力学性能第二单元 (1)

1、第二单元 金属在其他静载荷下的力学性能本单元导读 很多零构件实际服役时常承受弯矩、扭矩或轴向压力的作用，或其上有螺纹、孔洞、台阶等引起应力集中的部位，有必要测定制造这类机件或工具的材料在相应承载条件下的力学性能指标，作为设汁和选材的依据。所以，研究金属材料在常温静载荷下的力学性能时，除采用单向静拉仲试验方法外，有时还选用压缩、弯曲、扭转等试验方法。 金属硬度试验方法在工业生产及科研中的应用极为广泛。常用的布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法属于静载压入试验。 通过本单元的学习，掌握硬度试验、压缩试验、弯曲试验、缺口静载荷试验的特点及应用，重点掌握各种试验方法所能测定的力学性能指标以用应用范围

2、。 研究内容研究内容 研究金属材料在常温静载下力学性能。研究金属材料在常温静载下力学性能。 压缩、弯曲、扭转、缺口拉伸、硬度试验。压缩、弯曲、扭转、缺口拉伸、硬度试验。 不同加载方式在试样中产生的应力状态不不同加载方式在试样中产生的应力状态不同，材料所表现出的力学行为不完全相同。同，材料所表现出的力学行为不完全相同。 模块一 压缩试验能力知识点能力知识点1压缩试验的特点压缩试验的特点 很多零件或构件是在压缩载荷下工作的，例如大型厂房的立柱、起重机的支架、轧钢机的压紧螺栓、机器的机座等。这就需要对它们的材料进行抗压性能试验评定。 压缩试验同拉伸试验一样，也是测定材料在常温、静载、单向受力下的力学

3、性能的最常用、最基本的试验之一。 实践表明，工程中常用的塑性材料，其受压与受拉时所表现出的强度、韧性和塑性等力学性能是大致相同的。但广泛使用的脆性材料，其抗压强度很高，抗拉强度却很低。所以，压缩试验大多用来测定脆性材料的抗压强度和塑性。对塑性材料只是测定弹性模量、比例极限和弹性极限等指标。 金属材料室温压缩试验按照国家标准GB/T 73142005进行。 低碳钢和灰铸铁的单向压缩曲线 a)低碳钢 b)铸铁 压缩试验可在万能材料试验机或专用压力机上进行。试验时材料抵抗外力变形和破坏的情况也可用力-变形曲线或应力-应变曲线来表示，并以此确定材料的主要压缩性能指标。 拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发

4、生压缩变形而不会断裂，脆性金属材料在拉伸时产生来自于载荷轴线的正断，塑性变形量几乎为零，而在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线成45方向产生断裂，具有切断特征。 由于塑性材料在进行单向压缩试验时只能压扁但不能压破，不能测得压缩强度极限，所以单向压缩试验适合于脆性和低塑性材料的力学性能试验，如铸铁、铸铝合金、轴承合金等，以显示在静拉伸、弯曲、扭转试验中不能显示的材料韧性状态的工作行为。能力知识点能力知识点2金属室温单向压缩试验主要力学性能指标金属室温单向压缩试验主要力学性能指标 通过压缩试验主要测定脆性材料的抗压强度mc ；如果在试验时金属材料产生明显屈服现象，还可测定上、下压缩屈服强度

5、ReHc和ReLc。 单向压缩可以看作是反向拉伸，因此拉伸试验时所决定的力学性能其定义和公式在此都还适用。能力知识点能力知识点3金属室温单向压缩试验金属室温单向压缩试验一、试样 金属压缩试样形状与尺寸的设计应保证在试验过程中标距内为均匀单向压缩，引伸计所测变形应与试样轴线上标距段的变形相等，端部不应在试验结束之前损坏。 金属室温压缩试验常用的试样截面为圆形或正方形，高度为直径或边长的2.53.5倍。二、试验步骤 试验应在室温1035下进行。 用游标卡尺测量试样直径或边长，方法是在试样原始标距中点处两个相互垂直的方向上测量直径，取其算术平均值。 根据低碳钢屈服载荷和铸铁抗压强度的估计值，选择试验

