1、1第二章 金屬在其他靜載荷下的力學性能2.1 應力狀態軟性系數2.2 壓縮2.3 彎曲2.4 扭轉2.5 硬度2.6 帶缺口試樣靜載荷試驗2 本章內容： 壓縮、彎曲、扭轉、硬度和帶缺口試樣力學性能。 原因：零部件在服役中因為承受著不同類型的外應力；造成零件內部存在著不同的應力狀態。2.1 應力狀態軟性系數 材料的塑性或脆性并不是絕對的。 為表示外應力狀態對材料塑性變形的影響，特引入應力狀態軟性系數 的概念，以方便選擇檢測方法。 例如,鑄鐵：壓縮時 呈現一定的韌性； 拉伸時 表現出脆性。3 1、應力狀態軟性系數 （定義）：最大切應力與最大正應力的比值式中 最大切應力max按第三強度理論計算，即

2、max= (1-3) /2 1，3分別為最大和最小主應力。 最大正應力 max 按第二強度理論計算，即, 泊松比。）（32131maxmax22)(321max4 單向拉伸 = 1 / 2 扭 轉 = 1 /（1+） 0.8 單向壓縮 = 1 /（2） 2 應力狀態系數的技術意義表示了材料塑性變形的難易程度 越大，表示該應力狀態下切應力分量越大，材料就越易塑變。我們把 值較大的稱做軟的應力狀態、較小的稱做硬的應力狀態。討論討論：如單向靜拉伸，應力狀態較硬，適于塑變抗力與切斷強度較低的所謂塑性材料試驗；而正斷強度較低的所謂脆性材料（淬低回的高碳鋼、灰鑄鐵及某些鑄造合金）在此種加載方式下會產生脆性

3、正斷，顯示不出它們在韌性狀態下所表現出的力學行為。反之，對于塑性較好的金屬材料，則采用三向不等拉伸，使之在更“硬”的應力狀態下顯示其脆性傾向。5 2、力學狀態圖 力學狀態圖（涉及第二強度理論和第三強度理論的應用） 縱坐標為按第三強度理論計算最大切應力max ， 橫坐標為按第二強度理論計算最大正應力 max。 自原點作出不同斜率的直線，這些直線可代表不同的應力狀態軟性系數，其位置反映了應力狀態對斷裂的影響。62.2 壓縮2.2.1 特點 應力狀態系數 = 2，即應力狀態“軟”， 此時材料易產生塑性變形。 軟鋼 易壓縮成腰鼓狀、扁餅狀。鑄鐵 拉伸時斷口為正斷；壓縮時則沿45o方向切斷。意義：對塑性

4、變形能力小的材料，或者使用工況為壓縮狀態的材料，在靜拉伸外，還應采用壓縮實驗來評定其性能。72.2.2 壓縮實驗 曲線與拉伸曲線的形式相同， (左) 1拉伸力與伸長曲線， (右) 1脆性材料 2壓縮力與變形曲線； 2塑性材料壓縮測試指標：抗壓強度抗壓強度 bcbc、壓縮、壓縮 0.010.01、壓縮、壓縮 0.20.2或壓縮或壓縮 S S 、壓縮、壓縮E E、壓縮斷面收縮率壓縮斷面收縮率 bcbc 等8 為減小試樣在壓縮過程呈腰鼓狀的趨勢，試樣的兩端需加工成具有角度的凹園錐面凹園錐面，以便使試樣能均勻變形。P9 2.3 彎曲2.3.1 特點 常用于測定低塑性、脆性材料的力學性能。 分析： （1

5、）正應力 試樣上表面為壓應力，下表面為拉應力； （2）表面應力最大，中心線區域為零；（3）加力點處的作用力最大；（4）對試樣的要求比拉伸時寬松。 如鑄鐵、工具鋼、表面滲碳鋼鑄鐵、工具鋼、表面滲碳鋼, , 硬質合金、陶瓷等，常硬質合金、陶瓷等，常采用彎曲試驗評定其力學性能采用彎曲試驗評定其力學性能。102.3.2 彎曲試驗（1）抗彎強度bbM為最大彎矩，W為抗彎截面系數。 還可測定彎曲彈性模量、斷裂撓度fbb、斷裂能量U（彎曲力撓度 曲線下所包圍的面積，See圖2-5，P42） 11 三點彎曲(前頁左圖) 彎矩 M = PL/4 直徑為d的圓形試樣,抗彎截面系數 W=（d3）/32 對于寬度為b

6、，高為h的矩形試樣，抗彎截面系數 W=bh2/6 ； 四點彎曲(前頁右圖) 彎矩M = PL/2 （2）斷裂撓度f試樣斷裂之前被壓下的最大距離。 通過記錄彎曲力F和試樣撓度f之間的關系，求出斷裂時的抗彎強度bb和最大撓度fbb，以表示材料彎曲時的強度和塑性。 例如，灰鐵的抗彎性能優于其抗拉性能 （bb 280650MPa，b= 150-350MPa）； 而球鐵和可鍛鑄鐵的bb比灰鐵又大的多 （例如珠光體球鐵bb 7001200MPa，是灰鑄鐵的1.61.9倍） 韌性材料一般不作彎曲強度檢測。PP122.4 扭轉2.4.1 實驗特點1、特點（1）能測拉伸時呈脆性的材料的塑性性能（2）沿長度方向，

