材料力學(xué)性能(第二章)

材料力學(xué)性能(第二章)第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一

§2-1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)1、加載方式對(duì)變形的影響(1)正應(yīng)力易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展發(fā)生脆性斷裂，切應(yīng)力易導(dǎo)致塑性變形發(fā)生韌性斷裂。(2)不同加載方式的應(yīng)力狀態(tài)不同，即σmax和τmax的相對(duì)大小不同。(3)金屬材料在一定載荷條件下產(chǎn)生何種斷裂形式，不僅與自身強(qiáng)度有關(guān)，還與加載方式（應(yīng)力狀態(tài)）有關(guān)。第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2、應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)(α)(1)定義：最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力之比。(2)α值越大的試驗(yàn)方法,τmax就越大。如壓縮等,易產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂，表示應(yīng)力狀態(tài)越“軟”，可用于測(cè)量脆性材料在靜拉伸下不能測(cè)量的塑性。(3)α值越小的試驗(yàn)方法，σmax就越大。如單向拉伸等,易產(chǎn)生斷裂，表示應(yīng)力狀態(tài)越“硬”，可用于測(cè)量韌性材料。第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一§2-2壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)一、壓縮1、特點(diǎn)(1)單向壓縮的α＝2，易發(fā)生塑性變形。(2)拉伸時(shí)的脆性材料，壓縮時(shí)能產(chǎn)生一定的塑性，并沿與軸線呈45°角產(chǎn)生斷裂，具有切斷特征。(3)塑性好的材料通常不采用壓縮試驗(yàn)。(4)由于裂紋等缺陷對(duì)壓縮載荷不敏感，所以抗壓強(qiáng)度一般要高于抗拉強(qiáng)度，在鑄鐵等脆性材料中表現(xiàn)得非常明顯。第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2、壓縮試驗(yàn)(1)抗壓強(qiáng)度：σbc=Pbc/A0(2)相對(duì)壓縮率：εc=(h0-hf)/h0×100%(3)相對(duì)斷面擴(kuò)張率：φfc=(Af-A0)/A0×100%P：載荷；A：試樣截面積；h：試樣高度；下腳標(biāo)：c：壓縮；0：初始值；f：斷裂值。第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一二、彎曲1、特點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力與單向拉伸和壓縮一樣，但應(yīng)力分布不均勻，表面最大，中心為零，且應(yīng)力方向發(fā)生變化，力學(xué)行為與單向拉伸和壓縮不同。(1)彎曲彈性模量是拉伸和壓縮彈性模量的復(fù)合結(jié)果。(2)彎曲時(shí)不顯示拉伸和壓縮時(shí)產(chǎn)生的屈服現(xiàn)象。第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2、用途(1)評(píng)定鑄鐵、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性和低塑性材料的力學(xué)性能。①不受試樣傾斜的影響，可以穩(wěn)定地測(cè)定抗彎強(qiáng)度。②用撓度表示塑性，能明顯地顯示塑性差別。第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一(2)截面內(nèi)應(yīng)力分布不平衡，表面應(yīng)力最大，可較靈敏地反映材料表面缺陷，常用于比較和鑒別滲碳和表面淬火等工件的質(zhì)量和性能。3、彎曲試驗(yàn)(1)抗彎強(qiáng)度σbb=Mbb/WMbb：最大彎矩；W：試樣抗彎截面系數(shù)。(2)斷裂撓度fbb。第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一三、扭轉(zhuǎn)1、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)2、特點(diǎn)(1)扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8，易于顯示塑性行為。(2)圓柱試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)沒有頸縮現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)。(3)可敏感反映表面缺陷及表面硬化層性能。第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一(4)可根據(jù)試樣的宏觀斷口特征，判斷承受扭矩而斷裂的工件性能。①正斷：塑性材料的斷裂面與試樣軸線垂直，斷口平整，有回旋狀塑性變形痕跡，是切應(yīng)力造成的切斷。②切斷：脆性材料的斷裂面與試樣軸線成45o角，呈螺旋狀，是正應(yīng)力造成的正斷。第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一③木紋狀斷口：斷裂面順著試樣軸線形成縱向剝層或裂紋，是金屬中存在較多的非金屬夾雜物或偏析，并在軋制過程中沿軸向分布造成的。