6、机的示力盘，调整其指针对零。 调整好自动绘图仪。 准确地将试样置于试验机活动平台的支承垫板中心处。 调整试验机夹头间距，当试样接近上支承板时，开始缓慢、均匀加载。对于低碳钢试样，将试样压成鼓形即可停止试验。对于铸铁试样，加载到试样破坏时(主指针回摆15左右)立即停止试验，以免试样进一步被压碎。 记录下有关试验参数和所测性能结果，写出试验报告。三、试验结果处理出现下列情况之一时，试验结果无效，应重做同样数量试样的试验： 试样未达到试验目的时，发生弯曲。 试样未达到试验目的时，端部就局部压坏以及试样在凸耳部分或标距外断裂。 试验过程中操作不当。 试验过程中试验仪器设备发生故障，影响了试验结果。 试

7、验后，试样上出现冶金缺陷(如分层、气泡、夹渣、缩孔等)，应在试验记录及报告中注明。模块二 金属弯曲力学性能试验能力知识点能力知识点1金属弯曲力学性能试验的特点金属弯曲力学性能试验的特点 在工程和建筑上，很多构件和零部件是在弯曲载荷作用下工作的，如桥式起重机横梁、火车的轮轴、电缆桥架等，需要对这些零构件的材料进行弯曲性能评定，因此弯曲力学性能试验也是生产中常用的一种金属性能试验方法。 金属弯曲力学性能试验是指采用三点弯曲或四点弯曲方式对圆形或矩形横截面试样施加弯曲力，一般直至断裂，测定其弯曲力学性能。 试验按YB/T54392006金属弯曲力学性能试验方法进行，相对于拉伸试验要方便得多，而且很适

8、用于低塑性材料弯曲载荷条件下的力学性能测试，如铸铁、硬质合金陶瓷和高分子材料。 弯曲试验的特点及应用弯曲试验的特点及应用 弯曲试验的特点及应用弯曲试验的特点及应用 试样形状简单、操作方便。同时弯曲试验不存在拉伸试验时的试样偏斜对试验结果影响问题，并可用挠度显示材料的塑性。常用于测定铸铁、铸常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性和低塑性材料造合金、工具钢及硬质合金等脆性和低塑性材料的断裂强度的断裂强度。 试验时，试样截面上的应力分布不均匀，表面应力最大，可灵敏的反映材料表面缺陷。常用来比可灵敏的反映材料表面缺陷。常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等机件的质量与性较和鉴定渗碳层和表面淬火

9、层等机件的质量与性能。能。 试验时不能使塑性较好的材料断裂，故其Ffmax曲线的最后部分可任意延长。 能力知识点能力知识点2金属弯曲力学性能试验金属弯曲力学性能试验一、金属弯曲力学性能试验原理 YB/T54392006金属弯曲力学性能试验方法中规定，弯曲力学性能试验是采用三点弯曲或四点弯曲方式对圆形或矩形横截面试样施加弯曲力，一般直至断裂，测定其弯曲力学性能指标。 弯曲力学性能试验所用圆形截面试样的直径545mm，矩形截面试样的hb为5mm75mm(或5mm5mm)至30mmm40mm(或30mm30mm)。 进行弯曲试验时，将圆形或矩形及方形试样放置在一定跨距L的支座上，进行三点弯曲或四点弯

10、曲试验，通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，通常求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和塑性。 对于圆形、矩形横截面试样，一般每个试验点需试验3个试样；对于薄板试样，每个试验点至少试验6个试样，试验时，拱面向上和向下各试验3个试样。图2-7 金属弯曲试验加载方式示意图(a)三点弯曲加载 (b)四点弯曲加载二、金属弯曲力学性能的确定 通过弯曲试验得到的弯曲载荷和试样弯曲挠度的关系曲线称为弯曲图，并可根据弯矩M值，应用材料力学公式求出弯曲强度和挠度。 铸铁的弯曲力F挠度f曲线 试样弯曲时，受拉侧表面的最大正应力：试样弯曲时，受拉侧表面的最大正应力： 式中式中M最大弯矩。对三点弯曲最大

