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1、金属在其他静载荷下的力学性能本讲稿第一页，共四十八页1 1引言引言主要指：主要指：压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样压缩、弯曲、扭转、硬度和带缺口试样力学性能。力学性能。原因：原因：零部件在使用过程中将承受不同类型的外应力；零件零部件在使用过程中将承受不同类型的外应力；零件内部存在不同的应力状态。内部存在不同的应力状态。本讲稿第二页，共四十八页2 22.1 应力状态软性系数任何复杂应力状态可用三个主应力任何复杂应力状态可用三个主应力1，2和和3来表示来表示最大切应力max=(1-3）/2最大正应力 max=1-v(2+3）本讲稿第三页，共四十八页3 3切应力是位错运动的驱动力，只有切应力才能引
2、起材料的切应力是位错运动的驱动力，只有切应力才能引起材料的切应力是位错运动的驱动力，只有切应力才能引起材料的切应力是位错运动的驱动力，只有切应力才能引起材料的塑形变形，而位错在障碍物面前的塞积可以引起裂纹的萌塑形变形，而位错在障碍物面前的塞积可以引起裂纹的萌塑形变形，而位错在障碍物面前的塞积可以引起裂纹的萌塑形变形，而位错在障碍物面前的塞积可以引起裂纹的萌生和发展，所以切应力对材料的变形和开裂都起作用。生和发展，所以切应力对材料的变形和开裂都起作用。生和发展，所以切应力对材料的变形和开裂都起作用。生和发展，所以切应力对材料的变形和开裂都起作用。而拉应力（正应力）只促进材料的断裂。而拉应力（正应
3、力）只促进材料的断裂。近似地讲，切应力促进塑形变形，使材料倾向于韧性断近似地讲，切应力促进塑形变形，使材料倾向于韧性断近似地讲，切应力促进塑形变形，使材料倾向于韧性断近似地讲，切应力促进塑形变形，使材料倾向于韧性断裂；而拉应力促进断裂，使材料倾向于脆性断裂。裂；而拉应力促进断裂，使材料倾向于脆性断裂。裂；而拉应力促进断裂，使材料倾向于脆性断裂。裂；而拉应力促进断裂，使材料倾向于脆性断裂。本讲稿第四页，共四十八页4 41、应力状态系数（柔度系数）应力状态系数定义为：式中,最大切应力max按第三强度理论计算，即max=1/2(1-3)，1，3分别为最大和最小主应力。最大正应力Smax按第二强度理论
4、计算，即,泊松系数。本讲稿第五页，共四十八页5 5 单向拉伸单向拉伸=1/2扭转扭转=1/（1+）0.8单向压缩单向压缩=1/（2）2应力状态系数应力状态系数表示材料塑性变形的难易程度。表示材料塑性变形的难易程度。越大表示在该应力状态下切应力分量越大，材料就越大表示在该应力状态下切应力分量越大，材料就越易塑性变形。越易塑性变形。把把值较大的称做软的应力状态，值较大的称做软的应力状态，值较小的称做值较小的称做硬的应力状态。硬的应力状态。本讲稿第六页，共四十八页6 62、力学状态图、力学状态图力学状态图以第二强度理力学状态图以第二强度理论和第三强度理论两者的联论和第三强度理论两者的联合为基础，纵坐
5、标为按第三合为基础，纵坐标为按第三强度理论计算最大切应力，强度理论计算最大切应力，横坐标为按第二强度理论计横坐标为按第二强度理论计算最大正应力。算最大正应力。自原点作不同斜率的直线，自原点作不同斜率的直线，可代表应力状态系数可代表应力状态系数，这些，这些直线的位置反映了应力状态直线的位置反映了应力状态对断裂的影响。对断裂的影响。返回返回本讲稿第七页，共四十八页7 72.2压缩压缩一、材料压缩的特点一、材料压缩的特点应力状态系数应力状态系数=2，即应力状态软，即应力状态软，材料易产生材料易产生塑性变形。塑性变形。软钢软钢易压缩成腰鼓状、扁饼状。易压缩成腰鼓状、扁饼状。铸铁铸铁拉伸时断口为正断；压
6、缩时沿拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断。方向切断。本讲稿第八页，共四十八页8 8二、压缩实验二、压缩实验 塑性材料：在压缩试验时，只发生压缩变形而不断裂；塑性材料：在压缩试验时，只发生压缩变形而不断裂；脆性材料：在拉伸试验时，正断，几乎不发生塑性变形；在压缩试验时，脆性材料：在拉伸试验时，正断，几乎不发生塑性变形；在压缩试验时，能产生塑性变形，切断（沿与轴线成能产生塑性变形，切断（沿与轴线成45o的方向断裂）的方向断裂）本讲稿第九页，共四十八页9 9压缩试验要求：1.试验横截面为圆形或正方形，长度一般为试验横截面为圆形或正方形，长度一般为直径的直径的2.5-3.5之间。之间。2.可测定