第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)(1)切變模量G=32△TL0/π△φd04(2)扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)τs=Ts/WT:扭矩；W：試樣抗扭截面系數(shù)。(3)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度τb=Tb/W第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一§2-3缺口試樣靜載荷試驗(yàn)一、缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)：由于缺口的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。1、缺口頂端引起應(yīng)力集中。設(shè)一薄板的邊緣開有缺口，并承受拉應(yīng)力的作用。當(dāng)板材處于彈性范圍內(nèi)，其缺口截面上的應(yīng)力分布如圖。第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一軸向應(yīng)力在缺口根部最大，隨著離開根部距離的增大，應(yīng)力不斷下降。理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt：表示缺口引起的應(yīng)力集中程度。

Kt只取決于缺口的幾何形狀，以根部曲率半徑影響最大，缺口越尖銳，應(yīng)力越大。第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2、近缺口頂端區(qū)產(chǎn)生兩向應(yīng)力狀態(tài)（薄板）或三向應(yīng)力狀態(tài)（厚板）。(1)自缺口根部向內(nèi)側(cè)，橫向拉應(yīng)力由零逐漸增大，達(dá)到一定數(shù)值后逐漸減小，薄板缺口內(nèi)側(cè)是兩向拉伸的平面應(yīng)力狀態(tài)。(2)厚板由于在板厚方向的收縮變形受到約束，也存在拉應(yīng)力，厚板缺口內(nèi)側(cè)是三向拉伸是平面應(yīng)力狀態(tài)。（σy＞σx＞σz）第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3、脆性材料和低塑性材料進(jìn)行缺口試樣拉伸時(shí)，往往由彈性變形過度到斷裂，且其抗拉強(qiáng)度比光滑試樣低。此時(shí)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)α＜0.5，很難通過缺口根部塑性變形使應(yīng)力重新分布，往往發(fā)生斷裂。由于斷裂是在試樣缺口根部的最大縱向應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，其抗拉強(qiáng)度必然低于光滑試樣。第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一4、缺口使塑性材料強(qiáng)度增加，塑性降低。第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一(1)塑性好的材料，若缺口根部產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力將重新分布，并隨載荷的增加塑性區(qū)逐漸加大，直至整個(gè)截面都產(chǎn)生塑性變形。三向應(yīng)力狀態(tài)下屈服條件為：σy－σx＝σs①缺口根部σx=0，外加載荷增大時(shí)，缺口根部首先發(fā)生屈服。第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一②缺口內(nèi)側(cè)σx≠0，必須增加σy才能產(chǎn)生屈服。如果不斷增加σy，塑性變形將自表面向心部擴(kuò)展。(2)缺口強(qiáng)化：塑性較好的材料，由于缺口的存在，出現(xiàn)了三向應(yīng)力狀態(tài)，并產(chǎn)生了應(yīng)力集中，使得試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時(shí)高。缺口使塑性下降，脆性上升。不是強(qiáng)化金屬材料的手段。第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一三、缺口敏感性與敏感度1、缺口脆化效應(yīng)：缺口根部的應(yīng)力集中會(huì)促使萌生裂紋，加上根部較硬的應(yīng)力狀態(tài)使構(gòu)件趨于脆性狀態(tài)，從而使缺口構(gòu)件脆性斷裂的危險(xiǎn)性增大。2、缺口敏感性：金屬材料因存在缺口造成三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而變脆的傾向。第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3、缺口敏感度NSR：缺口試樣的抗拉強(qiáng)度與等截面光滑試樣抗拉強(qiáng)度的比值。(1)脆性材料和多數(shù)高強(qiáng)度材料的NSR<1，形變強(qiáng)化小，缺口敏感性大。(2)多數(shù)塑性材料的NSR>1，形變強(qiáng)化大，缺口敏感性小。第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一§2-4硬度硬度是表征材料軟硬程度的一種性能。劃痕法：材料抵抗表面局部斷裂的能力。（莫氏硬度）回跳法：金屬彈性變形功的大小。