11、弯矩。对三点弯曲 M=FLs/4；对；对四点弯曲四点弯曲M=FL/2。 W抗弯截面系数。对于直径为抗弯截面系数。对于直径为d的圆形试的圆形试样，样， ； 对于宽度为对于宽度为b，高为，高为h的矩形试样，的矩形试样，W=bh2/6 计算脆性材料的抗弯强度：计算脆性材料的抗弯强度： （Mb为断裂时的弯矩为断裂时的弯矩,读出读出Fbb） WM WMbbb1.抗弯强度bb 弯曲试验主要测定脆件或低塑性材料的抗弯强度。试样弯曲至断裂前达到的、按弹性弯曲应力公式计算得到的最大弯曲应力就是材料的抗弯强度,用符号bb表示。WLFsbbbb4WlFbbbb2 bb是铸铁的重要力学性能指标。 灰铸铁的抗弯性能优于

12、抗拉性能，球铁和可锻铸铁的bb比灰铸铁的大得多，如珠光体球铁的bb 为7001200MPa,为抗拉强度的1.61.9倍。 2.断裂挠度fbb的测定 将试样对称地安放于弯曲试验装置上，挠度计装在试样中间的测量位置上，对试样连续施加弯曲力，直至试验断裂，测量试样断裂瞬间跨距中点的挠度，此挠度即为断裂挠度fbb。此方法用于仲裁试验。 测定断裂挠度一般可与测定抗弯强度在同一试验中进行。可以利用试验机横梁位移来测定断裂挠度，但应对试验机柔度等因素的影响加以修正。模块三 金属扭转试验金属扭转试验的特点金属扭转试验的特点 扭转试验是金属力学性能试验中的一种重要试验方法。对于某些承受切应力或扭转应力的零件如传

13、动主轴、弹簧、钻杆等，具有重要的实际意义。 扭转试验主要用于评价材料的塑性，尤其是在拉伸试验时呈脆性的材料，扭转试验是评价其塑性的最佳方法。金属扭转试验具有如下特点： 圆柱形试样扭转时，试样从开始变形直至破坏，其长度和截面尺寸几乎保持不变。试样沿标距长度的塑性变形始终是均匀发生的，没有缩颈现象出现，能实现大塑性变形量条件下的试验，因此，对于那些塑性好的材料用扭转试验方法可以精确地测定其应力和应变的关系。 高温扭转试验(热扭转试验)可以用来研究金属在热加工条件下的流变性能与断裂性能、评定材料的热压力加工性，并为确定生产条件下的热压力加工工艺(如轧制、锻造、挤压)参数提供依据。 能较敏感地反映出金

14、属表面缺陷及表面硬化层的性能。因此，可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。 扭转时试样中的正应力与切应力在数值上大体相扭转时试样中的正应力与切应力在数值上大体相等。等。 当扭转沿着横截面断裂时为切断，而由最大正应当扭转沿着横截面断裂时为切断，而由最大正应力引起断裂时，断口呈螺旋状与纵轴成力引起断裂时，断口呈螺旋状与纵轴成45。能力知识点能力知识点2金属扭转试验金属扭转试验 对圆形试样施加扭矩T，测量扭矩及其相应的扭角，一般扭至断裂，便可测出金属材料的各项扭转性能指标，如金属的切变模量G、上屈服强度、下屈服强度、规定非比例扭转强度、抗扭强度及最大非比例切应变等。

