材料力学性能第二章 材料在其他静载下的力学性能2a

1、第三节缺口试样静载力学性能一、缺口处的应力分布特点及缺口效应键槽、油孔 、台阶、螺纹缺口改变了应力状态，如：应力集中；由应力集中导致应变集中；形成双向或三向应力状态，导致缺口附近屈服强度提高，塑性变形困难，使材料脆化 ；缺口附近的应变速率增高 。统称为缺口效应，导致力学性能的改变。12第三节缺口试样静载力学性能外 ynxz0XZ无缺口时，整个截面上应力均匀分布。应力集中和应变集中现象1 弹性状态下的应力分布1）薄 板Y第三节缺口试样静载力学性能有缺口时，缺口处不能承受外力，这部分外力由近缺口处材料来承担，因而缺口根部应力最大，离开缺口根部应力逐渐减小，一直到某一恒定值。（如图所示）3第三节缺口

2、试样静载力学性能这用由于缺口造成的局部应力增大的现象称为应力max为缺口根部缺口根部的最大应力,n为净截面上的名义应力。在弹性范围内，Kt的数值决定于缺口的几何形状与尺寸。对给定的缺口形状，可通过公式计算或有图表可查。机械工程手册4 max n集中。应力集中系数： K t =对椭圆形缺口的薄板，K12a/b,ab为椭圆的长短轴。5第三节缺口试样静载力学性能薄板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布图 x 是怎样产生的？第三节缺口试样静载力学性能 y会引起纵向伸长，必然引起横向收缩。由于缺口使 y随x发生变化，从大到小到恒定，引起的纵向伸长也由大到小，如果从缺口根部把薄板分成许多微元，微元的纵向伸长沿x

3、方向由大到小，这种变形不均匀使微元之间存在相互制约在x方向产生内应力 x。67第三节缺口试样静载力学性能由于板很薄，z向收缩变形不受限制，薄板的这种受力状态称为平面应力状态：= 0z z = 0 y 0 x 0在x=0处的微元可自由伸长， x = 0；在远离缺口处 y 恒定， x也为0， x必有一极大值，在变形梯度较大的缺口附近处。所以缺口薄板受拉伸时，产生了双向应力。第三节缺口试样静载力学性能2）厚板 (板的厚度相对于缺口或裂纹深度足够大)由于板很厚，在厚度方向上的变形受到约束 ，产) 0yz+ z 0。= ( xz生 ， x 0 y 0因为 z = 0，根据胡克定律 z的大小在 x 与 y

4、 之间。厚板的这种受力状态称为平面应变状态。8第三节缺口试样静载力学性能(a)沿x方向的应力分布 (b)沿z方向的应力分布厚板缺口拉伸时，弹性状态下的应力分布图9第三节缺口试样静载力学性能2 塑性状态下的应力分布当缺口根部发生塑性变形后， z ， y， x的最大值都不在根部，而是移动到弹塑性变形的交界处。（如图所示）缺口根部发生塑性变形的应力分布图（平面应变）10第三节缺口试样静载力学性能根据屈雷斯加判据，是三向应力状态。x缺口根部 = 0 ， y = s ，是两向应力状态；sxy+ = 结果使材料塑性变形变得困难，材料脆化。对塑性好的材料，缺口使材料的屈服强度或抗拉强度升高，但塑性降低，这种

5、现象称之为“缺口强化”。11缺口内侧 x 0第三节缺口试样静载力学性能缺口处应变速率提高现象试验机夹头速率：v = dl/dt试样应变速率： = d/dt，d = dl/l = d/dt = dl/l/dt = dl/dt1/l = v/l如果光滑试样的工作长度l为100mm，缺口附近的工作长度l=1mm，缺口附近的应变速率提高了两个数量级。12第三节缺口试样静载力学性能缺口带来的危害（缺口效应）：应力集中；应变集中；应变速率提高；引起两向或三向应力状态，使塑变困难，材料脆化。13第三节缺口试样静载力学性能二、缺口试样的静拉伸和静弯曲性能1 缺口试样的静拉伸与光滑试样拉伸时比较，缺口引起了加载

