第二章材料在其它静载下

1、第二章材料在其它静载下的力学性能z仅采用单向静拉伸力学性能试验，并不能完全反映材料在不同应力状态下所表现的弹性、塑性变形以及断裂的力学行为和性能特点。因此本章将简要介绍扭转、弯曲、压缩与带缺口试样的静拉伸以及材料硬度试验等试验方法的特点，应用范围及其所测定的力学性能指标。2.1应力状态软性系数1实际服役中材料的应力状态实际应用中的材料，其变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态。为正确和估计材料的失效方式，必须研究在不同加载条件下材料中的最大切应力max和最大正应力max的计算方法及其相对大小的表示方法。z2应力状态软性系数l 任何复杂的应力状态都可用三个主应力1、2和3 (12)来表示。

2、根据这3个主应力，可以按 “最大切应力理论”计算最大切应力，即max(1 3)/2 ；按“相当最大正应力理论”计算最大正应力，即max1(23)。max和max的比值称为应力状态软性系数，用a表示。a = t maxs 1 - s 3z=s max2s 1-n (s 2 + s 3 )a越大,最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形。反之，a值越小，表示应力状态越硬，则材料越容易产生脆性断裂。不同的静载试验方法，具有不同的应力状态软性系数。例如单向拉伸时，只有1，230。故a0.5。几种典型加载方式的应力状态软性系数a值如表2-1所列。3.不同加载条件下的应力状态软性系数(

3、=0.25)加载方式 123软性系数a扭转0-0.8单 向 拉 伸000.5三 向 等 拉 伸0三向不等拉伸(8/9)(8/9)0.1单向压缩00-2.0二向压缩0-1三向压缩-2-22.2扭转、弯曲与压缩力学性能一.扭转试验及其测定的性能指标、扭转试验z扭转试验一般采用圆柱形试样在扭转试验机上进行。扭转时试样表面的应力应变状态。l 扭转图:在扭转试验过程中，根据每一时刻加于试样上的扭矩M和扭转角(在试样标距L0上的两个截面间的相对扭转角)绘制成M-曲线,称为扭转图。扭转试验测定的力学性能指标= Mp规定非比例扭转应力pWM ：扭转曲线上某一点对M轴的正切值较扭转曲线上直线部分ON正切值大50

4、%时该点对应的扭矩作为MP (Nm)。W：试样截面系数,圆柱试样为d03 /16。扭转屈服强度M st=sWM ：残余扭转切应变为0.3%(相当于拉伸残余应变0.2%)时s的扭矩(NM)。Mt=b扭转强度极限bWMb：试样断裂前的最大扭矩(NM)。上式中的b是按弹性力学公式计算的，由于试样表面层的塑性变形，使其切应力有所降低。所以，用弹性公式计算出的b值与真实情况不符，故称b为条件扭转强度极限。G= / =32Ml0 /d0l 切变弹性模量l M：弹性变形阶段的扭矩; ：和相对扭转角。2、扭转试验的特点及应用1. 可用来测定那些在拉伸时呈现低脆性材料(ts/c=0.50.8)的强度和塑性.2.

5、 可对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验。3. 可用来精确评定那些拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力。4. 扭转试验时正应力与切应力大致相等，而生产中所使用的大部分金属结构材料的ctf,属材料的切断强度。，可测定金二、弯曲试验及其性能指标1、弯曲试验及其测定的力学性能指标（1）弯曲试验用圆柱试样或方形试样在万能试验机上进行。加荷方式一般有两种：三点弯曲和四点弯曲。（2）弯曲图载荷F（或弯矩M）与试样最大挠度fmax之间的关系曲线 ，来确定材料在弯曲载荷下的力学性能。（3）弯曲性能指标max=Mmax/W受拉侧表面的最大正应力：W：试样抗弯截面系数,W= d03

6、 /32（直径为d0的圆柱试样）；W=bh3 /6（宽度为b，高度为h的矩形试样）。l 抗弯强度：bb=Mb/WMb：试样断裂时的弯矩（Nm）。l 最大弯曲挠度：fmafma可由百分表或挠度计直接读出。从弯曲图上可测算弯曲弹性模数Eb、规定非比例弯曲应力pb、断裂挠度f 等性能指标。2.弯曲试验的特点及应用(1)测定难于成拉伸试样的脆性材料的断裂强度，并显示它们的塑性差别。(2)比较和评定材料表面处理层的质量.(3)试验方法简单，在某些场合可代替拉伸和扭转试验。三、压缩试验1.压缩试验及其测定的力学性能指标（1）试验压缩试验是对试样施加轴向，在其变形和断裂过程中测定材料的强度和塑性的力学性能试

