材料性能与测试课件第2章材料在其它静载下的力学性能.pptx

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1、12.1 应力状态软性系数2.2 扭转、弯曲和压缩的力学性能2.3 缺口试样静载力学性能2.4 硬度 单向静拉伸不能充分反映材料的应用特点，实际上静载荷还有扭转、弯曲、压缩等，本章介绍扭转、弯曲、压缩、带缺口试样拉伸、硬度实验方法、特点及指标。目 录 第1页/共41页22.1 应力状态软性系数 正应力正应力导致脆性的解理断裂；导致脆性的解理断裂；切应力切应力导致塑性变形和韧性断裂。导致塑性变形和韧性断裂。变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态。态。(1)任何应力都可用任何应力都可用3个主应力个主应力1、2、3来表示。来表示。(2)max=(1-3

2、)/2；max=1-(2+3)。(3)=max/max=(1-3)/21-(2+3)一、受力分析二、应力状态软性系数第2页/共41页31、根据三个主应力，可以按、根据三个主应力，可以按“最大切应力理论最大切应力理论”计算最大切应力：计算最大切应力：max=（1-2）22、按、按“最大切应力理论最大切应力理论”计算最大切应力：计算最大切应力：max=1（2+3）为泊松比（金属材料一般取为泊松比（金属材料一般取0.25）=maxmax=(13)21-0.5（2+3）（例如（例如；单向拉伸时的应力状态只有单向拉伸时的应力状态只有1，2=3=0，=0.5）第3页/共41页4加载方式加载方式主应力主应力

3、123三向不等拉伸三向不等拉伸(89)(89)0.1三向等拉伸三向等拉伸0单向拉伸单向拉伸000.5扭转扭转0-0.8二向等压缩二向等压缩0-1单向压缩单向压缩00-2三向不等压缩三向不等压缩-(73)-(73)4表2-1 不同条件下的应力状态软性系数 (0.25)第4页/共41页5q 值越大的试验方法，金属越易产生塑性 变形和韧性断裂。q 一般对塑性好的材料在较“硬”的应力状 态下考查其脆性倾向；对塑性差的材料在 较“软”的应力状态下考查其塑性倾向。r越大，表示应力状态较软，即最大切应力分量较大，表明在最大正应力尚小时，最大切应力得到较充分得发展，因此容易引起塑性变形。反之，较小时，应力状态

4、较硬，最大正应力分量容易得到发展，导致脆性断裂。第5页/共41页62.2 扭转、弯曲与压缩的力学性能一、扭转及其性能指标图2-1 扭转实验机和扭转试样示意图标距部分的直径d0=10mm；标距长度=100mm 或50mm。试验机的自动绘图装置可把M曲线同步记录下来。有关指标可根据定义在图上测试。第6页/共41页71、扭转的应力状态q与轴线呈与轴线呈4545 方向上承受方向上承受maxmax，与轴线平行或垂直方向上承受，与轴线平行或垂直方向上承受maxmax 。q纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态（图纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态（图2 22a2a）。与杆轴成）。与杆轴成 4545角的螺旋

5、面上分别作用着两个主应力并与最大剪应力角的螺旋面上分别作用着两个主应力并与最大剪应力maxmax绝绝对值相等，即对值相等，即1 1=max max=3 3。因此试样的断口角度直接显示材。因此试样的断口角度直接显示材料是拉断还是剪断、材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接料是拉断还是剪断、材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接地比较地比较q 弹性变形阶段：切应力和切应变沿半径方向呈线性分布弹性变形阶段：切应力和切应变沿半径方向呈线性分布(图图2-2b)2-2b)。q 弹塑性变形段：切应变保持线性关系；切应力呈非线性变化弹塑性变形段：切应变保持线性关系；切应力呈非线性变化(图图2-2-2c)2

6、c)。图2-2 扭转试样的应力和应变示意图第7页/共41页8扭矩MOABCMp扭转角M0.3Mbf2、低碳钢扭转曲线图2-3 退火低碳钢扭转曲线1).弹性阶段(OA)：外加扭矩不超过弹性范围时，变形是弹性的,M-曲线是直线。在此范围内卸载，试样仍恢复原状，没有残余变形产生。截面上的应力成线形分布，表面的剪应力最大。即max=M/Wp 2).屈服阶段(AB)：屈服过程是由表面至圆心逐渐进行，这时曲线开始变弯，横截面的塑性区逐渐向圆心扩展，截面上的应力不再是线形分布。出现屈服平台,屈服极限记作s。3)强化阶段（BC）超过屈服阶段后曲线上升，表明材料又恢复了抵抗变形的能力。低碳钢有很长的强化阶段但没