6、的变化-缺口效应不同材料缺口效应不同，为了比较各种材料的缺口敏感程度，常进行缺口静拉伸试验。缺口静拉伸试验的目的，常用于评定高强度螺栓等零件的性能。1415第三节缺口试样静载力学性能图中(a)、(b)分别表示用于缺口静拉伸试验的圆形截面试样和矩形截面试样。(c)表示代表缺口形状的3个主要参数：为缺口深度，为缺口角，为缺口曲率半径。1617第三节缺口试样静载力学性能试验过程：材料在进行缺口拉伸试验时，断裂情况有三种：（1）材料在制成缺口试样进行拉伸时，缺口根部只有弹性变形而失去了塑性变形能力，这时缺口截面上的应力分布如图中的曲线1所示。缺口试样变形时应力分布情况图第三节缺口试样静载力学性能脆断，

7、 断口为放射状，拉伸曲线为直线；断口形貌如图(a)所示。18第三节缺口试样静载力学性能(2)在缺口根部可发生少量塑性变形，这时最大轴向应力max已不在缺口顶端的表面处，而是位于塑性变形区和弹性区的交界处，如图的曲线2、3所示。缺口试样变形时应力分布情况图1920第三节缺口试样静载力学性能根部有微小塑性区，然后断裂，断口在缺口根部有一圈塑性断口，中部为放射状，拉伸曲线由直线开始改变，斜率微小下降；断口形貌如图 (b)所示。第三节缺口试样静载力学性能缺口试样变形时应力分布情况图21(3)如果材料的断裂抗力远高于屈服强度，则随着载荷的增加。塑性区可以不断向试样中心扩展，位于弹塑性交界处的最大轴向应力

8、max也相应地不断向中心移动，如塑性变形能扩展到试样中心，即出现沿缺口截面的全面屈服。此时max出现在试样中心位置，如右图中曲线6所示。第三节缺口试样静载力学性能断口为全部塑性特征，拉伸曲线上出现曲线部分。断口形貌如图 (c)所示。此时，bnb2223第三节缺口试样静载力学性能第三节缺口试样静载力学性能用缺口强度比NSR（缺口拉伸强度比光滑试样静拉伸强度）作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标。 NSR与缺口敏感性成反比：bnbNSR =qe =比值越大，缺口敏感性越小。24第三节缺口试样静载力学性能材料缺口敏感度影响因素材料缺口敏感性除与材料本身性能、应力状态(加载方式)有关外，还与缺口形状、尺寸、

9、试验温度有关。25第三节缺口试样静载力学性能缺口拉伸试样的标准缺口张角450600；缺口根部截面直径10mmdn20mm；缺口根部曲率半径 0.1mm；（d02-dn2)/d0250%26第三节缺口试样静载力学性能2 缺口试样的偏斜拉伸无偏斜的缺口拉伸试验，往往显示不出组织与合金元素的影响。缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对比不同材料或不同工艺所表现出的性能差异。2728第三节缺口试样静载力学性能第三节缺口试样静载力学性能3 缺口试样静弯曲光滑试样的静弯曲试验的目的：评定工具钢或脆性材料（陶瓷等）的力学性能。缺口静弯曲试验的目的：评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏

10、感度。试样尺寸：10660mm或者101055mm，缺口深度为2mm，夹角为60o的V型或U型缺口。29第三节缺口试样静载力学性能静弯试验请看动画演示。30第三节缺口试样静载力学性能试验结果：缺口静弯曲线Pf曲线图材料1材料2材料3材料1在曲线上升部分断裂，残余挠度很小，表示对缺口敏感；材料2在曲线下降部分断裂，残余挠度较大，表示缺口敏感度低；材料3弯曲不断，材料对缺口不敏感。31第三节缺口试样静载力学性能缺口静弯曲线与静拉伸曲线相似，也分为三个阶段：I 弹性变形部分，弹性功II 塑性变形部分，塑性功III断裂部分，断裂功III代表当裂纹产生后，材料阻碍裂纹继续扩展的能力，通常以Pmax/P的

11、大小来表示裂纹敏感度。32第三节缺口试样静载力学性能曲线只有 I 表示材料对缺口极为敏感（脆化）；曲线只有III表示材料对缺口敏感；曲线有IIIIII表示材料对缺口不敏感，III区越大，缺口敏感性越小。（定性分析）（定量分析用材料的断裂韧性）33第 四 节硬度一、硬度试验的意义硬度的概念：硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能，物理意义是材料在表面上的不大的体积内抵抗变形（压入法）或者破裂（刻划法）的能力。34肖氏硬度法第 四 节硬度试验方法压入法刻划法里氏硬度法超声波硬度法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度和显微硬度35动载压入法静载压入法莫氏硬度顺序法锉刀法第 四 节硬度压入法硬度试验的特点：1) 应