7、验方法。压缩试验在万能材料试验机上进行，用的试样通常为圆柱形。（2）压缩曲线压缩试验时， 材料抵抗外力变形和断裂情况可用压力和变形的关系曲线来表示，称为压缩曲线，即F-h 曲线。1为脆性材料的压缩曲线,2 为塑性材料的压缩曲线（3）性能指标l 规定非比例压缩应力：pc=Fpc/A0l 抗压强度：bc=Fbc/A0l 相对压缩率：c=(h0-hf)/h0100%l 相对断面扩展率 ：c=(Af-A0)/A0100%l 式中 Pbc为压缩断裂载荷；l h0、hf分别为试样原始和断裂时的高度（m）；l F0、Ff分别为试样原始和断裂时的截面积（m2）.2.压缩试验的特点及应用l （1）单向压缩的状态

8、软性系数=2。因此,压缩试验主要用于脆性材料,以显示其在静拉伸时所不能反映的材料在韧性状态下的力学行为.l （2）压缩与拉伸的受力方向不仅相反，且两种试验所得 的载荷变形曲线、塑性及断裂形态也存在较大差别，特别是压缩试验不能使塑性材料断裂。故塑性材料一般不采用压缩方法检验。l （3）多向不等压缩试验的应力状态软性系数2。此方 法适用于脆性更大的材料，它可以反映此类材料的微小塑性差异。2.3缺口试样静荷力学性能一、材料缺口处的应力分布特点及缺口效应1、弹性状态下的应力分布缺口的第一个效应: 缺口造成应力应变集中。缺口的第二个效应: 缺口改变了缺口前方的应力状态。对于薄板，缺口根部内侧还出现了横向

9、拉应力x。对于厚板，在垂直于板面方向的变形受到约束，z=0,故z0,z=v(x+y)。缺口造成应力集中的大小，决定于缺口几何参数，如缺口形状、角度、深度及根部曲率半径，其中以根部曲率半径影响最大。缺口越尖，应力集中越大。（3）应力集中系数KtKt=max/式中：max：缺口净截面上的最大应力；：平均应力。Kt值只与缺口几何形状有关。表示缺口引起的应力集中程度，其值只与缺口几何形状有关。2、塑性状态下的应力分布缺口的第三个效应:产生缺口“强化”现象,缺口使塑性材料得到“强化” 。缺口处出现的三向应力，使试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口“强化”现象。缺口使塑性材料得到“强化”，这是

10、缺口的第三个效应。我们不能把“缺口强化”看作是强化材料的一种，因缺口“强化”纯粹是由于三向应力约束了材料塑性变形所致。此时材料本身的s值并未发生变化。比较缺口试样与相同截面的光滑试样可以发现，在有缺口时，塑性材料的强度极限因塑性变形受约束而有一定程度的增加。对脆性材料或低塑性材料，缺口试样拉伸常常是直接由弹性状态过渡到断裂，很难通过缺口前方的微量塑性变形使应力重新分布。所以，脆性材料缺口试样的强度比光滑试样要低。二、缺口试样的静拉伸及静弯曲试验1. 缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸（1）试样规格常用的缺口试样。缺口角=450600,缺口根部曲率半径=0.1-0.2 mm,缺口截面直径dN=7-15m

11、m,dn/d0=0.7-0.85.（2）试验装置图为缺口偏斜拉伸试验装置。、缺口试样静弯曲（1）试验及试样规格图为缺口弯曲试验方法及其试样。缺口弯曲试验时，一般采用 为101055mm，缺口深度为2mm、夹角为600的V型缺口试样。（2）缺口静弯曲曲线图为几种常见材料的缺口静弯曲曲线。材料1在曲线上升部分断裂，残余挠度 f1很小，表示对缺口敏感；材料2在曲线下降部分断裂， 残余挠度f2较大，表示缺口敏感度低；材料3弯曲不断，取相当于1/4Fmax 时的残余挠度f3作为它的挠度值，其值很大，表示材料对缺口不敏感。（3）曲线的意义图为某材料的缺口弯曲曲线,它反映了缺口试样变形和断裂的整个过程。弹性

12、变形区、塑性变形区和断裂区,则各区所占面别为弹性功、塑性工和断裂功。三、材料缺口敏感性及其影响因素缺口敏感度：抗拉强度bN与等截面光滑试样的抗拉强度b的比值作为材料的缺口敏感性指标,并称为缺口敏感度,用qe或NSR(Notch Sensitivity Ratio)表示。= s bNqesb对脆性材料,qe永远小于1,高强度材料的qe一般小于1。对缺口不太尖的塑性材料,拉伸时可能产生塑性变形, 此时qe总会大于1。缺口试样的拉伸塑性比光滑试样要低。第四节 材料的硬度一 硬度试验的意义l 1.定义硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。硬度的物理意义随试验方法的不同,其含义不同，至今尚无统一的表达方

