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1、材料在其他静载荷下的力学性能, 在生产实际中，机械和工程结构中的材料或零件常承受压缩、弯矩、扭矩或剪切的作用，因此需要测定材料在压缩、弯曲、扭转、剪切等不同加载方式的力学性能，以作为材料选用的依据。 另外，材料或零件上可能有螺纹、孔洞、台阶、 缺口等引起应力集中的部位，它们与光滑试样静拉 伸引起的应力状态不同。因此需要研究带有螺纹、油孔、键槽等缺口情况下的力学性能，以作为这些零件设计依据。 硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。材料的硬度试验方法在工业生产及材料研究中的应用极为广泛，但硬度并不是一个确定的力学性能指 标，其物理意义随硬度试验方法的不同而不同。,第一节 应力状态软性系数第一章所述
2、单轴拉伸试验条件下，材料为单向应力状态。实际零件受载荷 的应力状态为复杂应力状态，即同时受不同方向上的正应力和切应力作用。正 应力和切应力在材料变形和断裂中所起的作用是不同的，切应力引起塑性变形 和韧性断裂，正应力导致脆性的解理断裂。为了表征不同应力状态（加载条件 下）特点与材料力学行为特点间的关系，引入应力状态软性系数：,max应力状态中最大切应力， max应力状态中最大正应力 max和 max分别由材料力学最大切应力理论和最大正应力理论给出：, 1、 2、 3 为三个主应力， 为泊松系数。,应力状态软性系数代表应力状态的软硬， 值较大时，表示应力状态较软，即最大切应力分量较大，容易引起塑性
3、变形。反之较小时，应力状态较硬，最大正应力分量较大，容易导致脆性断裂,不同加载条件下的应力状态软性系数(=0.25),值越大的试验方法，试样中最大切应力分量越大，表示应力状态越“软”，材料越易于产生塑性变形和韧性断裂。反之，值越小的试验方法，试样中最大正应力分量越大，应力状态越“硬”，材料越不易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。三向等拉伸时应力状态最硬，因其切应力分量为 零；在这种应力状态下，材料最容易发生脆性断裂。 因此对于塑性较好的金属材料，往往采用应力状态硬 的三向不等拉伸的加载方法，以考查其脆性倾向。单向静拉伸的应力状态较硬，正应力分量较大， 切应力分量较小，一般适用于那些塑性变形抗力与
4、切 断抗力较低的、所谓塑性材料的试验。,扭转和压缩时应力状态较软，材料易产生塑性变形，一般适用于那些在单向拉伸时容易发生脆断而不能反映其塑性性能的所谓脆性材料(如淬火高碳钢、灰铸铁及陶瓷材料)，以充分揭示它们客观存在的塑性性能。材料的硬度试验是在工件表面施加压力，其应力状态相当于三向不等压缩应力，应力状态非常软，因此硬度试验可在各种材料上进行。,第二节 扭转、弯曲与压缩的力学性能,一、扭转及其性能指标1、应力-应变分析应力状态为纯剪切;应力状态软性系数a=0.8，最大切应力max= ,圆柱形试样受扭矩作用，应力分布特点： 切应力分布在纵向与横向两个垂直的截面内，而最大正应力与纵轴成45。,扭转
5、试样的应力和应变,扭转变形开始，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呈线性分布。,表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，切应力则因塑性变形而呈非线性变化,弹、塑性变形阶段应力、应变分布特点,2、扭转实验及测定的力学性能,扭转试验中，每一时刻对试样施加扭矩M，随扭矩的增加，试样标距间的两个横截面积不断产生相对转动，其相对扭角以 表示。利用试验机的绘图装置可得出M关系曲线，称为扭转图。,扭转试件,扭转试验采用圆柱形（实心或空心）试件，在扭转试验机上进行。扭转.swf,扭转切变模量G、扭转比例极限p、扭转屈服强度0.3、抗扭强度b 计算: （1)扭转切变模量G: 在弹性范
6、围内，切应力与切应变之比 由材料力学可知，在弹性变形范围内，扭转圆杆表面的切应力为=M/W M扭矩，W-截面系数，实心圆杆，W=d03/16;空心圆杆，d0为外径，d1为内径。,因切应力作用而在圆杆表面产生的切应变为,扭转角, l0为杆的长度,则扭转切变模量,（2）扭转比例极限p：材料对扭转变形的抗力,Mp为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩，具体确定方法为：在M关系曲线上使某点的切线与纵坐标轴夹角的正切值较扭转曲线上直线部分ON与纵坐标夹角的正切值大50%，则该点所对应的扭矩即为Mp。,N,O,（3）扭转屈服强度s和 0.3,M0.3残余扭转切应变为0.3%时的扭矩,（4)抗扭强度b,Mb试样断裂
