材料力学性能第二章

1、11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院1材料力学性能材料力学性能 裴立宅裴立宅材料科学与工程学院材料科学与工程学院Email: , 11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院2第二章第二章 金属在其它静载荷下的金属在其它静载荷下的力学性能力学性能11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院3第一节第一节 应力状态软性系数应力状态软性系数n静载荷试验方法不同，应力状态软性系数也不同静载荷试验方法不同，应力状态软性系数也不同11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院4第二节第二节 压缩压缩n一、压缩试验的特点一、压缩试验的特点n(1) 单向压缩试验的应力状

2、态软性系数单向压缩试验的应力状态软性系数=2，比拉伸、，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈扭转、弯曲的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定。脆性的金属材料力学性能的测定。n(2) 拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂。形而不断裂。n对于接触面处承受多向压缩应力的机件，如滚动轴承、对于接触面处承受多向压缩应力的机件，如滚动轴承、套圈与滚动体，常采用多向压缩实验。套圈与滚动体，常采用多向压缩实验。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院5二、压缩试验二、压缩试验n可测定的主要压缩性能

3、指标：可测定的主要压缩性能指标：n一、规定非比例压缩应力一、规定非比例压缩应力pcn试样标距段内的非比例压缩变形达到规定的原始标距百分比时试样标距段内的非比例压缩变形达到规定的原始标距百分比时的应力的应力n二、抗压强度二、抗压强度n单位试样被压至破坏过程中的最大应力单位试样被压至破坏过程中的最大应力bc11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院6第三节第三节 弯曲弯曲n一、弯曲试验的特点一、弯曲试验的特点n金属杆状试样承受弯矩作用后，其内部应力主要为金属杆状试样承受弯矩作用后，其内部应力主要为正应力，与单向拉伸和压缩时产生的应力雷同正应力，与单向拉伸和压缩时产生的应力雷同n但由于杆件

4、截面上的应力分布不均匀，表面最大，但由于杆件截面上的应力分布不均匀，表面最大，中心为零，且应力方向发生变化中心为零，且应力方向发生变化n所以金属在弯曲加载下的力学行为与单纯拉应力或所以金属在弯曲加载下的力学行为与单纯拉应力或压应力作用下的力学行为不完全相同，有它自身的压应力作用下的力学行为不完全相同，有它自身的特点。特点。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院7特点：特点：n(1) 弯曲试验的试样形状简单、操作方便，不存在弯曲试验的试样形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的试样偏斜对结果的影响，可用弯曲拉伸试验时的试样偏斜对结果的影响，可用弯曲的挠度显示材料的塑性。的挠度显示材料

5、的塑性。n(2) 弯曲试验时，样品表面应力最大，可灵敏的反弯曲试验时，样品表面应力最大，可灵敏的反映材料表面的缺陷。映材料表面的缺陷。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院8二、弯曲试验二、弯曲试验n将圆柱形或矩形试样放置于一定跨距将圆柱形或矩形试样放置于一定跨距Ls的支座上，进行三点弯曲的支座上，进行三点弯曲或四点弯曲加载，通过记录弯曲力或四点弯曲加载，通过记录弯曲力F和试样挠度和试样挠度f之间的关系曲线，之间的关系曲线，就可确定金属在弯曲力下的力学性能。就可确定金属在弯曲力下的力学性能。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院9弯曲试验所测的主要性能指标弯曲试验所

6、测的主要性能指标n弯曲试验主要测定脆性或低塑性材料的抗弯强度。弯曲试验主要测定脆性或低塑性材料的抗弯强度。n试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力，称为抗弯强度。应力公式计算的最大弯曲应力，称为抗弯强度。n弯曲试验还可测定弯曲弹性模量、断裂挠度弯曲试验还可测定弯曲弹性模量、断裂挠度fbb和断和断裂能量裂能量U等力学性能指标。等力学性能指标。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院10第四节第四节 扭转扭转n一、扭转试验的特点一、扭转试验的特点n当圆柱试样承受扭矩当圆柱试样承受扭矩T进行扭转时，试样表面的应力