12、力状态软性系数大 2，适用于所有的材料。2) 试验（设备）简单（操作方便）易行，广泛应用于生产（检验产品质量）和材料研究。3) 压痕小，不损坏工件，属于无损（微损）检测。4) 与其他性能有关系，可估算其他性能。所得到的硬度值的大小实质上是表示金属表面抵抗外物压入所引起的塑性变形的抗力大小。36第 四 节硬度二、硬度试验的方法1 布氏硬度 (Brinell Hardness)（1）布氏硬度试验原理该法始于1900年，是应用得最久、最广泛的压入法硬度试验之一。原 理：在直径D的钢球上，加一负荷F，压入被测材料的表面，根据压痕的凹陷面积S凹计算出应力值，以此值作为硬度值大小的计量指标。37(第 四

13、节硬度布氏硬度值的符号：HBS （淬火钢球压头）HBW（硬质合金压头）布氏硬度值计算公式：只要测量了d，查表即可得HB。单位kgf/mm2（或MPa，上式右端0.102）38)HB =2FD D D2 d 2FS凹39第 四 节硬度（2）布氏硬度试验规程布氏硬度试验原理很简单，但实施时必须考虑几个实际问题：选择什么材料的压头，直径大小如何？所加载荷多大才能得到较合适的压痕？（0.24Dd0.60D）（考虑材料厚度、保持时间）采用不同载荷F、D能否得到相同的硬度值？第 四 节硬度根据压痕相似原理，为了保证不同载荷F、D能得到相同的硬度值，应使F/D2 保持常试样的厚度应大于压痕深度的10倍。40

14、数。HB =F 2D2 (1 1sin2/2)压痕相似原理41布氏硬度试验时要求试样最小厚度不应小于压痕深度的10倍，试推导出试样最小厚度的公式。若某棒料的布氏硬度值为280HBS10/3000, ，问试验用棒料的允许最小厚度是多少？D D d 假设试样的厚度和压痕的深度分别为t和h，压头直径为D，压痕直径为d根据布氏硬度原理有1 2 2 2 h =要满足试样的最小厚度为压痕深度的10倍，故有 42tmin =10h = 5 D D2 d 243 = 3.4mm由题意知，该材料采用10mm直径的淬火钢球，加3000kgf保持1015s时测得的布氏硬度为280，根据布氏硬度原理有2 2 2F 2

15、3000DHB 10280故材料布氏硬度范围2F/D材料布氏硬度范围2F/D钢和铸铁14010轻金属及合金351.25,2.51403035805,10,15铜及铜合金8010,153513010铅、锡1,1.2513030第 四 节硬度下表列出了不同材料F与D的选配原则，可使压入角限制在28o74o，与此相应的d值在0.240.60D 范围内。44布氏硬度的表示方法：数字硬度符号(HBS Or HBW)数字/数字/数字第 四 节硬度硬度值钢球直径载荷大小 载荷保持时间280HBS10/3000/30550HBW5/750/10保持时间为1015s时可不标注45第 四 节硬度试验规程及步骤：1

16、) 所测材料的成分及组织确定；2) 厚度测定；3) 选载荷、钢球直径、加载时间；4) 测量硬度，打压痕，测d值；5) 查表得HB，或者直接从表盘或显示屏得出HB值。GB/T231-1984和GB/T6270-8646第 四 节硬度（3）布氏硬度试验特点及应用优点：压痕大，可反映材料较大区域内的平均性能，而且试验数据稳定，重复性好。最适合测定灰铸铁、轴承合金等材料的硬度。缺点：压痕大，不易检验成品；不同材料需更换F和D；压痕直径测量麻烦；钢球本身变形问题。4748第 四 节硬度布氏硬度计第 四 节硬度2 洛氏硬度(Rockwell hardness)洛氏硬度试验原理：克服布氏硬度存在的缺点，直接

