1、第二章 第一節 應力狀態軟性系數 第二節 壓縮、彎曲、扭轉性能 第三節 缺口試樣靜載荷試驗 第四節 硬 度 研究金屬材料常溫靜載荷下的力學性能選用壓縮、 彎曲、扭轉試驗方法。 目的：測定機件或工具的材料在相應承載條件下的力學性 能指標作為設計選材依據； 選用不同應力狀態的試驗方法便于研究材料相應力 學性能的變化。 第二章 同一種金屬材料，在一定承載條件下產生何種失效形 式，除與自身強度大小有關外，還與承載條件下的應 力狀態有關。 不同的應力狀態，其最大正應力max與最大切應力max 的相對大小是不一樣的。因此，對金屬變形和斷裂性 質將產生不同影響。為此，我們必須知道不同靜加載 方式下試樣中ma

2、x 和max的計算方法及其相對大小的表 示方法。 由材料力學可知，任何復雜應力狀態均可用三個 主力1、2和3（123）來表示。 根據這三個主應力， 由最大切應力理論計算最大切應力： max=(13)/2； 由相當最大正應力理論計算最大正應力： max1（23）。 第二章 對于金屬材料：取0.25，則 單向拉伸時的應力狀態只有1，230，因此0.5 max應力狀態越軟，金屬越易產生塑性變形和韌 性斷裂。 )(22 321 31 max max )(5 . 02 321 31 第二章 單向靜拉伸的應力狀態較硬，一般適用于塑性變形抗 力與切斷強度較低的所謂塑性材料試驗。 對于塑性較好的金屬材料，則常

3、采用三向不等拉伸的 加載方法，使之在更“硬”的應力狀態下顯示其脆性傾 向。 第二章 一、一、壓縮試驗壓縮試驗 1 1、壓縮試驗的特點：、壓縮試驗的特點： l應力狀態軟性系數2 ，應力狀態較軟，材料易產生塑 性變形。主要測定拉伸時呈脆性的金屬材料在塑性狀態 下的力學行為。 l拉伸時塑性很好的材料在壓縮時只發生壓縮變形而不會 斷裂。脆性材料在壓縮時除能產生一定的塑性變形外， 常沿與軸線45方向產生斷裂，具有切斷特征。 軟鋼: 易壓縮成腰鼓狀、扁餅狀。 鑄鐵: 拉伸時斷口為正斷；壓縮時沿45o方向切斷。 因此,塑性變形小的材料，或者使用工況為壓縮狀的材料， 應采用壓縮實驗。 第二章 2、壓縮試驗 壓

4、縮試驗用的試樣其橫截面為圓形或正方形，試 樣長度L一般為直徑或邊長的2.53.5倍。 金屬的單向壓縮試驗按GB/T7314-2005金屬 材料室溫壓縮試驗方法進行。 3 、主要性能指標： 1、規定非比例壓縮應力pc 2、抗壓強度bc 試樣壓至破壞過程中的最大應力。 如果試驗時金屬材料產生屈服現象，還可測定壓縮屈服點sc. 0 A Fpc pc 0 A Fbc bc 第二章 第二章 為了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 圓錐面，以便使試樣能均 勻變形。 第二章 1 1、彎曲試驗的特點、彎曲試驗的特點 1） 彎曲試驗的試樣形狀簡單，操作方便。 2） 彎曲試驗時不

5、存在試樣偏斜對試驗結果的影響， 可用試樣彎曲的撓度顯示材料的塑性。 3） 彎曲試驗時，試樣的表面應力最大，可較靈敏 地反映材料的表面缺陷。 2 2、彎曲試驗的應用、彎曲試驗的應用 1） 常用于測定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質合 金等脆性與低塑性材料的強度和顯示塑性的差 別。 2） 常用來比較和鑒定滲碳層和表面淬火層等化學 熱處理及表面熱處理機件的質量和性能。 第二章 第二章 試樣在彈性范圍內彎曲時，受拉側表面的最 大彎曲應力： M最大彎矩： ( 三點彎曲 M=FLS/4 四點彎曲 M=Fl/2 ) W試樣的抗彎截面系數： 圓形試樣 矩形試樣 W M 32 3 d W 6 2 bh W 第二章