7、材料的抗压强度可测定材料的抗压强度bc(试样压至破坏试样压至破坏过程中的最大应力）过程中的最大应力）Fbc:最大的压缩力最大的压缩力本讲稿第十页，共四十八页1010 为了减小试样在压为了减小试样在压缩过程呈腰鼓状的趋势，缩过程呈腰鼓状的趋势，试样的两端需加工成具试样的两端需加工成具有有角度的凹圆锥面，角度的凹圆锥面，以便使试样能均匀变形。以便使试样能均匀变形。返回返回本讲稿第十一页，共四十八页11112.3 2.3 弯曲弯曲一、弯曲试验的特点一、弯曲试验的特点弯曲试验常用于测定弯曲试验常用于测定脆性材料脆性材料的力学性能。的力学性能。（1）正应力正应力上表面为压应力，下表面为拉应力；上表面为压
8、应力，下表面为拉应力；（2）表面应力最大，中心的为零表面应力最大，中心的为零；可反映材料表面缺；可反映材料表面缺陷，用途：比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理和陷，用途：比较和鉴别渗碳和表面淬火等化学热处理和表面热处理的质量和性能。表面热处理的质量和性能。（3）力点处的作用力最大力点处的作用力最大；本讲稿第十二页，共四十八页1212二、弯曲试验二、弯曲试验（1）抗弯强度）抗弯强度 M为最大弯矩，W为抗弯截面系数。本讲稿第十三页，共四十八页1313三点弯曲三点弯曲弯矩弯矩M=FL/4直径为直径为d的圆形试样的圆形试样,抗弯抗弯截面系数截面系数W=（d3）/32对于宽度为对于宽度为b，高为，高为h
9、的矩形试样，抗弯截面系数的矩形试样，抗弯截面系数W=bh2/6；四点弯曲四点弯曲M=FL/2（2）挠度）挠度试样断裂之前被压下的最大距离。试样断裂之前被压下的最大距离。通过记录弯曲力通过记录弯曲力F和试样挠度和试样挠度f之间的关系，求出断之间的关系，求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和裂时的抗弯强度和最大挠度，以表示材料的强度和塑性。塑性。韧性材料一般不作弯曲强度检测。韧性材料一般不作弯曲强度检测。返回返回本讲稿第十四页，共四十八页1414本讲稿第十五页，共四十八页15152.4 2.4 扭转扭转一、扭转试验的特点一、扭转试验的特点1、特点、特点（1）应力状态软性系数为）应力状态
10、软性系数为0.8，能检测在拉伸时呈，能检测在拉伸时呈脆脆性的材料性的材料的塑性性能。的塑性性能。（2）长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的。没）长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的。没有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量下的实验。有缩颈现象，所以能实现大塑性变形量下的实验。（3）能敏感地反映材料表面的性能（表面缺陷）能敏感地反映材料表面的性能（表面缺陷和表面硬化层）和表面硬化层）本讲稿第十六页，共四十八页1616（4）断口的特征最明显（正断、切断、层状断口等）塑性材料塑性材料：断口平整，有回旋状：断口平整，有回旋状塑性变形。塑性变形。脆性材料脆性材料：断裂面与试样轴线：断裂面与试样轴线成成4
11、5o角，呈螺旋状；角，呈螺旋状；木纹状（层状）断口木纹状（层状）断口：由于金属：由于金属中存在较多的非金属的夹杂物或中存在较多的非金属的夹杂物或偏析。降低了试样轴向切断强度偏析。降低了试样轴向切断强度度造成的。度造成的。本讲稿第十七页，共四十八页17172、应力状态、应力状态纵向纵向受力均匀；受力均匀；横向横向表面最大，心部为表面最大，心部为0；最大正应力与最大切应力相等。最大正应力与最大切应力相等。本讲稿第十八页，共四十八页1818二、扭转试验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：本讲稿第十九页，共四十八页1919（1）切变模量切变模量 G在弹性范围内，