17、用压痕深度大小表示硬度。（1919年）原理：根据压痕的深度作为硬度值大小的计量指标，0.002mm为一个硬度单位。洛氏硬度值的符号：HRA、HRC（金刚石圆锥压头60kgf, 150kgf），HRB（钢球压头100kgf）49第 四 节硬度洛氏硬度试验过程示意图a)加初始试验力F0 b)加主试验力F1c)卸除主试验力50第 四 节硬度洛氏硬度值计算公式：金刚石压头k0.2，钢球k0.26。k的意义：使读数和硬度值成正比。51k h0.002HR =第 四 节硬度规定有效范围：HRA（2088）、HRC（2070），HRB（20100）避免h太大或太小造成硬度值不准确。各种洛氏硬度和表面洛氏硬度

18、的试验规范和应用见表2-3和2-4。表面洛氏硬度的预载荷为30N，总载荷为150N、300N和450N，以0.001mm为一个硬度单位。52第 四 节硬度1) 根据所测材料的成分及组织确定压头和负荷，一般为HRC；2) 为保证压头与试样表面接触良好，首先加一预负荷10kgf，定位，并调零；3) 加主载荷140kgf，压头压入深度h1；4) 静置，卸载，压头弹性变形恢复h2，残留变形为hh1h2；5) 直接从表盘或显示屏得出HRC值。53试验规程及步骤：GB/T230-91第 四 节硬度洛氏硬度试验特点及应用优点： 1、压痕小，易检验成品，操作简便迅速，可测定软硬不同和厚薄不均的材料硬度。2、因

19、加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。缺点： 1、压痕小，对材料组织的不均匀性很敏感，试验数据分散，重复性差。2、用不同标尺测得的硬度值不能直接进行比较，又不能彼此互换。5455第 四 节硬度56第 四 节硬度维氏硬度的特点：1）压头为四方角锥，锥角136，由于压入角不随负荷变化，因此负荷可任意选择，不受F/D2的限制（比HB的优越性）。2）原理与HB相同，通过测量压痕对角线计算压痕表面积。同种材料在不同载荷下满足显示相似原理，所得硬度值能完全相等。3 维氏硬度 (Vickers hardness)1925年第 四 节硬度为什么四方角锥要选取136 为了所测数据与HB值能得到最

20、好的配合。因为一般布氏硬度试验时，压痕直径d多半在0.25D0.25D+0.5D2过此压痕直径作钢球的切线，切线的夹角正好等于136，如图所示。57第 四 节硬度维氏硬度四方角锥压头锥面夹角的确定58第 四 节硬度3）压痕为正方形，轮廓清晰，测得的对角线误差小（比HB测量方便精确）4）采用了金刚石压头，适合于任何材料，硬度值完全统一（比HR优越性），负荷可任意选择，尽量使压痕大一些，易测量，误差小。5）唯一的缺点，硬度值需要通过测量对角线后才能得出（查表）生产效率不如HRC高。591360HV = =1.854F /d213601360HV = 0.102第 四 节硬2FsindHV =2 2

21、 =1.854F /d2度当载荷单位为kgf，2Fsin2d2选择的载荷应保证试验层厚度大于1.5d60当载荷单位为N，2F sin2d 2= 0.189F /d 2第 四 节硬度试验规程及步骤：GB/T4340.1-19991) 所测材料的成分及组织确定；2) 厚度测定；3) 选载荷、加载时间；4) 测量硬度，打压痕，测d1和d2值；5) 查表得HV。表示式：数字HV数字(载荷)/数字(载荷持续时间)如：640HV30/206162第 四 节硬度第 四 节硬度5 显微硬度：载荷2N（1）试验原理同维氏硬度，压头有两种维氏压头努氏压头（菱形金刚石锥体）长短对角线之比7.11:1，深长比1:30试样尺寸很小或很薄、陶瓷等脆（2）测量对象 性材料各种显微组织63第 四 节硬度显微维氏硬度，载荷以gf计量，压痕对角线长度以m计量。2Fsin2d2国标GB43428464第 四 节硬度（显微）维氏硬度压痕65第 四 节硬度（3）努氏（Knoop）压头硬度试验的优点：测量点紧凑，压痕体积小，能测出硬度微小变化区域；也可测薄层硬度。在相同的对角线长度下，努氏压痕的深度与面积只有维氏压痕的1566第 四 节硬度F F FA