6、金屬抗彎試驗方法按GB/T232-1999金屬材料彎曲試 驗方法進行。 1）規定非比例彎曲應力pb 試樣彎曲時，外側表面上的非比例彎曲應變pb達到規定 值時，按彈性彎曲應力公式計算的最大彎曲應力。 例如：pb0.01或pb0.2 三點彎曲： 四點彎曲： n撓度放大系數 Y 圓形試樣的半徑或矩形試樣的半 高 pb s Y nL OC 12 2 pb s Y lLn OC 24 )43( 22 2）抗彎強度bb 根據試樣彎曲至斷裂前達到的最大彎曲力，按彈性彎曲 應力公式計算的最大彎曲應力，稱為抗彎強度。 3）其它力學性能指標 彎曲彈性模量、斷裂撓度f bb、斷裂能量U。 第二章 第二章 金屬扭轉試

7、驗按GB10128-88金屬扭轉試驗方法進行。主 要采用直徑d010mm、標距長度L0為50mm或100mm的圓 柱形試樣。 1、扭轉試驗的特點 1）扭轉的應力狀態軟性系數0.8，比拉伸大，易顯示金屬 的塑性行為。 2）圓形試樣扭轉時，整個長度上塑性變形是均勻的，沒有縮頸 現象。所以能反映高塑性材料直至斷裂前的變形能力和強度。 3） 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。 4） 扭轉試驗是測定大部分材料切斷強度最可靠的方法。 2、扭轉試驗的應用 1）高溫扭轉試驗可用來研究 金屬在熱加工條件下的流變性 能與斷裂性能，確定工藝參數； 2）可利用扭轉試驗研究或檢 驗工件熱處理的表面質量和表

8、 面強化工藝的效果； 3）根據扭轉試驗的宏觀斷口 特征，可明確鑒別金屬材料的 最終斷裂是正斷還是切斷。 切斷：斷口平整且與試樣軸線垂 直，有回旋狀塑性變形痕跡； 正斷：斷面與試樣軸線成45 角且呈螺旋狀。 第二章 扭轉試樣中的應力與應變扭轉試樣中的應力與應變 第二章 試樣在彈性范圍內表面切應力和切應變為： 式中，W為試樣抗扭截面系數，圓柱試樣 1、切變模量G 彈性范圍內，切應力與切應變之比。 測出扭矩增量T和相應扭角增量，求出切應力與切應變， 即得 2、扭轉屈服點s 在扭轉曲線或試驗機扭矩讀盤上讀出屈服時的扭矩Ts即可得 扭轉屈服點s W Ts s W T 0 0 2L d 16/ )( 3

9、0 d 4 0 0 32 d TL G 3、規定非比例扭轉應力p 試樣標距部分表面的非比例切應變P達到規定數值時， 按彈性扭轉公式計算的切應力，稱為規定非比例扭轉應 力p 4、抗扭強度b 試樣在扭斷前承受的最大扭矩Tb，利用彈性扭轉公式計 算的切應力為抗扭強度。 W Tp p W Tb b 第二章 扭轉扭轉-扭角曲線及扭角曲線及Tp和和Tb的確定方法的確定方法 第二章 一、一、缺口效應缺口效應 實際機件不是截面均勻而無變化的光滑 體，往往存在鍵槽、螺紋等劇烈變化，截面 變化的部位可視為“缺口”。 由于缺口的存在，在靜載荷作用下缺口截 面上的應力狀態將發生變化，產生“缺口效 應”。 1 1、缺口