7、状态如图进行扭转时，试样表面的应力状态如图2-6a所示，所示，在与试样轴线呈在与试样轴线呈45的两个斜截面上作用最大与最小正应力的两个斜截面上作用最大与最小正应力1及及3，在，在与试样轴线平行和垂直的与试样轴线平行和垂直的截面上作用最大切应力，两种应力的比值接近截面上作用最大切应力，两种应力的比值接近1。n在弹性变形阶段，试样横截面上的切应力和切应变沿半径方向的分布是在弹性变形阶段，试样横截面上的切应力和切应变沿半径方向的分布是线性的（图线性的（图2-6b）。）。n当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，但切应力则因当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，但切应力则因塑性变

8、形而有所降低，呈非线性分布（图塑性变形而有所降低，呈非线性分布（图2-6c） 。 11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院11根据扭转试验时试样所受的应力状态与应力分布，扭转根据扭转试验时试样所受的应力状态与应力分布，扭转试验具有如下试验具有如下 特点：特点：n(1) 应力状态软性系数应力状态软性系数=0.8，比拉伸时的，比拉伸时的大，易于显示金属的塑性大，易于显示金属的塑性行为。行为。n(2) 圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象。象。n(3) 能较敏感的反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。能较敏感的

9、反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。n(4) 扭转试验时的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生扭转试验时的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生产上所用大部分金属材料的正断抗力大于切断抗力，所以扭转试验是产上所用大部分金属材料的正断抗力大于切断抗力，所以扭转试验是测定这些材料切断抗力最可靠的方法。测定这些材料切断抗力最可靠的方法。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院12二、扭转试验二、扭转试验n可测定的主要性能指标：可测定的主要性能指标：n(1) 切变模量切变模量Gn(2) 屈服点屈服点n(3) 抗扭强度抗扭强度11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学

10、院13n主要用途：本系列试验机主要主要用途：本系列试验机主要用于水泥、混凝土试样及构件用于水泥、混凝土试样及构件等建材产品的抗压、抗弯强度等建材产品的抗压、抗弯强度试验，试验，n也可用于橡胶垫的压缩性能试也可用于橡胶垫的压缩性能试验和金属顶锻试验。验和金属顶锻试验。n显示方式有度盘式（显示方式有度盘式（YE系列）系列）及数显式（及数显式（YES系列），系列），nYES系列试验机采用传感器测系列试验机采用传感器测力，数字显示试验力及峰值，力，数字显示试验力及峰值，手动控制试验进程，既具有手手动控制试验进程，既具有手动试验机的可靠性，又备有动试验机的可靠性，又备有RS232C接口，可扩展为具有微接

11、口，可扩展为具有微机数据采集、处理功能，具有机数据采集、处理功能，具有网络数据库管理与操作的新一网络数据库管理与操作的新一代微机屏显式压力试验机。代微机屏显式压力试验机。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院14n主要用途：主要用途：n用于金属材料和塑料、用于金属材料和塑料、混凝土、水泥等非金属混凝土、水泥等非金属材料的拉伸、压缩、弯材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切试验。曲和剪切试验。n增加简单附件，可完成增加简单附件，可完成胶带、链条、钢丝绳、胶带、链条、钢丝绳、电焊条及构件的力学性电焊条及构件的力学性能试验。能试验。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院15n主要用

12、途：主要用途：n广泛应用在冶金、机械、广泛应用在冶金、机械、建工建材、汽车、造船建工建材、汽车、造船等行业和大专院校、质等行业和大专院校、质量检测等部门，用于金量检测等部门，用于金属、塑料、橡胶、弹簧、属、塑料、橡胶、弹簧、各种绳带等材料及制品各种绳带等材料及制品的机械性能测试研究。的机械性能测试研究。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院16第五节第五节 缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验n一、缺口效应一、缺口效应n前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方法，前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，实际生产的机件，截面都是采用横截

13、面均匀的光滑试样，实际生产的机件，截面上往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、螺纹及焊缝上往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、螺纹及焊缝等，这种截面变化的部位可称为等，这种截面变化的部位可称为“缺口缺口”。n由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将会发生变化，产生所谓的态将会发生变化，产生所谓的“缺口效应缺口效应”，从而影响金，从而影响金属材料的力学性能。属材料的力学性能。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院17（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布n假设一个薄板的边缘开有假设一