（肖氏硬度、里氏硬度）壓入法：材料表面抵抗另一物體壓入引起的塑性變形的能力。第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一壓入硬度試驗(yàn)法的特點(diǎn)：(1)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)α≥2，材料易產(chǎn)生塑性變形，可測(cè)量淬火鋼、硬質(zhì)合金及陶瓷材料的硬度。(2)僅在表面產(chǎn)生很小的壓痕，可直接在工件成品上測(cè)量，也可檢查金屬表面層的質(zhì)量。(3)在一定條件下，可由硬度大致推測(cè)出材料的強(qiáng)度水平。第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一一、布氏硬度1、測(cè)量原理：以單位面積壓痕所承受的壓力表示硬度值。（N/mm2）壓力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后卸除壓力，試件表面留下壓痕。第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2、壓頭(1)材質(zhì)：淬火鋼球：用HBS表示；硬質(zhì)合金球：用HBW表示。(2)直徑（D）：分為1，2，2.5，5，10mm共五種。(3)試件厚度＞10d；相鄰壓痕中心距離≮4～6d，壓痕中心距試樣邊緣≮2.5～3d。第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3、測(cè)試壓力(1)根據(jù)材料軟硬程度及被測(cè)工件厚度，選用不同F(xiàn)/D2的比值，控制壓痕直徑d在0.25-0.6D。(2)當(dāng)F/D2應(yīng)為常數(shù)時(shí)，不同壓頭直徑D及載荷F測(cè)量的硬度具有可比性。(3)壓力保持時(shí)間：黑色金屬為10秒，有色金屬為30秒，對(duì)HB＜35的材料為60秒。第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一4、表示方法硬度值；壓頭符號(hào)；壓頭直徑；試驗(yàn)力；試驗(yàn)力保持時(shí)間。壓頭符號(hào)：淬火鋼球：HBS；硬質(zhì)合金球：HBW。如150HBSl0/3000/30；500HBW5/750。（試驗(yàn)力以kg為單位）第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一5、優(yōu)點(diǎn)(1)能反映較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能。(2)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。6、缺點(diǎn)(1)不易測(cè)量成品及小、薄的工件。(2)測(cè)量工作比較繁瑣。(3)不同F(xiàn)/D2比值測(cè)量同一材料時(shí)的硬度值不同。第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一7、適用范圍HBS(＜450)；HBW(450~650)。(1)相對(duì)較軟的材料，如退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼件；有色金屬。(2)有粗大晶?；虼执蠼M成相的材料，如灰鑄鐵和軸承合金等第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一二、洛氏硬度1、測(cè)量原理：以壓痕的深度表示硬度值。

以千分表測(cè)量留下的壓痕深度，在表盤上直接讀出硬度值。2、分類采用不同壓頭及不同壓力，可形成多種標(biāo)尺。常用的有：HRA，HRB，HRC三種。第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一硬度符號(hào)壓頭類型主載荷力(N)硬度范圍HRA120°金剛石圓錐體490.320-88HRB1.588mm淬火鋼球（S）硬質(zhì)合金球（W）980.720-100HRC120°金剛石圓錐體147120-703、表示方法：硬度值；硬度符號(hào)；標(biāo)尺字母。如60HRC；60HRBW。第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一4、優(yōu)點(diǎn)(1)操作簡單，測(cè)量迅速。(2)壓痕小，可用于成品檢驗(yàn)。(3)測(cè)量范圍廣，可測(cè)量各種軟硬及不同厚度的試樣。5、缺點(diǎn)(1)數(shù)據(jù)重復(fù)性差，需多次測(cè)量。(2)不同標(biāo)尺的硬度值不能相互比較。第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一6、應(yīng)用范圍HRA：硬質(zhì)合金、硬化薄鋼板、表面薄層硬化鋼。HRB：低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵。HRC:淬火鋼、高硬度鑄件、珠光體可鍛鑄鐵。第38頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一三、維氏硬度1、測(cè)量原理：以單位面積壓痕承受的力表示硬度值。2、壓頭：面夾角α=136o的金剛石四棱錐體。（測(cè)量對(duì)角線長度d）第39頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3、試驗(yàn)力(1)常用力：49.03-980.7N。(2)0.098-0.9807N。在顯微鏡下測(cè)量，稱顯微硬度（顯微維氏硬度）。4、表示方法硬度值；HV；試驗(yàn)力。如640HV30。第40頁，共42頁，2