12、切变力与切应变的比值称为切变模量。在弹性范围内，切变力与切应变的比值称为切变模量。（2）扭转屈服点）扭转屈服点本讲稿第二十页，共四十八页2020（3）抗扭强度抗扭强度 Tb 试样在扭断前承受的最大扭矩试样在扭断前承受的最大扭矩W 试样抗扭截面系数试样抗扭截面系数本讲稿第二十一页，共四十八页21212.5 带缺口试样静载荷试验一、问题的提出一、问题的提出零件上有螺纹、键槽、油孔、退刀槽，焊缝等沟槽。零件上有螺纹、键槽、油孔、退刀槽，焊缝等沟槽。在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的产生所谓的“缺口效应缺口效应”从而影响金属材料的
13、力学性从而影响金属材料的力学性能。能。本讲稿第二十二页，共四十八页2222二、缺口效应二、缺口效应1、理论应力集中系数理论应力集中系数：缺口引起的应力：缺口引起的应力集集中的程度中的程度Kt=max/max缺口净截面上的最大应力缺口净截面上的最大应力平均应力平均应力Kt值与材料性质无关，只取决于缺口的几何值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状。形状。本讲稿第二十三页，共四十八页2323z=0z=0 x=0 (x=0)2、拉伸时，缺口试样上的应力分布、拉伸时，缺口试样上的应力分布（1）弹性状态下）弹性状态下本讲稿第二十四页，共四十八页2424缺口的第一个效应是缺口的第一个效应是引起应力引起应力
14、集中，并改变了缺口前方集中，并改变了缺口前方的应力状态。的应力状态。本讲稿第二十五页，共四十八页2525塑性较好的材料，若根部产生塑塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。整个截面。应力最大处则转移到离缺口根部应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处。距离处。y，x，z均为最大值。均为最大值。随塑性变形逐步向试样内部转移，随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。试样中心区各应力峰值越来越大。试样中心区的的y最大。最大。出现出现“缺口强化缺口强化”（三向拉应力（三向拉应力
15、约束了塑性变形）约束了塑性变形）强度提高，塑性降低，是缺口的强度提高，塑性降低，是缺口的第二个效应。第二个效应。（2）塑性状态下）塑性状态下本讲稿第二十六页，共四十八页2626三、缺口试样静拉伸试验三、缺口试样静拉伸试验1、方法、方法缺口试样，缺口试样，轴向拉伸轴向拉伸和和偏斜拉伸偏斜拉伸两种。两种。通常用缺口强度比通常用缺口强度比NSR(NotchStrengthRatio)作为衡量静拉伸下缺作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标：口敏感度指标：NSR=bn/bbn：标用缺口的抗拉强度；：标用缺口的抗拉强度；b：等截面尺寸光滑试样的抗拉：等截面尺寸光滑试样的抗拉强度强度NSR属安全力学性能指标。属安
16、全力学性能指标。NSR越大，缺口敏感度越小，对于脆性材料如铸铁，高碳钢，越大，缺口敏感度越小，对于脆性材料如铸铁，高碳钢，其其NSR1.本讲稿第二十七页，共四十八页2727偏斜拉伸，偏斜拉伸，=4o和和8o，试样承受拉伸和弯曲。，试样承受拉伸和弯曲。试样同时承受拉伸和弯曲试样同时承受拉伸和弯曲载荷复合作用，缺口截面载荷复合作用，缺口截面上的应力分布更不均匀，上的应力分布更不均匀，因而更能显示材料对缺口因而更能显示材料对缺口的敏感性。的敏感性。本讲稿第二十八页，共四十八页28282、断口、断口由于缺口的存在，裂纹源一般在缺口处，然后向内部扩由于缺口的存在，裂纹源一般在缺口处，然后向内部扩展，一般
17、不存在剪切唇。展，一般不存在剪切唇。本讲稿第二十九页，共四十八页2929四、缺口试样静弯曲试验四、缺口试样静弯曲试验缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口试样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缺口敏感度和裂纹敏感度由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲试样缺口弯曲的应力应变分布的不的应力应变分布的不均匀性更大。均匀性更大。本讲稿第三十页，共四十八页3030静弯曲曲线静弯曲曲线曲线下所包围的面积，表示试样从变形到断裂的总功。曲线下所包围的面积，表示试样从变形到断裂的总功。总功由三部分组成：总功由三部分组成：(