13、式。可以将其定义为“材料抵抗残余变形和破坏的能力”或 “材料抵抗弹性变形、塑性变形和破裂的能力”等。实际上，材料的硬度是材料的微观结构，键合方式、键合强度、弹性模量、屈服强度和素的综合表现。硬化能力等一系列与力学性能有关因由于硬度与材料的常规力学性能指标，如弹性模数、屈服强度、抗拉强度、耐磨性、疲劳强度等有密切的联系，测量方法亦比较简单，多数为无损检测方法，因而硬度检测成为材料力学性能测试中最常用的。尤其对于涂覆层材料，由于其自身的特殊性，表征材料力学性能的常用指标，如弹性极限、抗拉强度、屈服强度以及延伸率等，难以直接通过力学性能实验的方法获得，因而硬度检测就成为涂覆层材料力学性能检测的首选方

14、法。2 分类按加载方式基本上可分为压入法和刻划法两大类压入法:静载压入法和动载压入法布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度属于静载压入法超声波硬度、肖氏硬度和锤击式布氏硬度属于动载试验法。刻划法:莫氏硬度顺序法、划痕法和挫刀法压入法硬度试验的应力状态最“软”（2）在此应力状态下几乎所有材料都会产生塑性变形。二、各类材料的硬度试验方法（一）布氏硬度测定原理：用一定大小的载荷F（Kgf），把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定时间后卸除载荷，测量试样表面的残留压痕直径d，求压痕的表面积S。将压痕面积承受的平均（F/S）定义为布氏硬度，其符号用HB表示。硬度值的表示方法HB=

15、 F/=2 F/DD(D2d2)1/2计算公式：。一般记为“数字+硬度符号布氏硬度值一般不标出（HBS或HBW）+数字/数字/数字” 。第一组 数字表示硬度值；当压头为淬火钢球时,用符号HBS表示,适用于布氏硬度值低于450的材料；当压头为硬质合金球时，用符号HBW表 示，适用于布氏硬度值为450650的材料；第二组数字表示压头直径；第三组 数字表示载荷值；第四组 数字表示加载保持时间。硬度值越高，表示材料越硬。例如，280HBS/3000/30，表示用直径为10mm的淬火钢球，在3000Kgf的作用下30秒时的硬度值。当保持时间为1015秒时可不标注。布氏硬度试验的优缺点与用途l 优点:l

16、压痕面积较大,其硬度值能反映材料在较大区域内各组成相的平均性能。因此，布氏硬度检验最适合测定灰铸铁、轴承合金等材料的硬度；试验数据稳定，重复性高。l 缺点:l 压痕直径较大，一般不宜在成品件上直接进行检验；l 对硬度不同的材料需要更换压头直径D和载荷F；l 压痕直径的测量比较麻烦。布氏硬度压痕相似法则测试样品的厚度和材质不同时，要根据不同材料和样品厚度，选择不同的F和D的搭配。为了得到统一的可比较的HB值，布氏硬度压痕需遵守相似法则， 保证压痕几何形状相似，即保证压入角恒定。l 由前图可知，d=Dsin（/2）代入式6-1可得R2HB =()2 D1 p-fz1sin2角不变，为了使同一材料两

17、者所l 上式说明，假若得HB相同，则要求P/D2也保持为常数，即F/D2F/D2=常数。另外，标准的规定，只有当压痕直径d满足（0.240.6）D时，试验结果才有效。在实际应用中，通常规定的P/D2有30、15、10、5、2.5、1.25共7种，可根据材料种类和样品厚度不同分别选用。布氏硬度试验的F/D2值的选择材 料布氏硬度F/D2钢及铸铁1401401030铜及其合金13051030轻金属及其合金801015铅、锡11.25(二)洛氏硬度l 测定原理:l 洛氏硬度是以测量压痕深度值的大小来表示材料的硬度值。试验所用的压头为圆锥角=1200的石圆锥或直径为1.588mm,3.175mm的淬火

18、钢球.载荷分先后两次施加,先加初载荷F1,再加主载荷F2,其总载荷为F(F=F1+F2)。测量方法与种类l 洛氏硬度用符号HR表示HR=(kh)/0.002z式中k值，压头为石时，取0.2; 为淬火刚球时取0.26。l 为了能用一种硬度计测定不同软硬材料的硬度，常采用不同的压头与总载荷组几种不同的洛氏硬度标尺。每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后注明，有九种之多。常用的是HRA、HRB及HRC三种。l 实际检测洛氏硬度时，在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测出压痕深度，并按上述三种洛氏硬度标尺标出相应的硬度值。不必测量压痕深度和计算硬度值。各种洛氏硬度的试验规范及应用硬度符号压头类型初载