10、試樣在彈性狀態下的應力分布、缺口試樣在彈性狀態下的應力分布 軸向應力y在缺口根部最 大，其最大應力決定于缺 口幾何參數（根部曲率半 徑影響最大)，缺口越尖銳， 應力越大。 x是金屬變形連續性要求的結 果。 對于薄板，z0，缺口薄板受拉伸后其中心部分是兩向拉伸 的平面應力狀態；在缺口根部， x0，為單向拉伸應力狀態。 垂直于厚板方向的收縮變形受到約束， z0, z =(x+y)。 在缺口根部為兩向拉伸應力狀態，缺口內側為三向拉伸的 平面應變狀態，且y z x。 缺口引起的應力集中程度常用理論應力集中系數Kt 表示： Kt值與材料性質無關，只決定于缺口幾何形狀。 平均應力 力缺口凈截面上的最大應

11、max max t k 引起應力集中，并改變缺口前方的應力狀態，使缺 口試樣或機件所受應力由原來的單向應力狀態變為 兩向或三向應力狀態。 對于脆性或低塑性材料，使其抗拉強度降低。 01 11 12 22 02 10 13 21 03 09 14 20 04 08 15 19 05 07 16 18 06 17 第二章 y=x+s z=(x+y) 隨著塑性變形逐步向內轉移，各應力峰值越來越大，位 置也逐步移向中心，試樣中心區y最大。 在存在缺口的條件下，由于出現三向應力狀態，并產生應 力集中，試樣的屈服應力比單向拉伸時高，產生了“缺口 強化”現象。 使塑性材料強度增高，塑性降低。 第二章 缺口試

12、樣靜拉伸試驗又可分為軸向拉伸軸向拉伸和偏斜拉伸偏斜拉伸兩種。 第二章 常用缺口試樣的抗拉強度bn與等截面尺寸光滑試樣的 抗拉強度b的比值作為材料的缺口敏感性指標，稱為缺口敏缺口敏 感度感度，用qe或NSR。 qe缺口敏感性。 脆性材料：qe1 ，高強度材料qe1。表明缺口根部尚 未發生明顯塑性變形時就已經脆性斷裂。 塑性材料，若缺口不太尖銳可能產生塑性變形時，qe1 缺口靜拉伸試驗廣泛用于研究高強度鋼的力學性能、鋼 和鈦的氫脆，以及用于研究高溫合金的缺口敏感性等。 b bn e q 第二章 一般也用缺口試樣的bn與光滑試樣的b的比 值表示材料的缺口敏感度。 第二章 記錄試驗力F與撓度f 關系曲

13、線，直至試樣斷裂。 第二章 Fmax/F1缺口敏感度 亦可用斷裂功表示缺口敏感度： 斷裂功缺口敏感度 缺口試樣靜彎曲試驗是造船、 壓力容器用鋼必須進行的一項試驗。 第二章 一、概述一、概述 1 1、硬度試驗方法分類、硬度試驗方法分類 1）彈性回跳法：如肖氏硬度，表示金屬彈性變形功的大小。 2）壓入法：如布氏、洛氏、維氏硬度等，表示金屬塑性變 形抗力及應變硬化能力。 3）劃痕法：如莫氏硬度，表示金屬對切斷的抗力。 2 2、金屬硬度的意義、金屬硬度的意義 硬度是表征材料軟硬程度的一種性能，其物理意義隨試驗 方法不同而不同，因此硬度不是材料獨立的力學性能。 第二章 3 3、金屬硬度試驗的特點、金屬硬

