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1、材料力学性能 第二章本讲稿第一页，共二十一页2.1 应力状态软性系数2.3 弯曲2.5 缺口试验静载荷试验2.2 压缩2.4 扭转2.6 硬度本讲稿第二页，共二十一页2.1 应力状态软性系数 塑性变形和断裂是金属材料在静载荷下失效的主要形式，它们是金属所承受的应力达到其相应的强度极限而产生的。与 的比值表示它们的相对大小，称为应力状态软 性系数，记为 。对于金属材料，取0.25，则 值为 （21）值越大的试验方法，表示应力状态越“软”，金属越易于 产生塑性变形和韧性断裂。值越小的试验方法，应力状态越“硬”，金属越不易产生 塑性变形而易于产生脆性断裂。本讲稿第三页，共二十一页2.2 压缩 一.压
2、缩试验的特点 二.压缩试验 通过压缩试验主要测定脆性材料的抗压强度 。如果在试验时金属材料产生明显屈服现象，还可测定压缩屈服点 。试样压至破坏过程中的最大应力称为抗压强度。本讲稿第四页，共二十一页一、压缩试验的特点 1.单向压缩试验的应力状态软性系数 2，主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定(图2-1)。2.拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会断裂(图2-2)。本讲稿第五页，共二十一页二.压缩试验本讲稿第六页，共二十一页2.3 弯曲 一.弯曲试验的特点 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。但由于杆件截面上的应力分布不均匀，表面
3、最大，中心为零，且应力方向发生变化，因此，金属在弯曲加截下所表现的力学行为与单纯拉应力或压应力作用下的不完全相同。弯曲试验与拉伸试验相比还有以下特点:弯曲试验的试样形状简单、操作方便，常用于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。弯曲试验时，试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷。因此，常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。本讲稿第七页，共二十一页 二.弯曲试验 弯曲试验时，将圆柱形或矩形试样放置在一定跨距 的支座上，进行三点弯曲(图2-4a)或四点弯曲(图2-4b)加载，通过记录弯曲力 F 和试样挠度 之间的关系曲线，确定
4、金属在弯曲力作用下的力学性能。本讲稿第八页，共二十一页2.4 扭 转 一、扭转试验的特点 当圆柱试样承受扭矩T进行扭转时，试样表面的应力状态如图2-6a。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2-6b)。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形而有所降低，不再呈线性分布(图2-6c)。本讲稿第九页，共二十一页 一.扭转试验的特点 根据图26中应力状态和应力分布，可以看出扭转试验具有如下特点:(1)扭转的应力状态软性系数 =0.8，比拉伸时的大，易于显示金属的塑性行为。(2)圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象
5、,所以能实现大塑性变形量下的试验。(3)能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。(4)扭转试验是测定生产上所使用的大部分金属材料切断强度最可靠的方法。本讲稿第十页，共二十一页二.扭转试验 扭转试验主要采用直径 10mm、标矩长度 分别为50mm或100mm的圆柱形试样。试验时，对试样施加扭矩 ，随扭矩增加，试样标距 间的两个横截面不断产生相对转动，其相对扭角以 (单位为rad)表示。金属扭转时的扭矩-扭角()曲线(扭转曲线)如图2-8所示。本讲稿第十一页，共二十一页2.5 缺口试样静载荷试验 一、缺口效应 二、缺口试样静拉伸试验 三、缺口试样静弯曲试验本讲稿第十二页，共二十一页 一、缺
6、口效应 实际生产中的机件，往往存在截面的急剧变化，这种截面变化的部位可视为“缺口”。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。1.缺口试样在弹性状态下的应力分布 当板材处于弹性范围内时，其缺口截面上的应力分布如图2-10所示。缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，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。2.缺口试样在塑性状态下的应力分布 缺口使塑性材料强度增高，塑性降低，这是缺口的第二个效应。本讲稿第十三页，共二十一页二、缺口试样静拉伸试验 缺口试样静拉伸试验分为轴
7、向拉伸和偏斜拉伸两种。缺口拉伸试样的形状及尺寸如图2-13所示。本讲稿第十四页，共二十一页 三、缺口试样静弯曲试验 缺口静弯曲试验也可显示材料的缺口敏感性，由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的应力应变分布的不均匀性较缺口拉伸时更甚，但应力应变的多向性则减少。缺口静弯曲试验可采用图2-16所示的试样及装置。本讲稿第十五页，共二十一页2.6 硬 度 一、金属硬度的意义及硬度试验的特点 硬度试验的方法很多，大体上可分为弹性回跳法(如肖氏硬度)、压入法(如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等)和划痕法(如莫氏硬度)等三类。硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。硬度试验被广泛用于检查金属材
8、料的性能、热加工工艺的质量或研究金属组织结构的变化。二、硬度试验本讲稿第十六页，共二十一页二、硬度试验 （一）（一）布氏硬度试验 （二）（二）洛氏硬度试验 （三）（三）维氏硬度试验 （四）（四）其它硬度试验方法 1.努氏硬度试验 2.肖氏硬度试验 本讲稿第十七页，共二十一页 （一）（一）布氏硬度试验 布氏硬度试验的原理是用一定直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F(N)，将其压人试样表面(图2-18a)，经规定保持时间t(s)后卸除试验力，试样表面将残留压痕(图2-18b)。本讲稿第十八页，共二十一页（二）洛氏硬度试验（二）洛氏硬度试验 洛氏硬度试验以测量压痕深度表示材料的
9、硬度值。洛氏硬度试验所用的压头有两种：一种是圆锥角 120的金刚石圆锥体；另一种是一定直径的小淬火钢球。图2-20为用金刚石圆锥体测定硬度过程示意图。本讲稿第十九页，共二十一页（三）维氏硬度试验（三）维氏硬度试验 维氏硬度的试验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来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体，而是两对面夹角 为136的金金刚石四棱锥体，如图2-21所示。本讲稿第二十页，共二十一页思考题与习题思考题与习题 1解释下列名词：(1)应力状态软性系数；(2)缺口效应；(3)缺口敏感度；(4)布氏硬度；(5)洛氏硬度；(6)维氏硬度；(7)努氏硬度；(8)肖氏硬度；(9)里氏硬度。2试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特点和应用范围。3试述脆性材料弯曲试验的特点及其应用。4缺口试样拉伸时应力分布有何特点?5试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点。本讲稿第二十一页，共二十一页