15、试验按国家标准GB/T101282007金属室温扭转试验方法进行。一、试样 扭转试验主要采用直径d0=10mm、标距长度L0分别为50cmm或100mm，平行长度分别为70mm和120mm的圆柱形试样。 采用其他直径的试样，平行长度为标距加上两倍直径。 由于扭转试验时试样外表面切应力最大，对于试样表面的细微缺陷较为敏感。因此，对试样的表面粗够度要求较拉伸试样为高，规定为Ra0.4m。 圆柱形扭转试样 二、力学性能指标二、力学性能指标 扭矩扭角（扭矩扭角（T- ）曲线曲线 试样在弹性范围内表面的切应力和切应变试样在弹性范围内表面的切应力和切应变为：为： W为试样抗扭截面系数，圆柱试样为：为试样抗

16、扭截面系数，圆柱试样为： WT 002Ld 16/ )(30d 扭矩扭角曲线扭转力学性能指标切变模量切变模量G（在弹性（在弹性范围内，切应力与范围内，切应力与切应变之比）：切应变之比）：扭转屈服点扭转屈服点抗扭强度抗扭强度 （Tm为扭断前承受的最大扭矩为扭断前承受的最大扭矩） WTmm40032dTLGWTeHeHWTeLeL三、试验步骤用游标卡尺测量试样直径，对于圆形试样应据标距两端及中间处两个相互垂直的方向上各测量一次直径。取用三处测得的直径的算术平均值的最小值计算试样的抗扭截面系数W。扭转试验一般在室温1035范围内进行。将试样装入试验机，用粉笔沿试样轴线画一条直线，以便观察试样受扭时的

17、变形。试验时试验机两夹头中之一应能沿轴向自由移动，对试样无附加轴向力，两夹头保持同轴。根据材料性质估算扭转试验所需最大扭矩，选好试验机的扭矩度盘，使最大扭矩指示值在度盘的后半圈内。启动试验机上的电机，对试样进行扭转试验，在试验中，应注意选择扭转速度。低碳钢试样在屈服前，扭转速度在（630）/min范围内，屈服后的扭转速度不大于720/min,且速度的改变应无冲击产生。试样扭断后，立即关机，取下试样，试验结束。记下试验中试样屈服时的扭矩TeH或 TeL和破坏时的最大扭矩Tm，写出试验报告。模块四 金属缺口试样静载荷试验一、问题的提出 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

18、面均匀的光滑试样，但实际生产中的工件，绝大多数都不是截面均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、台阶、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可视为“缺口”。缺口效应缺口效应：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发生变化，产生所谓“缺口效应”，从而影响金属材料的力学性能。一、应力集中 金属缺口效应中最显而易见的是应力集中。由于缺口部分不能承受外力，这一部分外力要由缺口前方的部分材料来承担，因而缺口根部的应力最大，离开缺口根部，应力逐渐减小，一直减小到某一恒定数值，这时缺口的影响便消失了。 应力集中系数应力集中系数:表示缺口引起的应力集中程度。表示缺口

19、引起的应力集中程度。Ktmax 应力集中系数反映了应力集中的程度，是一个大于 1 的系数。 试验表明，在弹 性范围内，Kt的数值与材料性质无关，只决定于缺口几何形状和尺寸。截面尺寸改变愈剧烈，应力集中系数就愈大。因此，零件上应尽量避免带尖角的孔或槽，在阶梯杆截面的突变处要用圆弧过渡。 对给定的缺口形状，可通过公式计算或通过图表查到应力集中系数Kt。能力知识点能力知识点2缺口试样静拉伸试验缺口试样静拉伸试验 缺口试样静拉伸试验分为轴向拉伸和偏斜拉缺口试样静拉伸试验分为轴向拉伸和偏斜拉伸两种，试验的目的是为了比较各种材料对伸两种，试验的目的是为了比较各种材料对缺口敏感的程度。缺口敏感的程度。 缺口