7、有颈缩直至断裂。试验前在试样表面画的一条母线试验后变成了麻花状，形象的说明了低碳钢断裂前有很大的塑性变形。强度极限记作b。第8页/共41页91)规定非比例扭转应力P，W为试样截面系数，圆柱样为 材料对扭转塑性变形的抗力 2)扭转屈服强度s为：Ms为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩 3)扭转强度极限b为：4)真实扭转强度极限f：3、扭转的性能指标Mf为试样断裂时最大扭矩；f试样断裂时单位长度扭转角第9页/共41页105)剪切弹性模量G：式中，l0-标距长；d0-试样直径；M-扭矩；Ip-极惯性矩第10页/共41页114、扭转的特点和应用 切断断口：断面和试样轴线垂直，有回旋状塑性变形痕迹。切应力

8、作用，塑性材料。正断断口：断面和试样轴线约成45。呈螺旋状或斜劈状。正应力作用，脆性材料。(1)测定在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性。(2)对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验。(3)精确评定拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力。(4)测定材料的切断强度的最可靠方法。(5)根据断口特征区分断裂方式是正断还是切断。图2-4 扭断试样断口特征第11页/共41页12二、弯曲及其性能指标图2-5 弯曲加载方式(a)三点弯曲;(b)四点弯曲圆柱试样或方形试祥；万能试验机；加载方式一般有两种：三点弯曲加载和四点弯曲加载。1、弯曲测试第12页/共41页13用载荷F与试样最大

9、挠度fmax弯曲图来表征材料弯曲强度。FfmaxO塑性材料中等塑性脆性材料图2-6 典型的弯曲图和试样试样受拉截面的的最大弯曲应力按下式计算：=MW，M最大弯矩；三点弯曲加载：M=FL4四点弯曲加载：M=FK2 W试样抗弯截面系数 直径为d的圆柱试样：W=(d3)/32；宽度为b，高度为h的矩形试样：W=(bh2)/6L试样支座距离；l压头间的距离；b试样宽度；h试样厚度第13页/共41页14（1）规定非比例弯曲应力pb （如规定非比例弯曲应变为0.01%或0.2%时的弯曲应力，分别记 为pb0.01、pb0.2）。方法：在弯曲力挠度曲线上截取相应于规定非比例弯曲应变 的线段OC，其长度计算为

10、：三点弯曲：OC=nL12YPb 四点弯曲：OC=n（3L-4L224YPb （n为挠度放大倍数，Y为d 2，h 2）找出OC对应的弯曲力Fpb，按公式计算出规定非比例弯曲应力（2）抗弯强度bb 方法：找出最大弯曲力，按公式计算出最大弯曲应力，即抗弯强 度bb。2、弯曲性能指标第14页/共41页15三、压缩及其性能指标试样通常为圆柱形；试样通常为圆柱形；压缩曲线：压缩曲线：F-F-h h。规定非比例压缩应规定非比例压缩应力力抗压强度抗压强度 相对压缩率相对压缩率相对断面扩展率相对断面扩展率F图2-7 典型的压缩曲线Fbc为压缩断裂载荷；h0、hf分别为试样原始高度和断裂高度;A0、Af分别为试

11、样原始截面积和断裂截面积第15页/共41页16金属的压缩照片第16页/共41页17拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载荷试验方法采用的是横截面均匀的光滑试样，但实际机件存在螺孔、键槽等截面变化。（可视为缺口）。在静载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”。缺口包括轴间、螺纹、油孔、退刀槽、焊缝、不均匀组织、夹杂物、第二相、晶界、亚晶界、以及裂纹等引起形状改变的部位。以厚薄来分，包括薄板缺口和厚板缺口。2.3 缺口试样静载力学性能一、缺口效应第17页/共41页18缺口第一效应缺口第一效应：引起应力集中，并改变缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件所受的应力由原来的单向状态改变为两向或三向

12、状态。（视板厚或直径而定）。缺口第二效应缺口第二效应：产生“缺口强化现象”（塑性材料强度增高，塑性降低）在存在缺口的条件下由于出现了三向应力状态，并产生了应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高。注意：“缺口强化”不是金属的内在性能发生变化，而是由于三向拉伸应力约束了塑性变形所致，不能把它作为强化材料的手段。图2-8 缺口材料拉伸时弹性状态下的应力分布(a)薄板;(b)厚板第18页/共41页19应力集中系数应力集中系数Kt：缺口造成应力集中的程度，决定于缺口造成应力集中的程度，决定于缺口几何参数，缺口几何参数，如形状、角度、深如形状、角度、深度及根部曲率半径等。度及根部曲率半径等。缺口引起的应力

