材料力學(xué)性能 第二章

材料力學(xué)性能第二章第1頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)2.3彎曲2.5

缺口試驗(yàn)靜載荷試驗(yàn)2.2壓縮2.4扭轉(zhuǎn)2.6

硬度第2頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)

塑性變形和斷裂是金屬材料在靜載荷下失效的主要形式，它們是金屬所承受的應(yīng)力達(dá)到其相應(yīng)的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。與的比值表示它們的相對大小，稱為應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，記為。對于金屬材料，υ取0.25，則值為

（2－1）值越大的試驗(yàn)方法，表示應(yīng)力狀態(tài)越“軟”，金屬越易于產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂。值越小的試驗(yàn)方法，應(yīng)力狀態(tài)越“硬”，金屬越不易產(chǎn)生塑性變形而易于產(chǎn)生脆性斷裂。

第3頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一2.2壓縮

一.壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)二.壓縮試驗(yàn)

通過壓縮試驗(yàn)主要測定脆性材料的抗壓強(qiáng)度。如果在試驗(yàn)時(shí)金屬材料產(chǎn)生明顯屈服現(xiàn)象，還可測定壓縮屈服點(diǎn)。試樣壓至破壞過程中的最大應(yīng)力稱為抗壓強(qiáng)度。第4頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一一、壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)

1.單向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)＝2，主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能測定(圖2-1)。2.拉伸時(shí)塑性很好的材料在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不會斷裂(圖2-2)。第5頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一二.壓縮試驗(yàn)第6頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一2.3彎曲

一.彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)

金屬桿狀試樣承受彎矩作用后，其內(nèi)部應(yīng)力主要為正應(yīng)力，與單向拉伸和壓縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力雷同。但由于桿件截面上的應(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，因此，金屬在彎曲加截下所表現(xiàn)的力學(xué)行為與單純拉應(yīng)力或壓應(yīng)力作用下的不完全相同。彎曲試驗(yàn)與拉伸試驗(yàn)相比還有以下特點(diǎn):⑴彎曲試驗(yàn)的試樣形狀簡單、操作方便，常用于測定鑄鐵、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。⑵彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣表面應(yīng)力最大，可較靈敏地反映材料表面缺陷。因此，常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。第7頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

二.彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)時(shí)，將圓柱形或矩形試樣放置在一定跨距的支座上，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲(圖2-4a)或四點(diǎn)彎曲(圖2-4b)加載，通過記錄彎曲力F和試樣撓度之間的關(guān)系曲線，確定金屬在彎曲力作用下的力學(xué)性能。第8頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一2.4扭轉(zhuǎn)

一、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)

當(dāng)圓柱試樣承受扭矩T進(jìn)行扭轉(zhuǎn)時(shí)，試樣表面的應(yīng)力狀態(tài)如圖2-6a。在彈性變形階段，試樣橫截面上的切應(yīng)力和切應(yīng)變沿半徑方向的分布是線性的(圖2-6b)。當(dāng)表層產(chǎn)生塑性變形后，切應(yīng)變的分布仍保持線性關(guān)系，但切應(yīng)力則因塑性變形而有所降低，不再呈線性分布(圖2-6c)。第9頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

一.扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)

根據(jù)圖2－6中應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布，可以看出扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)具有如下特點(diǎn):(1)扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)α=0.8，比拉伸時(shí)的α大，易于顯示金屬的塑性行為。

(2)圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)長度上塑性變形是均勻的，沒有縮頸現(xiàn)象,所以能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)。

(3)能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。

(4)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是測定生產(chǎn)上所使用的大部分金屬材料切斷強(qiáng)度最可靠的方法。

第10頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一二.扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要采用直徑＝10mm、標(biāo)矩長度分別為50mm或100mm的圓柱形試樣。試驗(yàn)時(shí)，對試樣施加扭矩，隨扭矩增加，試樣標(biāo)距間的兩個(gè)橫截面不斷產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，其相對扭角以(單位為rad)表示。金屬扭轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩-扭角()曲線(扭轉(zhuǎn)曲線)如圖2-8所示。

第11頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一2.5缺口試樣靜載荷試驗(yàn)

一、缺口效應(yīng)二、缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)三、缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)第12頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

一、缺口效應(yīng)

實(shí)際生產(chǎn)中的機(jī)件，往往存在截面的急劇變化，這種截面變化的部位可視為“缺口”。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)將發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂“缺口效應(yīng)”，從而影響金屬材料的力學(xué)性能。

1.缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布

當(dāng)板材處于彈性范圍內(nèi)時(shí)，其缺口截面上的應(yīng)力分布如圖2-10所示。缺口的第一個(gè)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)，使缺口試樣或機(jī)件中所受的應(yīng)力，由原來的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)。2.缺口試樣在塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布

缺口使塑性材料強(qiáng)度增高，塑性降低，這是缺口的第二個(gè)效應(yīng)。

第13頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一二、缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)

缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)分為軸向拉伸和偏斜拉伸兩種。

缺口拉伸試樣的形狀及尺寸如圖2-13所示。第14頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

三、缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)

缺口靜彎曲試驗(yàn)也可顯示材料的缺口敏感性，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)變分布的不均勻性較缺口拉伸時(shí)更甚，但應(yīng)力應(yīng)變的多向性則減少。缺口靜彎曲試驗(yàn)可采用圖2-16所示的試樣及裝置。第15頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一2.6硬度

一、金屬硬度的意義及硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)

硬度試驗(yàn)的方法很多，大體上可分為彈性回跳法(如肖氏硬度)、壓入法(如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等)和劃痕法(如莫氏硬度)等三類。硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能。硬度試驗(yàn)被廣泛用于檢查金屬材料的性能、熱加工工藝的質(zhì)量或研究金屬組織結(jié)構(gòu)的變化。

二、硬度試驗(yàn)第16頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一二、硬度試驗(yàn)

（一）布氏硬度試驗(yàn)（二）洛氏硬度試驗(yàn)（三）維氏硬度試驗(yàn)（四）其它硬度試驗(yàn)方法

1.努氏硬度試驗(yàn)

2.肖氏硬度試驗(yàn)第17頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

（一）布氏硬度試驗(yàn)

布氏硬度試驗(yàn)的原理是用一定直徑D(mm)的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，施以一定的試驗(yàn)力F(N)，將其壓人試樣表面(圖2-18a)，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間t(s)后卸除試驗(yàn)力，試樣表面將殘留壓痕(圖2-18b)。

第18頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一（二）洛氏硬度試驗(yàn)

洛氏硬度試驗(yàn)以測量壓痕深度表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗(yàn)所用的壓頭有兩種：一種是圓錐角＝120°的金剛石圓錐體；另一種是一定直徑的小淬火鋼球。

圖2-20為用金剛石圓錐體測定硬度過程示意圖。第19頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一

（三）維氏硬度試驗(yàn)

維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力來計(jì)算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)的壓頭不是球體，而是兩對面夾角為136°的金金剛石四棱錐體，如圖2-21所示。第20頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一思考題與習(xí)題

1．解釋下列名詞：

(1)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)；(2)缺口效應(yīng)；(3)缺口敏感度；(4)布氏硬度；(5)洛氏硬度；(6)維氏硬度；(7)努氏硬度；(8