20、试样轴向静拉伸试验广泛用于研究高强度钢(淬火低中温回火)的力学性能、钢和钛的氢脆以及用于研究高温合金的缺口敏感性等。一、试样 缺口拉伸试样二、缺口试样轴向静拉伸试验 缺口试样轴向静拉伸的过程与光滑试样静拉伸试验相同。 金属材料的缺口敏感性指标用缺口试样的抗拉强度RBN与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度Rm的比值表示，称为缺口敏感度，记为NSR(Notch Strength Ratio)：mBNRRNSR NSR越大，缺口敏感性越小。 对于低碳钢那样的塑性材料，一般NSR大于1，在静荷作用下可以不考虑应力集中的影响。而对于组织均匀的脆性材料，如高碳工具钢、高强度材料，NSR一般小于1，应力集中将大大

21、降低构件的强度，其危害是严重的。 对于组织不均匀的脆性材料，如灰铸铁，由于其内部组织中片状石墨的影响，相当于在组织中存在大量的空洞或裂纹，而工件表面截面形状的改变反而不会对构件承载能力造成明显的影响。能力知识点能力知识点3缺口试样静弯试验缺口试样静弯试验缺口静弯试验 光滑试样的静弯试验主要用来评定工具钢光滑试样的静弯试验主要用来评定工具钢或一些脆性材料的力学性能，而缺口试样或一些脆性材料的力学性能，而缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。口敏感度和裂纹敏感度。 缺口静弯曲试验试样如图。也可采用尺寸为l0mm10 mm55 mm、缺

22、口深度为2mm、夹角为60的V型缺口试样。试验时记录弯曲曲线(试验力F与挠度f关系曲线)，直至试样断裂。 试样在Fmax时形成裂纹,在F1时裂纹扩展到临界尺寸随即失稳扩展而断裂。曲线所包围的面积分为弹性区、塑性区和断裂区。各区所占面积分别表示弹性变形功、塑性变形劝和断裂功的大小，在这三部分中断裂功最重要。断裂功的大小取决于材料塑性，塑性好的材料裂纹扩展慢，断裂功增大。 因此可用断裂功或Fmax/ F1的大小来表示裂纹敏感度。Fmax/ F1的比值越大，缺口敏感性越小；反之，缺口敏感性越大。若断裂功为零或Fmax/ F11，表明裂纹扩展极快，金属易产生突然脆性断裂，缺口敏感性最大。模块五 金属硬

23、度试验一、硬度及其意义 1、硬度 表征材料软硬程度的一种性能,随试验方法的不同，物理意义不同。 2、硬度的种类 压入法：布氏硬度、洛氏、维氏、维氏、普氏等。表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。 刻划法：莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。 回跳法：肖氏硬度 表征金属弹性变形功的大小。二、硬度试验 1、布氏硬度 （1）原理 用一定直径D的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力。试样表面留下压痕。力除以压痕球形表面积的商就是布氏硬度。 d压痕直径)(204. 0102. 022dDDDFAFHB （2）种类 布氏硬度试验用压头 直径D有10，5，2.

24、5，2，1mm五种。 F/D2的比值有七种。 （3）布氏硬度的优缺点 优点：能较大范围的反映材料的平均性能。试验数据稳定，重复性好，应用广泛。 缺点：属有损检测；不能连续检测。 为保证数据可靠，需根据材料的种类和试样的厚薄更换压头。d=0.240.6D 2、洛氏硬度 （1）原理 以压头留下的压痕深度来表示材料的硬度值。 压痕深度h越大，硬度值越低。规定： 不同的压头，k值不同；金刚石k=0.2；钢球k=0.26 锥头又分成=120o的圆锥或四面锥。 （2）种类 HRA、HRB、HRC 最常用，改变压力和压头，可适用于不同的测试范围。 表面洛氏 HR15N，HR30N， HR45N，HR15T用来测定极薄试样及渗氮层的硬度。002. 0hkHR 3、维氏硬度 =136o的金刚石四棱锥体 取=136o 与布氏