7、前的最大扭矩,3、扭转试验的特点,1）扭转的应力状态软性系数（a=0.8）较拉伸的应力状态软性系数高， 故可用来测定拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性，如淬火低温回火工具钢 的塑性。2）扭转试验对金属表面缺陷显示很大的敏感性，可利用扭转实验对各 种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理质量进行检验；3）圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形时均匀的，无缩颈现象， 塑性变形始终是均匀的，其截面及标距长度也基本上保持原尺寸不变，故可 用来精确测定那些拉伸时出现缩颈的高塑性材料的形变能力和形变抗力；4）扭转实验可以明确地区分材料的断裂方式，正断或切断。对于塑性材 料，断口与试样的轴线垂直，断口平整并有回旋
8、状塑性变形痕迹，为切应力 造成的切断。对于脆性材料，断口约与试件轴线成45成螺旋状,二、 弯曲及其性能指标,1、弯曲试验：圆形或方形试样 在万能试验机上进行 弯曲试验分为三点弯曲和四点弯曲。三点弯曲实验.swf,通常用弯曲试件的最大挠度fmax表示材料的变形性能。试验时，在试件跨距的中心测定挠度，绘成Ffmax关系曲线，称为弯曲图。,三点弯曲,四点弯曲,三种不同材料的弯曲图。,塑性材料弯曲试验.swf对于高塑性材料，弯曲试验不能使试件断裂，其F-fmax曲线的最后部分可延伸很长。因此弯曲试验难以测定塑性材料的强度，而且实验结果的分析也很复杂，故塑性材料的力学性能由拉伸试验测定，而不采用弯曲试验
9、。,对于脆性材料，可根据弯曲图，求得抗弯强度bb,式中Mb为试件断裂时的弯矩，W为截面抗弯系数,2、弯曲试验的特点及应用,1)弯曲加载时受拉的一侧应力状态基本上与静拉伸相同，不存在试 样偏斜对实验结果的影响，因此弯曲试验常用于测定那些由于硬度 太高难于加工成拉伸试样的脆性材料的性能，如测定硬质合金、陶 瓷、灰铸铁、工具钢等的抗弯强度。2)弯曲试验时，截面上的应力分布也是表面上的应力最大，故可 灵敏地反映材料的表面缺陷。常用来比较和评定材料表面处理层的 质量；,三、压缩及其性能指标,1、压缩试验测定的力学性能指标 压缩实验-脆性.swf 压缩实验-塑性.swf压缩试验时，材料抵抗外力和断裂情况可
10、用力变形曲线来表示。,压缩曲线,低塑性性材料,塑性材料,通过压缩试验可测定下列主要力学性能指标（脆性材料） 规定非比例压缩应力：PC =Fpc/A0抗压强度：相对压缩率:相对断面扩胀率:,2、压缩试验的特点及应用,（1）单向压缩的应力状态软性系数a=2，应力状态较软，故在拉伸、扭转和弯曲试验时不能显示的力学性能，在压缩时有可能获得。适用于脆性材料如轴承合金、水泥和砖石等。 （2）压缩与拉伸的受力方向相反，且两种试验所得的载荷变形曲线、塑性及断裂形态也存在较大差别，特别是压缩试验不能使塑性材料断裂。故塑性材料一般不用压缩方法检验；,第二节 硬度,硬度：材料抵抗局部变形的能力。软硬的指标。表征强度
11、与塑性的一 个综合判据。实验特点： 1）设备简单、操作迅速方便、直接、非破坏性试验。 2）近似估计抗拉强度和耐磨性。 3）硬度与切削加工性、焊接性、冷成型性能间联系， 加工工艺参考。 4）检验材料和热处理质量、热处理工艺合理性及评定 工艺性能参考。,布氏硬度计,硬度试验方法三类： 压力法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度、超声波硬度；肖氏硬度 划痕法：莫氏硬度、锉刀硬度； 机械制造最广泛的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,压力法硬度试验的应力状态最“软”(2)，最大切应力远大于最大正应力。所以，在此应力状态下几乎所有材料都会产生塑性变形。硬度试验所用设备简单，操作方便快捷；硬度试验基本上