14、度試驗的特點 以壓入法為例，生產中應用最廣的是壓入法。 1）壓入硬度試驗方法中2。在這樣的應力狀態下，幾 乎所有的金屬材料均能產生塑性變形，故它不僅可測 定塑性金屬材料的硬度，亦可測定淬火鋼、硬質合金 甚至陶瓷等脆性材料的硬度。 2）壓痕很小（表面局部體積），可在成品上試驗，無需 加工專門試樣。 3）硬度試驗易于檢查材料表面層的質量，如脫碳、表面 淬火和化學熱處理后的表面性能等。 4）硬度試驗設備簡單、操作方便迅速，因此硬度試驗尤 其是壓入法硬度試驗獲得了廣泛的應用。 第二章 1 1、原理、原理 布氏硬度試驗的原理是用一定直徑D(mm)的鋼球或硬質 合金球為壓頭，施以一定的試驗力F（kgf或N

15、），將其壓 入試樣表面，經規定保持時間t(s)后卸除試驗力，試驗表 面將殘留壓痕，測量壓痕平均直徑d(mm)，求得壓痕球形 面積A。布氏硬度值就是試驗力F除以壓痕球形表面積A所 得的商，計算式如下： 通常，布氏硬度值不標單位。 )( 204. 0 2 1 2 102. 0102. 0 22 22 dDDD F HBdD D h Dh F A F HB 故 第二章 第二章 布氏硬度試驗方法參照GB/T231.1-2002金屬布氏硬度試 驗方法進行。 1）對于材料相同而厚薄不同的工件，為了測得相同的布氏硬 度值，在選配壓頭球直徑D及試驗力F時，應使： 2）D的選擇依據試樣厚度，一般應使h1/8試樣

16、厚度，壓 痕直徑d應控制在（0.240.6D）之間。 3) 軟硬不同的材料，為了測得統一的、可比較的硬度值，應 選用相同的F/D2比值。 對于不同的壓頭材料，布氏硬度值用不同的符號表示： 壓頭為淬火鋼HBS(HBS450) 壓頭為硬質合金HBW(450HBW650) 常數 22 2 2 2 1 1 D F D F D F 第二章 第二章 1）壓痕面積較大，優點是能反映金屬在較大范 圍內各組成相的平均性能，而不受個別相及微 小不均勻性的影響，且試驗數據穩定，重復性 強；缺點是壓痕較大時不宜在成品上進行試驗。 2）布氏硬度試驗對不同材料需更換不同直徑的 壓頭球和改變試驗力，壓痕直徑的測量也比較 麻

17、煩，因而自動檢測受到限制。 3）布氏硬度試驗特別適用于測定灰鑄鐵、軸承 合金等具有粗大晶粒或組成相的材料硬度。 a.硬度值 b.符號HBW c.球直徑 d.試驗力 e.試驗力保持時間，后三項用斜線隔開。 例如：350HBW5/750 600HBS1/30/20 試說明500HBW10/250/20的含義。 第二章 1 1、試驗過程及原理、試驗過程及原理 壓頭分為：圓錐角=120度的金剛石圓錐體；淬火 鋼球或硬質合金球。 加初始試驗力F0，在試樣表面得一壓痕，深 度為h0，此時測量壓痕深度的指針指零。然后加 主試驗力F1，壓頭壓入深度為h1，表盤上指針以 逆時針方向轉到相應刻度。將F1卸除后，總

18、變形 中彈性變形恢復，壓頭回升一段距離(h-h1)，這 時試樣表面殘留的塑性變形深度h即為壓痕深度， 指針順時針方向轉動停止時所指的數值即為洛氏 硬度。 第二章 洛氏硬度試驗的原理是對壓頭施以一試驗力，壓 入試樣表面，通過測量壓痕的深度來表示材料 的硬度值。h越大，硬度值越低。 k為常數，對于金剛石圓錐：k=0.2mm ；淬火 鋼球 k=0.26mm. 002. 0 hk HR 第二章 2 2、洛氏硬度試驗方法、洛氏硬度試驗方法 常用的洛氏硬度試驗的標尺：HRA、 HRB、HRC 第二章 第二章 3 3、表面洛氏硬度試驗、表面洛氏硬度試驗 由于洛氏硬度試驗的試驗力較大，不宜用來 測定極薄試樣及