18、1)只发生弹性变形的弹性功只发生弹性变形的弹性功;(2)发生塑性变形的变形功以面积发生塑性变形的变形功以面积表示；表示；(3)在达到最大载荷在达到最大载荷Pmax时试样即出时试样即出现裂纹。如果裂纹到截荷现裂纹。如果裂纹到截荷P点时开始迅点时开始迅速扩展，直至试样完全破断。这一部速扩展，直至试样完全破断。这一部分功以面积分功以面积表示，叫作撕裂功。表示，叫作撕裂功。可用断裂功，或可用断裂功，或Fmax/F1来表示材来表示材料的缺口敏感度。料的缺口敏感度。F1试样发生断裂所对应的作用力。试样发生断裂所对应的作用力。Fmax/F1=1时，缺口敏感度最大。时，缺口敏感度最大。本讲稿第三十一页，共四十
19、八页31312.6 2.6 硬度硬度一、硬度及其意义一、硬度及其意义1、硬度、硬度表征材料软硬程度的一种性能表征材料软硬程度的一种性能,随试验方法的不随试验方法的不同，物理意义不同。同，物理意义不同。2、硬度的种类、硬度的种类压入法压入法：布氏硬度、洛氏、维氏等。表征材料的塑性变形抗力：布氏硬度、洛氏、维氏等。表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。及应变硬化能力。应力状态软性系数最大，应力状态软性系数最大，2，几乎所有的材料都能产生塑性变，几乎所有的材料都能产生塑性变形。形。刻划法刻划法(划痕法）划痕法）：莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。：莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。回跳法回跳法：肖氏硬度
20、：肖氏硬度表征金属弹性变形功的大小。表征金属弹性变形功的大小。本讲稿第三十二页，共四十八页3232二、硬度试验二、硬度试验1、布氏硬度、布氏硬度（1）原理）原理用一定直径用一定直径D的钢球或硬质合金球的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力，将其压为压头，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。力除除试验力。试样表面留下压痕。力除以压痕以压痕球形表面积球形表面积的商就是布氏硬的商就是布氏硬度。度。d压痕直径压痕直径通常布氏硬度值不标出单位。通常布氏硬度值不标出单位。本讲稿第三十三页，共四十八页3333本讲稿第三十四页
21、，共四十八页3434（2）种类）种类布氏硬度试验用压头布氏硬度试验用压头直径直径D有有10，5，2.5，2，1mm五种。五种。F/D2的比值有六种。的比值有六种。（3）布氏硬度的优缺点）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。数据稳定，重复性好，应用广泛。缺点：属有损检测；缺点：属有损检测；为保证数据可靠，需根据材料的种类和试样的厚为保证数据可靠，需根据材料的种类和试样的厚薄更换压头。薄更换压头。d=0.24-0.6D本讲稿第三十五页，共四十八页3535布氏硬度的表示方法：布氏硬度的表示方法：硬度值硬度值
22、符合符合HBW球直径球直径试验力试验力试验力保持时间试验力保持时间（10-15S不标注）不标注）举例：举例：350HBW5/750直径直径5mm的硬质合金球在的硬质合金球在7.355kN试验力下试验力下保持保持10-15s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为350.1kgf=9.80665N本讲稿第三十六页，共四十八页36362、洛氏硬度、洛氏硬度（1）原理）原理以压头留下的压痕深度来表示材料的硬度值。以压头留下的压痕深度来表示材料的硬度值。压痕深度压痕深度h越大，硬度值越低。越大，硬度值越低。规定：规定：不同的压头，不同的压头，k值不同；金刚石值不同；金刚石k=0.2；钢球；钢球k=0.26