7、宏觀上塑變始終均勻 （3）能敏感反映材料表面的性能（4）斷口的特征最明顯 參見右圖 (a)切斷（有回旋狀塑變痕跡） (b)正斷(螺旋狀) (c)木紋狀斷口（縱向剝層或裂紋）分別對應 (a）塑性材料 （b）脆性材料 （c）材料內存在較多非金屬夾雜或偏析，并在軋制中沿軸向分布。應用：應用： 可根據斷口宏觀特征來判斷可根據斷口宏觀特征來判斷承受扭矩而斷裂的機件的性能承受扭矩而斷裂的機件的性能。13 2.應力狀態（ 值比拉伸時大，容易顯示金屬的塑性行為） 縱向 受力均勻； 橫向 表面最大，心部為0； 最大正應力與最大切應力比值近于1。如下圖： a）T-扭矩，-相對扭角、(與試樣軸線呈45的斜截面上)1

8、 -最大正應力、 3 -最小正應力； (與試樣軸線平行和垂直的截面上) -最大切應力； b）彈變，應力 vs 應變是線性的； C）表層產生塑性變形后，切應變的分布仍保持線性關系，但切應力則因塑性變形而有所降低，不再呈線性分布。扭轉可測試：切變模量G、扭轉屈服點 s、抗扭強度b。P142.4.2 扭轉試驗 性能指標 切應力 = T/W T扭矩， W抗扭截面系數,圓柱試樣的W為 切應變 （-扭角,rad)切變模量 T-扭矩增量，-扭角增量 扭轉屈服點：S 抗扭強度：b例如，用于表面強化層抗扭強度的測試與評定40032/dTLG002Ld16/ )(30d152.5 硬度2.5.1 硬度及其意義 1

9、、硬度 表征材料軟硬程度的一種性能。 隨試驗方法的不同，其物理意義不同。 2、硬度的種類(根據試驗方法劃分) 壓入法：布氏HB、洛氏HR、維氏HV、努氏HK等。壓入法硬度（的實質） 表征材料（局部區域）的塑性變形抗力及應變硬化能力。其應力狀態軟性系數最大（2），幾乎令所有的材料都能產生塑變。 刻劃法：莫氏硬度（Mohn），表征材料對切斷的抗力。 回跳法：肖氏硬度HS，表征金屬彈性變形功的大小。 同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一材料進行標定。（都列入有關技術數據表中，可查閱手冊文獻）162.5.2 硬度試驗1、布氏硬度（1）原理 用一定直徑D的鋼球或硬質合金球為壓頭，施以一定的

10、試驗力F，將其壓入試樣表面，經規定保持時間后，卸除試驗力。試樣表面留下壓痕。 力除以壓痕球形表面積的商的商就是布氏硬度。 d - 壓痕直徑 0.102F/D2 (N/mm2) 的常用比值規范有30、10和2.5。以得到相同規范情況下的幾何相似的壓痕。)(204. 0102. 022dDDDFAFHB 17 （2）種類 布氏硬度試驗用壓頭直徑壓頭直徑DD (10，5，2.5，2，1mm)。 淬火鋼球壓頭-HBS（適用450HB以下）； 硬質合金壓頭-HBW（適用450HB650HB）。(3)布氏硬度的優缺點 優：能在較大范圍內反映材料的平均性能。試驗數據穩定，重復性好，應用廣泛。缺：屬有損檢測；

11、不能連續檢測。 為保證數據可靠，需根據材料的種類和試樣的厚薄更換壓頭。壓痕直徑 d = 0.240.6D，18 2、洛氏硬度 （1）測試原理測試原理以壓頭留下的壓痕深度來表示材料的硬度值。以壓頭留下的壓痕深度來表示材料的硬度值。 壓痕深度h越大，硬度值越低。 規定： 壓頭不同，k值不同；金剛石k=0.2；鋼球k=0.26 錐頭又分成=120o的金剛石圓錐（HRC、HRA） 或一定直徑的淬火鋼球(HRB)。 （2）種類（See P52 表2-3、P53 表2-4） HRA、HRB、HRC 最常用，變換壓力和壓頭，可適于不同的測試范圍。 表面洛氏（小負荷）：HR15N、HR30N、HR45N（金剛