12、属于“无损”或微损检测。,1. 布氏硬度HB,D：压头直径 d:残留压痕直径,硬度值的符号表示： 压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。(新国标已没有这种叫法) 压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在450 650的材料。 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分 别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示 直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得 的布氏硬度值为120，持载时间在1015s不注。,布氏硬度测定前应根据材料不同选择合适的载荷和压头直
13、径,布氏硬度的优点：采用较大直径的压头和压力，因而压痕面积大， 能反映出较大体积范围内材料各组成相的综合平均性能，而不受个别相和微区不均匀性的影响。测量误差小，数据稳定。 材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢: b(MPa)3.6HB对于高碳钢：b(MPa)3.4HB对于铸铁： b(MPa)1HB或0.6(HB-40) 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。不适合直接在零件上测试，适用于原材料。压痕直径的测量比较麻烦。,2. 洛氏硬度,a,金钢石作压头，K为100；淬火钢球作压头，K为130,根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，A、B、C、D、E、F、G、H、K，常用
14、的标尺为A、B、C、D。 符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺,如50HRA、30HRB、60HRC、40HRD HRA用于测量高硬度材料，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。HRB用于测量硬度较低的材料，如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度的材料，如调质钢、淬火钢等。HRD用于薄钢板、中等厚度表面硬化零件等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。,表面洛氏硬度,洛氏硬度试验方法的选择,3. 维氏硬度,维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间，如640HV30/20，30表示30kgf，20
15、表示保持20秒，1015s不注。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。,4.其它硬度,1) 肖氏硬度 又名回跳硬度。是把规定形状和重量的金刚石或钢球冲头从初始高度h0落在试样表面上，冲头弹起一定高度h，测h与h0的比值与肖氏硬度系数的乘积就是肖氏硬度值。用符号HS表示。HS = Rh/h0式中 R：肖氏硬度系数肖氏硬度主要取决于材料弹性变形能力的大小。试验时，冲头回跳高度与材料硬度有关。材料愈硬其弹性极限愈高，冲头回跳高度越高。肖氏硬度值是一个无量纲的值，可在硬度计上直接读取。
16、它适用于测量大型表面光滑的工件，如大型冷扎辊的验收就采用肖氏硬度。,2) 努氏硬度 将两相对棱边夹角分别为17230和130的菱形锥体金刚石压头以规定的试验力压入试样表面，以规定的保持时间后卸除试验力，测量其压痕的长对角线，计算出压痕投影面积，则压痕投影单位面积所承受的平均压力值就是努氏硬度值。用符号HK表示。努氏硬度试验可以测量极薄、极细小试样，又可测量如玻璃、玛瑙、矿石等脆性材料的硬度。特别适用于对经表面热处理或化学热处理的工件硬度和硬度梯度的测定。,3) 莫氏硬度 是一种划痕硬度。 硬度可以定义为材料抵抗划痕的能力。将十种矿物按硬度逐渐增高的次序排列，得到了莫氏硬度的等级如下：(1)滑石；(2)石膏；(3)方解石；(4)氟石；(5)磷灰石；(6)长石；(7)石英；(8)黄石；(9)蓝宝石或刚玉；(10)金刚石。如果被测材料能划伤某一级莫氏等级的材料，而不能划伤相邻高级的莫氏等级材料，则就此可以近似确定此材料的莫氏硬度值。如普通玻璃大约是5.5级，淬硬钢大约是6.5级，这种测量硬度的方法很粗略，适合于矿物识别。,
