不同的載荷對于不同的材料用不同的載荷和壓頭直徑測硬度。和壓頭直徑測硬度。)2/sin11 (22/sin22DFHBDd不同

17、試驗條件下測得同一材料布氏硬度值相同的條件：不同試驗條件下測得同一材料布氏硬度值相同的條件：使形成的壓入角保持不變；使形成的壓入角保持不變；保證保證F/D2為常數(shù)。為常數(shù)。壓痕幾何相似原理壓痕幾何相似原理F/D2值的選擇見表值的選擇見表2-22.4 硬度硬度優(yōu)點：優(yōu)點： 壓痕面積較大，能反映材料在較大區(qū)域內(nèi)各組成相壓痕面積較大，能反映材料在較大區(qū)域內(nèi)各組成相得到平均性能。得到平均性能。 試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性高。試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性高。適用對象：適用對象：灰鑄鐵、軸承合金灰鑄鐵、軸承合金缺點：缺點： 不宜在成品件上直接檢測；不宜在成品件上直接檢測； 對硬度不同的材料需要更換壓頭直徑和載荷；對硬度

18、不同的材料需要更換壓頭直徑和載荷； 壓痕直徑的測量較麻煩。壓痕直徑的測量較麻煩。2.4 硬度硬度原理：原理：壓入硬度試驗法，壓入硬度試驗法，以測量壓痕深度值的以測量壓痕深度值的大小來表示材料的硬大小來表示材料的硬度值。度值。002. 0hkHR2.4 硬度硬度 為了能用一種硬度計測定不同軟硬材料的硬度，采用不同的壓頭為了能用一種硬度計測定不同軟硬材料的硬度，采用不同的壓頭與總載荷組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，每一種標(biāo)尺用一個字與總載荷組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，每一種標(biāo)尺用一個字母在母在HR后注明。（表后注明。（表2-3） 表面洛氏硬度：表面洛氏硬度：減小試驗載荷，改變壓頭尺寸。（表減小試驗

19、載荷，改變壓頭尺寸。（表2-4）優(yōu)點：優(yōu)點： 操作簡便迅速，可對工件直接檢測；操作簡便迅速，可對工件直接檢測； 采用不同標(biāo)尺，可測定軟硬不同、厚薄不一試樣的硬度。采用不同標(biāo)尺，可測定軟硬不同、厚薄不一試樣的硬度。缺點：缺點： 壓痕較小，代表性差；壓痕較小，代表性差； 重復(fù)性差，分散度大；重復(fù)性差，分散度大； 用不同標(biāo)尺測得的硬度值既不能直接進行比較，又不能彼此互換。用不同標(biāo)尺測得的硬度值既不能直接進行比較，又不能彼此互換。2.4 硬度硬度維氏硬度的試驗原理：維氏硬度的試驗原理：根據(jù)壓根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷計痕單位面積所承受的載荷計算硬度值，壓頭為兩相對面算硬度值，壓頭為兩相對面夾角為夾角為136的金剛石四的金剛石四棱柱錐體。棱柱錐體。22221891. 02136sin2102. 08544. 12136sin2dFdFHVdFdFHVoo2.4 硬度硬度 維氏硬度的表示式：維氏硬度的表示式：數(shù)字?jǐn)?shù)字+HV+數(shù)字?jǐn)?shù)字/數(shù)