13、集中程度通常用应缺口引起的应力集中程度通常用应力集中系数力集中系数Kt表示定义为缺口净截表示定义为缺口净截面上的最大应力面上的最大应力max与平均应力与平均应力之之比，即比，即Ktmax/第19页/共41页20F缺口敏感性缺口敏感性(Notch Sensitivity Ratio)：材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。常用而变脆的倾向。常用缺口试样静拉伸缺口试样静拉伸、静弯曲静弯曲和和偏斜偏斜拉伸拉伸来评价。来评价。NSR=BN/b（光滑试样的抗拉强度）（光滑试样的抗拉强度）脆性材料及高强度材料一般脆性材料及高强度材料一般NSR

14、 1；塑性材料一般塑性材料一般NSR 1；NSR如同材料的塑性指标，也是安全性的力学性能指标。如同材料的塑性指标，也是安全性的力学性能指标。在选材时只能根据使用经验确定对在选材时只能根据使用经验确定对NSR的要求，不能的要求，不能进行定量计算。进行定量计算。二、缺口试样的静拉伸和静弯曲性能第20页/共41页21试样的缺口形状和尺寸应符合规定。缺口偏斜拉伸试验装置：在试样与试验机夹头之间有一垫圈，垫圈的倾斜角有0、4、83种，测定不同倾斜角下的抗拉强度bN。相应的抗拉强度以BN 4，BN 8表示。NSR=BN4或BN 8（偏斜缺口试样的抗拉强度）/b（光滑试样的抗拉强度）图2-9 缺口拉伸试样

15、缺口试样偏斜拉伸试验因同时承受拉伸和弯曲载荷复合作用，其应力状态更“硬”，缺口截面上的应力分布更不均匀，因而更能显示材料对缺口的敏感性。很适合高强度螺栓之类零件的选材和热处理工艺的优化。F 缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸第21页/共41页22图2-10 缺口弯曲试样和弯曲曲线F 缺口试样的静弯曲 V型或U型缺口试样 试验可在室温或低温下进行，记下全部弯曲曲线为止。弹性变形区、塑性变形区、和断裂区；各区所占面积分别为弹性功、塑性功和断裂功 断裂功表示材料阻止裂纹扩展能力。第22页/共41页232.4 硬度金属硬度的意义：金属硬度的意义：硬度是表征材料软硬程度的一种性能。一般认为硬度是一定硬度是表征材

16、料软硬程度的一种性能。一般认为硬度是一定体积内材料表面抵抗变形或破裂的能力。其物理意义随试验体积内材料表面抵抗变形或破裂的能力。其物理意义随试验方法不同而不同。方法不同而不同。（1）压入法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）：主要表）压入法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）：主要表征金属的塑性变形抗力及应变硬化能力；征金属的塑性变形抗力及应变硬化能力；（2）弹性回跳法（如肖氏硬度）：主要表征金属弹性变形功的）弹性回跳法（如肖氏硬度）：主要表征金属弹性变形功的大小；大小；（3）划痕法（如莫氏硬度）：主要表征金属对切断的抗力。）划痕法（如莫氏硬度）：主要表征金属对切断的抗力。因此因此“硬度硬度”

17、不是金属独立的性能。不是金属独立的性能。硬度测试特点：硬度测试特点：(1)应力状态系数应力状态系数2，maxmax。几乎所有材料都会产生。几乎所有材料都会产生塑性变形，可测定塑性材料的硬度，也可测定淬火钢、硬质塑性变形，可测定塑性材料的硬度，也可测定淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。(2)设备简单，操作方便快捷，故被广泛应用。设备简单，操作方便快捷，故被广泛应用。(3)可视为无损检测。可视为无损检测。第23页/共41页24一、布氏硬度图2-11 布氏硬度计图2-12 布氏硬度试验原理1、测定原理：淬火钢球或硬质合金D(mm)；加载F(kgf)；保压 卸载

18、圆形压痕 用直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的力(Kgf或N)将压头压入试样表面，保持规定的时间(S)后卸除试验力，试样表面将存在压痕。测量压痕平均直径d(mm)，求得压痕球形面积A(mm2)。HB=0.102 FA (通常，布氏硬度值不标出单位)根据压头材料不同，布氏硬度可标注：HBS：压头为淬火钢球(布氏硬度在450以下的材料)；HBW：压头为硬质合金钢球(布氏硬度在450650的材料);第24页/共41页25 2、表示方法：数字 +硬度符号 +数字 /数字 /数字 硬度值 (HBW或HBS)钢球直径 载荷 定时 280 HBS10/3000/30；50 HBW5/75。压