12、石圓錐），HR15T（淬火鋼球）等用來測定極薄試樣及滲氮層的硬度。特點：操作簡便、迅速，硬度值（HRC、HRA）可直接讀出，壓痕較小。不足：測試數據有一定分散性，不同標尺下測得的硬度值之間沒有聯系，不能直接比較。002. 0hkHR 19 3、維氏硬度 = 136o 的金剛石正四棱錐體取=136o 與布氏硬度的計算方法相同。維氏硬度可分為宏觀和顯微觀兩種宏觀HV：F=49.03980.7N F=1.96129.42N 小載荷顯微Hm：F = 98.0710-30.9807N 通過測量對角線長度d計算出HV。采用正四棱錐體壓頭， 是為了當改變試驗力時，壓痕的幾何形狀總保持相似。優點：形成了統一標

13、度，測試精度較高，不同材料硬度測試值之間可以比較；不足：測試效率低。221891. 0)2/136sin(204. 0102. 0dFdFAFHVo 204、努氏硬度（也屬顯微硬度）采用四棱錐，對面夾角分別為172o30和130o。 力F除以壓痕投影面積之商。它的壓痕細長，比四等角錐測量值精確。 試樣的表面不一定是很平整，而且組織不均勻，尤其是回旋體的表面。F為試驗力，可在0.490319.61N內選取。22451. 123.14102. 0lFlFHK215、肖氏硬度HS 一種動載荷試驗法。一種動載荷試驗法。將一定質量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘，從一定高度落于金屬試樣表面，根據重錘回跳的高

14、度來表征金屬硬度值的大小。 也稱為回跳硬度。 原理：重鍾從一定高度落下，使材料產生彈性變形和塑性變形。塑性變形功被試樣吸收；彈性變形功使重錘回跳一定的高度。 材料的屈服強度越高，彈性變形功越大，則金屬越硬。 優點：方便；可在現場測大型工件的硬度；注意：不同的硬度值，在彈性模量相同時才可進行比較。 不足：精度和準確度較差。 此外還有里氏硬度HL，也是動載荷測試法（用碳化鎢球沖頭的回彈速度來表征金屬的硬度大小值）22232.6 帶缺口試樣靜載荷試驗2.6.1 問題的提出 材料內部存在裂紋，或體積較大的缺陷。 零件上有螺紋、鍵槽、油孔、退刀槽，焊縫等溝槽。缺口產生應力集中 引起三向拉應力狀態，使材料

15、脆化； 由應力集中產生應變集中； 使缺口附近的應變速率增高。 標準方式的測試結果，已不能滿足實際需要。242.6.2 缺口效應1、理論應力集中系數 Kt = max/ Kt值與材料性質無關，只取決于缺口的幾何形狀。2、拉伸時，缺口試樣上的應力分布（1）彈性狀態下25 側面帶有缺口的薄板和厚板受拉伸時的應力分布(a)薄板缺口下的彈性應力(平面應力)缺口根部為單向拉應力狀態y，內部為兩向拉應力狀態， z等于0 。(b)厚板缺口下的彈性應力(平面應變)彈變時，缺口根部為兩向拉應力狀態，內部為三向拉應力狀態。(c) 平面應變時的應力分布 在材料內部，沿厚度方向， z不等于0。(d)平面應變時,局部屈服

16、后的應力分布26 （2）塑性狀態下 塑性較好的材料，若根部產生塑性變形，應力將重新分布，并隨載荷的增大，塑性區逐漸擴大，直至整個截面。 應力最大處則轉移到離缺口根部ry距離處，該處y，x，z均為最大值。 隨塑性變形逐步向試樣內部轉移，各應力峰值越來越大。試樣中心區的y最大。出現“缺口強化”（三向拉應力約束了塑性變形） 塑性降低，影響材料的安全使用。27三、缺口試樣靜拉伸試驗1、方法 缺口試樣，有軸向拉伸軸向拉伸和偏斜拉伸偏斜拉伸兩種。 通常用缺口敏感度 NSR (Notch Sensitivity Ratio) 衡量靜拉伸下缺口敏感度指標： NSR=bn/bbn為缺口試樣的抗拉強度，b為等截面

17、光滑試樣的抗拉強度。 NSR越大，表示缺口敏感度越小. 脆性材料(如鑄鐵、高碳鋼），NSR1，這些材料對缺口很敏感。 高強度材料的NSR一般也小于1。 塑性材料的NSR一般大于1。 利用缺口拉伸試驗，還能查明光滑拉伸試樣不能顯示的力學行為（高強度鋼的淬火低溫回中火、鋼和鈦的氫脆，高溫合金的缺口敏感性等）。 NSR是反映安全性的力學性能指標。偏斜拉伸，=4o和8o，試樣承受拉伸和彎曲。28 2、斷口 由于缺口的存在，裂紋源一般在缺口處，然后向內部擴展，一般不存在剪切唇。 偏斜拉伸試樣 初始階段可能呈纖維狀；第二階段則可能呈放射狀；當初始階段與第二階段相交截時，便形成最終斷裂區。29四、缺口試樣靜彎曲試驗 缺口試樣的靜彎試驗則用來評定或比較結構鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度 由于缺口和彎曲所引起的應力不均勻性疊加，使試樣缺口彎曲的應力應變分