23、锥头又分成锥头又分成=120o的圆锥或四面锥。的圆锥或四面锥。（2）种类）种类HRA、HRB、HRC最常用，改变压力和压头，可适最常用，改变压力和压头，可适用于不同的测试范围。用于不同的测试范围。本讲稿第三十七页，共四十八页3737洛氏硬度表示方法：硬度值，符号HR,标尺字母。60HRC:用C标尺测定的洛氏硬度值为60.注意：注意：B标尺洛氏硬度有两种材料的压头，在硬度符号后面要加以说明：钢球用S表示；硬质合金球用W表示。60HRBW：表示用硬质合金球在B标尺上测得的洛氏硬度值为60.本讲稿第三十八页，共四十八页3838表面洛氏表面洛氏表面洛氏表面洛氏 HR15N，HR30NHR30N，HR4
24、5N，HR15T用用来测定极薄试样及渗氮层的硬度来测定极薄试样及渗氮层的硬度来测定极薄试样及渗氮层的硬度来测定极薄试样及渗氮层的硬度。表面洛氏硬度的表示方法：硬度值，符号硬度值，符号HR,总试验力，标尺。总试验力，标尺。70HR30N:70HR30N:表示用总试验力表示用总试验力294.2N294.2N的30N30N标尺测得的标尺测得的表面洛氏硬度值为表面洛氏硬度值为70.70.87HR15T100HR15N45HR45T本讲稿第三十九页，共四十八页3939可根据指针的指示值直接读出硬度值。可根据指针的指示值直接读出硬度值。本讲稿第四十页，共四十八页40403、维氏硬度=136o的金刚石四棱锥
25、体的金刚石四棱锥体取=136o与布氏硬度的计算方法相同。维氏硬度可分为宏观和显微观两种：宏观：F=49.03-980.7N（常用的试验力范围）显微F=0.098-0.9807N显微维氏硬度试验：显微维氏硬度试验：可测定极薄的表面层的硬度以及合金中可测定极薄的表面层的硬度以及合金中各种组成相的硬度。需要配备显微镜。各种组成相的硬度。需要配备显微镜。本讲稿第四十一页，共四十八页4141维氏硬度的表示方法维氏硬度的表示方法：硬度值，符号HV，试验力，试验力保持时间（10-15s不标注)640HV30:在试验力为294.2N下保持10-15s测得的维氏硬度值为640.870HV20;350HV0.5;
26、450HV0.015本讲稿第四十二页，共四十八页4242本讲稿第四十三页，共四十八页43434、努氏硬度（也属显微硬度）、努氏硬度（也属显微硬度）采用四棱锥，对面角分别为采用四棱锥，对面角分别为172o30和和130o。力力F除以除以压痕投影面积压痕投影面积之商。之商。它比四等角锥测量值精确。它比四等角锥测量值精确。努氏硬度试验由于压痕细长，而且只是测量努氏硬度试验由于压痕细长，而且只是测量长对角线的长度，因而精确度较高。长对角线的长度，因而精确度较高。本讲稿第四十四页，共四十八页44445、肖氏硬度、肖氏硬度一种动载荷试验法。一种动载荷试验法。将一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定的
27、高将一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定的高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值的大小。值的大小。也称为也称为回跳硬度回跳硬度。原理：重锺从一定高度落下，使材料产生弹性变形和塑性变形。塑原理：重锺从一定高度落下，使材料产生弹性变形和塑性变形。塑性变形功被试样吸收；弹性变形功使重锤回跳一定的高度。性变形功被试样吸收；弹性变形功使重锤回跳一定的高度。优缺点：方便；可在现场测大型工件的硬度。优缺点：方便；可在现场测大型工件的硬度。在弹性模量相同时才可进行比较。精度和准确度较差。在弹性模量相同时才可进行比较。精度和准确度较差
28、。返回返回本讲稿第四十五页，共四十八页4545肖氏硬度的符号用HS表示。HS前方的数字为肖氏硬度值，后面的符号为硬度计类型。如课本讲到的25HSC;51HSD本讲稿第四十六页，共四十八页4646肖氏硬度计为手提式，使用方便，可在现场测量大型工件的硬度。为手提式，使用方便，可在现场测量大型工件的硬度。本讲稿第四十七页，共四十八页4747里氏硬度：里氏硬度：也是一种动载荷试验法，用规定质量的冲也是一种动载荷试验法，用规定质量的冲头（碳化钨球）在弹力作用下以一定速度头（碳化钨球）在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头的冲击试样表面，用冲头的回弹速度回弹速度表征金表征金属的硬度值。属的硬度值。里氏硬度的符号为里氏硬度的符号为HL本讲稿第四十八页，共四十八页4848