19、头直径及试验力的确定：对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径D及试验力F时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保持不变)。试验力的保持时间：对于黑色金属为1015 s,对于有色金属为30s,对于35HBS的材料为60s。第25页/共41页263、压痕几何相似原理、压痕几何相似原理(对于材料相同而厚薄不同的工件，对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径配压头直径D及试验力及试验力F时，应保证时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保持不变）：入角保持不变）：已知：已

20、知：d=Dsin/2两个条件：一是两个条件：一是为常数；为常数；二是保证二是保证F/D2为常为常数。数。F/D2为常数为常数一定为常数；一定为常数；F/D2为常数为常数HB恒定恒定。图2-13 压痕相似原理第26页/共41页274、布氏硬度的优缺点：、布氏硬度的优缺点：q优点：优点：压痕面积大压痕面积大反映较大区域内各组成相的平均性能；反映较大区域内各组成相的平均性能；适合灰铸铁、轴承合金等测量。适合灰铸铁、轴承合金等测量。试验数据稳定，重复性高。试验数据稳定，重复性高。q缺点：缺点：压痕直径大压痕直径大不宜在成品件上直接进行检验；不宜在成品件上直接进行检验；硬度不同硬度不同更换压头直径更换压

21、头直径D和载荷和载荷F；压痕直径的测量也比较麻烦。压痕直径的测量也比较麻烦。第27页/共41页28材料材料布氏硬度布氏硬度F/D2钢及铸铁钢及铸铁1401401030铜及其合金铜及其合金353513013051030轻金属及其合金轻金属及其合金351.252.5表2-2 布氏硬度实验的F/D2值的选择第28页/共41页29二、洛氏硬度图2-14 洛氏硬度计图2-15 洛氏硬度试验原理1、测定原理：圆锥角120的金刚石圆锥 或直径为1.588mm、3.175mm的淬火钢球；加载F(kgf)；保压 卸载 不是测量压痕面积，而是测量压痕深度。00：未加载；l1：加F1，压入深度为hl；22：加F2，

22、压入深度为h2；33：卸F2，留F1 压头提高h3 实际压入的深度为h。h值越大，硬度愈低；反之则愈高。金刚石圆锥：k=0.2 mm；淬火钢球：k=0.26 mm。第29页/共41页302、洛氏硬度的优缺点：、洛氏硬度的优缺点：q优点：优点：压痕小压痕小采用不同标尺，可测定各种软硬不同和薄厚不一采用不同标尺，可测定各种软硬不同和薄厚不一试样的硬度。试样的硬度。压痕小，可对工件直接进行检验；压痕小，可对工件直接进行检验；操作简便迅速；操作简便迅速；q缺点：缺点：压痕较小，代表性差；压痕较小，代表性差；尤其是材料中的偏析及组织尤其是材料中的偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度不均

23、匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度大；大；用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换不能彼此互换不宜在极薄工件上直接进行检验；不宜在极薄工件上直接进行检验；第30页/共41页31硬度符号压头类型初始力F0(N)主试验力F1总试验力F测量硬度范围应用举例HRA金刚石圆锥98.07490.3588.42088硬质合金HRB1.588钢球882.6980.720100低碳钢HRC金刚石圆锥137314712070淬火钢HRD金刚石圆锥882.6980.74077薄钢板HRE3.175钢球882.6980.770100铝、镁合金HRF1.

24、588钢球490.3588.460100铜合金表2-3 洛氏硬度实验的规范及应用布氏硬度只能测定硬度值小于450HB(或650)的材料；洛氏硬度虽可测定各种硬度，但标尺不同，所测硬度值不能直接换算。为了使得软硬材料有个连续一致的硬度指标，制定了维氏硬度。第31页/共41页32三、维氏硬度图2-16 维氏硬度计图2-17 维氏硬度试验原理1、测定原理：圆锥角136的金刚石四棱锥 加载F(kgf/gf)；保压 卸载 测量压痕面积对角线长度分别为dl和d2(mm/m)，取其平均值d。计算表面积S，HV=F/S=1.8544F/d2(1854.4F/d2)括号内表示显微维氏硬度第32页/共41页33

25、2、表示方法：数字 +硬度符号 +数字/数字 硬度值 (HV)载荷 定时 640HV30/20；50 HV5。3、优缺点：优点：采用对角线长度计量，精确可靠；可以任意选择载荷;比洛氏硬度所测试件更薄。缺点：测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，不宜用于成批生产的常规检验。第33页/共41页341 1、努氏硬度试验：、努氏硬度试验：一种显微硬度试验方法一种显微硬度试验方法 与显微维氏区别一是压头形状不同；与显微维氏区别一是压头形状不同；两个对面角不等的四棱锥金刚石压头两个对面角不等的四棱锥金刚石压头 (其对面角分别为其对面角分别为1723017230和和130)130)，二是硬度值是