19、滲氮層、金屬鍍層等的硬度。為 此，以洛氏硬度試驗原理為基礎，減小試驗力， 提出了表面洛氏硬度試驗方法。 4 4、洛氏硬度試驗特點、洛氏硬度試驗特點 優點：1）操作簡便迅速，硬度值可直接讀出； 2）壓痕較小，可直接在工件上進行試驗； 3）采用不同標尺，適用范圍廣，可廣泛用于 熱處理質量的檢驗； 缺點：4）由于壓痕小，代表性差，重復性差，數據 分散度大； 5）用不同標尺的硬度值彼此不能直接進行比 較。 第二章 洛氏硬度表示方法：a.硬度值 b.符號HR c.標尺字母 例如：60HRC 表示用C標尺測得的洛氏硬度值為60. 表面洛氏硬度表示方法：a.硬度值 b.符號HR c.總試 驗力 d.標尺 例

20、如：70HR30N 表示用總試驗力294.2N的30N標尺測得的表面洛氏 硬度為70. 第二章 1 1、試驗原理、試驗原理 維氏硬度試驗原理與布氏硬度相同，也是根據壓 痕單位面積所承受的試驗力來計算硬度值。所不同 的是維氏硬度試驗的壓頭不是球體，而是兩對角面 夾角為136的金剛石四棱錐體。 2 1891.0 )2/136sin(204.0102.0 21 22 dd d d F d F A F HV 第二章 第二章 2、試驗方法(GB/T4043.1-1999) 1） GB4340-84金屬維氏硬度試驗方法，主 要用于測定較大工件和較深表面層的硬度； 2） GB5030-85金屬小負荷維氏硬度

21、試驗方 法，主要用于測定較薄工件和工具的表面層或 鍍層的硬度，也可測定試樣截面的硬度梯度； 3） GB/T4342-91金屬顯微維氏硬度試驗方 法，主要用于測定金屬箔、極薄的表面層的硬 度以及合金中各組成相的硬度。 第二章 3、維氏硬度試驗的特點 優點：維氏硬度試驗力可任意選取，壓痕測 量精度較高，硬度值較為精確； 缺點：維氏硬度值需通過測量壓痕對角線長 度后才能計算或查表，工作效率較低。 a.硬度值 b.符號HV c.試驗力 d.試驗力保持時間 例如：640HV30 表示在試驗力為294.2N下保持1015s測得的 維氏硬度值為640. 第二章 1、努氏硬度試驗 努氏硬度試驗也是一種顯微硬度

22、試驗，與顯微維氏硬 度的區別有兩點：一是壓頭形狀不同，其壓頭為兩個對 面角不等的四棱錐金剛石壓頭；二是硬度值不是試驗力 除以壓痕表面積的商值，而是除以壓痕投影面積之商值。 式中：F為試驗力，l為壓痕長對角線的長度(m) 努氏硬度壓痕細長，且只測量長對角線長度，故試驗精 度較高。適于測定表面滲層、鍍層及淬硬層的硬度，還 可以測定滲層截面上的硬度分布等。 22 451. 123.14102. 0 l F l F HK 第二章 第二章 2、肖氏硬度試驗 肖氏硬度試驗是一種動載試驗法，其原理是將具有一 定質量的帶有金剛石圓頭或合金鋼球的重錘從一定高度落 向試樣表面，根據重錘回跳的高度來表征硬度值的大小。 符號為HS。 HS=Kh/h0 K-肖氏硬度系數 重錘回跳得越高，表面測量越硬，但肖氏硬度試驗只有在 材料的彈性模量相同時才可以進行比較。 HS前方數字為肖氏硬度值，后面符號為硬度計類型（如 25HSC)。 肖氏硬度計一般為手提式，使用方便，便于攜帶。故可 測量現場大型工件的硬度。其缺點是試驗結果的準確性受 人為因素影響較大，測量精