14、个薄板的边缘开有缺口，并承受拉应力缺口，并承受拉应力的的作用，作用，n当板材处于弹性范围内时，当板材处于弹性范围内时，其缺口截面上的应力分布其缺口截面上的应力分布如右图所示。如右图所示。n从图可看出，缺口截面上从图可看出，缺口截面上的应力分布不均匀，轴向的应力分布不均匀，轴向应力应力y在缺口根部最大，在缺口根部最大，随着距离的增加，随着距离的增加，y不断不断下降，所以在缺口根部产下降，所以在缺口根部产生了应力集中的现象。生了应力集中的现象。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院18n缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方

15、的应力状态，使缺口试样或机件中所受的应力，由原来的单应力状态，使缺口试样或机件中所受的应力，由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，这种状态由板厚向应力状态改变为两向或三向应力状态，这种状态由板厚或直径决定。或直径决定。n两向或三向不等拉伸的应力状态软性系数两向或三向不等拉伸的应力状态软性系数2，在这种应力状态下，在这种应力状态下，几乎所有的金属材料都能产生塑性变形，所以这种方几乎所有的金属材料都能产生塑性变形，所以这种方法也能测定法也能测定硬质合金、陶瓷硬质合金、陶瓷等脆性材料的硬度。等脆性材料的硬度。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院24二、硬度试验二、硬度试验n（

16、一）布氏硬度试验（一）布氏硬度试验n原理：原理：n用直径为用直径为D（mm）的钢球或）的钢球或硬质合金球的压头，硬质合金球的压头，n加一定的试验力加一定的试验力F（N），将），将其压入试样表面（右图其压入试样表面（右图a），），n经过规定的保持时间经过规定的保持时间t（s）后卸除试验力，试样表面将后卸除试验力，试样表面将残留压痕，残留压痕，n然后测量压痕的平均直径然后测量压痕的平均直径d（mm），求得压痕的球形），求得压痕的球形面积面积A（mm2）。）。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院25n布氏硬度计试验法主要布氏硬度计试验法主要用于铸铁、钢材、有色用于铸铁、钢材、有色金属

17、及软合金等材料的金属及软合金等材料的硬度测定，硬度测定，n此外还可以用于塑料、此外还可以用于塑料、电木等某些非金属材料电木等某些非金属材料硬度的测定。硬度的测定。n适用于工厂、车间、试适用于工厂、车间、试验室、大专院校和科研验室、大专院校和科研机构。机构。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院26布氏硬度试验的优点：布氏硬度试验的优点：n1. 由于压头的直径较大，所以压痕面积较大，其硬度值能由于压头的直径较大，所以压痕面积较大，其硬度值能反映各组成相的平均性能，适合于测定灰铸铁、轴承合金反映各组成相的平均性能，适合于测定灰铸铁、轴承合金的硬度；的硬度；n2. 试验数据稳定，重复性

18、强。试验数据稳定，重复性强。布氏硬度试验的缺点：布氏硬度试验的缺点：n1. 对不同材料需要更换压头直径和改变试验力，压痕直径对不同材料需要更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量较麻烦，所以不宜用于自动检测；的测量较麻烦，所以不宜用于自动检测；n2. 压痕较大时不宜在成品上实验。压痕较大时不宜在成品上实验。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院27（二）洛氏硬度试验（二）洛氏硬度试验n(a) 试验时先加初始试验力试验时先加初始试验力F0，以保证压头与试样表面接触良以保证压头与试样表面接触良好，得到一个压痕深度好，得到一个压痕深度h0，此，此时指针指零。时指针指零。n(b) 施加主

19、作用力施加主作用力F1，压头压，压头压入深度为入深度为h1，表逆时针转到相，表逆时针转到相应刻度位置，应刻度位置，h1包括弹性变形包括弹性变形与塑性变形。与塑性变形。n(c) F1卸除后，总变形中的弹卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一段距性变形恢复，压头回升一段距离（离（h2-h1），此时塑性变形深），此时塑性变形深度即为压痕深度度即为压痕深度h，最终表盘，最终表盘指针所指即为洛氏硬度值。指针所指即为洛氏硬度值。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院28nHRS-150型数显洛氏硬度计型数显洛氏硬度计是机电一体化的硬度测试仪是机电一体化的硬度测试仪器。器。n该机外观新颖，