19、F0(N)主载F1(N)总载F(N)测量硬度范围应用举例HRA石 圆锥98.07490.3588.420-88硬质合金、硬化薄钢板、表面薄层硬化钢HRB1.588mm钢球882.6980.720-100低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁HRC石 圆锥1373147120-70淬火钢、高硬度铸铁、球光体可锻铸铁HRD石 圆锥882.6980.740-77薄钢板、中等表面硬化钢、球光体可锻铸铁HRE3.175mm钢球98.07882.6980.7980.7灰铸铁、铝合金、镁合金、轴承合金HRF1.588mm钢球490.3588.460-100退火铜 合金、软质薄合金板HRG1.588mm钢球13731

20、47130-94可锻铸铁、铜-镍合金、铜 镍-锌合金HRH3.175mm钢球490.3588.480-100铝、铅、锌HRK3.175mm钢球1373147140-100轴承合金、较铁金属、薄材表面洛氏硬度应用洛氏硬度试验原理，通过减小试验载荷，改变压头,研制出表面洛氏硬度。各种表面洛氏硬度的试验规范及应用硬 度符 号压头类型初载F0(N)主载F1(N)总载F(N)测量硬度范围应用举例HR15N石圆锥29.42117.7147.170-94渗碳钢、渗氮钢、极薄钢板、刀刃、表面镀层HR30N264.8294.242-46HR45N411.9441.320-77HR15N1.588mm钢球29.4

21、2117.7147.167-93低碳钢、钢合金、铝合金等薄板HR30N264.8294.229-82HR45N411.9441.31-72洛氏硬度试验的优缺点l 优点：l 操作简便迅速；l 压痕小，可对工件直接进行检验；l 采用不同标尺，可测定各种软硬不同和薄厚不一试样的硬度。l 缺点 ：l 压痕较小，整体代表性差；l 材料中有偏析及组织不均匀等情况时，使所测硬度值的重复性差、分散度大；l 不同标尺测得的硬度值不能直接进行比较和彼此互换。(三)维氏硬度与显微硬度1. 维氏硬度测定原理：试验原理与布氏硬度基本相同，也是根据压痕面积所承受的载荷来计算硬度值的，只是压头是两相对面夹角为136的体。石

22、四棱锥测量与表示方法试验时,在载荷F的作用下,将试样表面压出一个四方锥形压痕,测量压痕的对角线长度d1和d2，取其平均值d，用以计算压痕的表面积S，F/S即为试样的硬度值,用符号HV表示.其P/F即为试样的硬度值,用符号HV表示。为Kgf，压痕对角线长度o为mm时，当载荷2Fsin136F/2HV = 1.8544d 2为N时，d 2当载荷的1360F sin2F2= 0.1891HV0.102d 2d 2维氏硬度值的表示式为“数字+HV+数字/数字”的形式。第一组数字表示硬度值；第二组 数字表示载荷值；第三组 数字表示加载保持时间。维氏硬度试验的载荷有49.1(5)、98.1(10)、 19

23、6.2(20)、294.3(30)、490.5(50)、981(100)N(Kgf) 等六种。显微维氏硬度原理 :显微维氏硬度的试验原理与维氏硬度试验一样，所不同的是负荷以克力计量，压痕对角线长度以微米计量。主要用来测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成分、组织状态与性能的关系。显微硬度符号仍用HV表示。测量及计算方法:显微维氏硬度试验的压痕压痕角线长度d进行的。面积计算，也是通过测量HV=1854.4 (F/d2)式中F以克力为，d以微米为，这样系数就不是1.8544,而是1854.4。维氏硬度试验的优缺点优点：角锥压痕清晰，采用对角线长度计量，精确可靠；当载荷改变时，压入角恒定不变，可以任

24、意选择载荷，而硬度值不变；最适宜测量微区硬度和薄层硬度。缺点：测定方法较麻烦，工作效率低； 压痕面积小、代表性差；不能作为材料鉴定依据。（四）其它硬度1.努氏硬度原理：努氏硬度也是一种显微硬度试验方法。与显微维氏硬度的区别有两点：一是压头形状不同，是两个对角面不等的四棱锥石压头；二是硬度值不是试验力除以压痕之表面积之商值，而是除以压痕投影面积之商值。硬度符号为HK。HK=0.10214.23（F/l2 ）用途：努氏硬度压痕细长,且只测量长对角线长度,故精确度较高。适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，还可以测定渗层截面上的硬度分布。2.肖氏和里氏硬度肖氏和里氏硬度试验都是动载试验法，其原理是将具有一定重量的带有石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表征材料硬度值大小。肖氏硬度的符号用KS表示。肖氏硬度试验只有在材料弹性模量相同时才可进行比较。肖氏硬度计一般为手提式，使用方便，便于携带。可测现场大型工件的硬度。其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大，硬度测量精度较低。3.莫氏硬度陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度，它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度,后面的材料可以划破前