26、试验力除以压痕投影面积之商值。故测量出压痕长对角线的长度l(m)，HK=1.451 F/l2 压痕细长，且只测量长对角线长度，故精确度较高。适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，可以测定渗层截面上的硬度分布等。四、其它硬度图2-18 努氏硬度试验第34页/共41页352 2、肖氏硬度试验：、肖氏硬度试验：动载试验法；动载试验法；原理：一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从原理：一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表一定高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表征材料硬度；征材料硬度；肖氏硬度的符号用肖氏硬度的符号用KS表示表示标准重锤从一定高度落下，以

27、一定的动能冲击试祥标准重锤从一定高度落下，以一定的动能冲击试祥表面，使其产生弹性变形与塑性变形。其中一部分表面，使其产生弹性变形与塑性变形。其中一部分冲击能转变为塑性变形功被试祥吸收。另一部分以冲击能转变为塑性变形功被试祥吸收。另一部分以弹性变形功形式储存在试祥中当弹性变形回复时弹性变形功形式储存在试祥中当弹性变形回复时能量被释放，使重锤回跳至一定高度。能量被释放，使重锤回跳至一定高度。材料的屈服强度越高，塑性变形越小，则存储的弹材料的屈服强度越高，塑性变形越小，则存储的弹性能越高，重锤回跳得也越高，表明材料越硬。因性能越高，重锤回跳得也越高，表明材料越硬。因此，肖氏硬度试验只在弹性模量相同时

28、才可进行比此，肖氏硬度试验只在弹性模量相同时才可进行比较较优缺点：优缺点：一般为手提式，使用方便，便于携带可测现场大一般为手提式，使用方便，便于携带可测现场大型工件的硬度型工件的硬度其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大，其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大，测量精度较低。测量精度较低。图2-19 肖氏硬度计第35页/共41页363 3、莫氏硬度莫氏硬度v陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度，陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度，v它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度，后它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度，后面的材料可以划破前面材料的表面。面的材料可以划破前

29、面材料的表面。v起初，莫氏硬度为分起初，莫氏硬度为分10级，后来因为出现了一些人工合级，后来因为出现了一些人工合成的高硬度材料，故又将莫氏硬度分为成的高硬度材料，故又将莫氏硬度分为15级级图2-20 莫氏硬度分级第36页/共41页374、里氏硬度、里氏硬度由美国由美国Dr.DietmarLeeb提出，是一种动态硬度试验法。硬度传感提出，是一种动态硬度试验法。硬度传感器的冲器的冲击体在与被测工件冲击过程中，距工件表面击体在与被测工件冲击过程中，距工件表面1mm时的反弹速度时的反弹速度（Vb）与冲击速度（与冲击速度（Va）的比值乘以）的比值乘以1000，定义为里氏硬度值，以，定义为里氏硬度值，以H

30、L表表示里示里氏公式如下：氏公式如下：HL=Vb/Va1000v里氏硬度仪的特点里氏硬度仪的特点肖氏硬度仪要垂直向下使用；里氏可在肖氏硬度仪要垂直向下使用；里氏可在任意方向上使用。布、洛、维氏硬度计任意方向上使用。布、洛、维氏硬度计不便于在现场使用；里氏便于在现场使用。不便于在现场使用；里氏便于在现场使用。v里氏硬度的相关因素里氏硬度的相关因素里氏硬度值与金属材料的弹性模量里氏硬度值与金属材料的弹性模量E有关有关所以里氏硬度仪是按材料种类进行分类测试的所以里氏硬度仪是按材料种类进行分类测试的。v里氏硬度与其它硬度的转换里氏硬度与其它硬度的转换里氏硬度值与其它硬度值里氏硬度值与其它硬度值(HRC、HB、HV等等)之间有对应关系之间有对应关系可将里氏值可将里氏值(HL)通过机内微电脑转换成其它硬度值。通过机内微电脑转换成其它硬度值。图2-21 里氏硬度计第37页/共41页38尚未从理论上确定它们之间的关系，根据大量实验确定了硬度与某些强度指标的联系：1、金属的布氏硬度与抗拉强度之间成正比关系，即 bkHBk为比例关系2、布氏硬度与疲劳极限-1：-1mb m kHB 五、硬度与其它力学性能关系第38页/共41页39第39页/共41页40第40页/共41页41感谢您的观看。第41页/共41页