20、采用微机控该机外观新颖，采用微机控制，硬度值以数字直接显示。制，硬度值以数字直接显示。n升降螺杆与旋轮间自动反馈升降螺杆与旋轮间自动反馈锁合，外接打印机，除试台锁合，外接打印机，除试台升降外，完全实现了自动化，升降外，完全实现了自动化，消除了操作和读数误差。消除了操作和读数误差。n该硬度计适用于黑色金属、该硬度计适用于黑色金属、有色金属和非金属材料的硬有色金属和非金属材料的硬度测定。度测定。 11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院2911/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院30洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：n1. 操作简便、迅速、硬度值可直接读出；操作简便、迅速、硬

21、度值可直接读出；n2. 压痕小，可在工件上直接实验；压痕小，可在工件上直接实验；n3. 采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属或厚薄不一的试样采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属或厚薄不一的试样硬度，可广泛用于热处理质量检验。硬度，可广泛用于热处理质量检验。洛氏硬度的缺点：洛氏硬度的缺点：n1. 压痕较小，代表性差；压痕较小，代表性差；n2. 若材料中存在偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复若材料中存在偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；性差，分散度大；n3. 用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。11/23/

22、2021安徽工业大学 材料科学与工程学院31（三）维氏硬度试验（三）维氏硬度试验n维氏硬度试验的原理与布氏硬度相同，也维氏硬度试验的原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力计算是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。硬度值。n不同的是试验用的压头不同，是两个相对不同的是试验用的压头不同，是两个相对面间夹角面间夹角为为136的金刚石四棱锥体。的金刚石四棱锥体。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院32n压头在试验力压头在试验力F（N）作用下将样品表面压作用下将样品表面压出一个四方锥形的压出一个四方锥形的压痕，痕，n经一定保持时间后卸经一定保持时间后卸除试验力，测量

23、压痕除试验力，测量压痕对角线平均长度对角线平均长度d，d=(d1+d2)/2，n来计算压痕的表面积来计算压痕的表面积A（mm2）。）。11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院33nHVS-50型数显维氏硬度计是光机电一型数显维氏硬度计是光机电一体化的高新技术产品，具有良好的可体化的高新技术产品，具有良好的可靠性，可操作性，是小负荷维氏硬度靠性，可操作性，是小负荷维氏硬度计的升级换代产品。计的升级换代产品。n该机采用计算机软件编程，高倍率光该机采用计算机软件编程，高倍率光学测量系统，光电传感等技术，通过学测量系统，光电传感等技术，通过软键输入，能调节测量光源的强弱，软键输入，能调节测

24、量光源的强弱，选择测试方法与对照表、保持时间、选择测试方法与对照表、保持时间、文件号与储存等，在文件号与储存等，在LCD大屏幕显示大屏幕显示上能显示试验方法、试验力、测量压上能显示试验方法、试验力、测量压痕长度、硬度值、试验力保持时间，痕长度、硬度值、试验力保持时间，测量次数并能键入年、月、日期，试测量次数并能键入年、月、日期，试验结果和数据处理等，通过打印输出，验结果和数据处理等，通过打印输出，并通过并通过RS232接口与计算机连网接口与计算机连网n硬度计配可选摄影装置，能对所测压硬度计配可选摄影装置，能对所测压痕和材料金相组织进行拍摄，适用于痕和材料金相组织进行拍摄，适用于测量微小、薄形试

25、件、表面渗镀处理测量微小、薄形试件、表面渗镀处理后的零件，是科研机构、工厂及质检后的零件，是科研机构、工厂及质检部门进行研究和检测的理想的硬度测部门进行研究和检测的理想的硬度测试仪器。试仪器。 11/23/2021安徽工业大学 材料科学与工程学院34维氏硬度的优点：维氏硬度的优点：n1. 不存在布氏硬度试验时要求试验力不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径与压头直径D之间所规定之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度实验时不同标尺的硬度值无法条件的约束，也不存在洛氏硬度实验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端；统一的弊端；n2. 试验力可以任意选择，压痕测量精度较高，硬度值较精确。试验力可以任意选择，压痕测量精度较高，硬度值较精确。维氏硬度的缺点：维氏硬度的缺点：n需要通过测量