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1、第二章 金属在其它静载荷下的力学性能,1,主要内容,第一节 应力状态软性系数 第二节 压缩、弯曲、扭转性能 第三节 缺口试样静载荷试验 第四节 硬 度,研究金属材料常温静载荷下的力学性能还可选用压缩、弯曲、扭转试验方法。,2,2.1 应力状态软性系数,同一种金属材料，在一定承载条件下产生何种失效形式，除与自身强度大小有关外，还与承载条件下的应力状态有关。 不同的应力状态，其最大正应力max与最大切应力max的相对大小是不一样的。因此，对金属变形和断裂性质将产生不同影响。为此，我们必须知道不同静加载方式下试样中max 和max的计算方法及其相对大小的表示方法。,3,由材料力学可知，任何复杂应力状
2、态均可用三个主力1、2和3（123）来表示。根据这三个主应力， 由最大切应力理论计算最大切应力：max=(13)/2； 由相当最大正应力理论计算最大正应力：max1（23）。,4,应力状态软性系数max 和max的比值表示它们的相对大小，记为,对于金属材料：取0.25，则 单向拉伸时的应力状态只有1，230，因此0.5，max应力状态越软，金属越易产生塑性变形和韧性断裂。,5,应力状态软性系数,6,单向静拉伸的应力状态较硬，一般适用于塑性变形抗力与切断强度较低的所谓塑性材料试验。 对于塑性较好的金属材料，则常采用三向不等拉伸的加载方法，使之在更“硬”的应力状态下显示其脆性倾向。,7,2.2 压
3、缩,（1）压缩试验压缩试验的特点：应力状态软性系数2 ，应力状态较软，材料易产生塑性变形。主要测定拉伸时呈脆性的金属材料在塑性状态下的力学行为。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。脆性材料在压缩时除能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线45方向产生断裂，具有切断特征。 软钢: 易压缩成腰鼓状、扁饼状。铸铁: 拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断。因此,塑性变形小的材料，或者使用工况为压缩状的材料，应采用压缩实验。,8,9,压缩试验 试样横截面为圆形或正方形，试样长度L一般为直径或边长的2.53.5倍。 金属的单向压缩试验按GB/T7314-2005金属材料室温压缩试验方法进行
4、。 主要性能指标： 抗压强度bc 试样压至破坏过程中的最大应力。 如果试验时金属材料产生屈服现象，还可测定压缩屈服点sc.,10,2.3 弯曲,（1）弯曲试验的特点弯曲试验的试样形状简单，操作方便。弯曲试验时不存在试样偏斜对试验结果的影响，可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。弯曲试验时，试样的表面应力最大，可较灵敏地反映材料的表面缺陷。,11,左图所示为热处理工艺对合金工具钢弯曲力学性能影响的试验结果，据此可确定最佳淬火温度范围。,挠度弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移称为挠度,12,（2）弯曲试验,记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系曲线，确定金属在弯曲力作用下的力学性能,金属抗弯试验
5、方法按GB/T232-1999金属材料弯曲试验方法进行,13,弯曲试验原理,试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力： M最大弯矩： ( 三点弯曲 M=FLS/4 四点弯曲 M=Fl/2 )W试样的抗弯截面系数： 圆形试样 矩形试样,14,弯曲试验力学性能指标,抗弯强度bb 根据试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力，称为抗弯强度。其它力学性能指标 弯曲弹性模量、断裂挠度f bb、断裂能量U。,15,2.4 扭转试验,金属扭转试验按GB10128-88金属扭转试验方法进行。主要采用直径d010mm、标距长度L0为50mm或100mm的圆柱形试样。（1）扭
6、转试验的特点1）扭转的应力状态软性系数0.8，比拉伸大，易显示金属的塑性行为。2）圆形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象。能反映高塑性材料直至断裂前的变形能力和强度。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）扭转试验是测定大部分材料切断强度最可靠的方法。,16,扭转试样中的应力与应变,17,应用： 1）研究金属在热加工条件下的流变性能与断裂性能，确定工艺参数； 2）研究或检验工件热处理的表面质量和表面强化工艺的效果； 3）根据其宏观断口特征，鉴别最终断裂是正断还是切断。切断：断口平整且与试样轴线垂直，有回旋状塑性变形痕迹；正断：断面与试样轴线成45角且呈螺旋状。
7、,18,（2）扭转试验,试样在弹性范围内表面切应力和切应变为：式中，W为试样抗扭截面系数，圆柱试样 切变模量G 弹性范围内，切应力与切应变之比。测出扭矩增量T和相应扭角增量，求出切应力与切应变，即得,19,扭转屈服点s 在扭转曲线或试验机扭矩读盘上读出屈服时的扭矩Ts即可得扭转屈服点s 抗扭强度b 试样在扭断前承受的最大扭矩Tb，利用弹性扭转公式计算的切应力为抗扭强度。,20,21,2.5 缺口试样静载荷试验,（1）缺口效应 实际机件不是截面均匀而无变化的光滑体，往往存在键槽、螺纹等剧烈变化，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“缺
8、口效应”。缺口效应：指集中应力达到材料的屈服强度时，引起的缺口根部附近区域的塑性变形。即缺口造成应力的集中。,22,缺口试样在弹性状态下的应力分布,轴向应力y在缺口根部最大，其最大应力决定于缺口几何参数（根部曲率半径影响最大)，缺口越尖锐，应力越大。,x是金属变形连续性要求的结果。,对于薄板，z0，缺口薄板受拉伸后其中心部分是两向拉伸的平面应力状态；在缺口根部， x0，为单向拉伸应力状态。,23,缺口引起的应力集中程度常用理论应力集中系数Kt表示： Kt值与材料性质无关，只决定于缺口几何形状。,24,垂直于厚板方向的收缩变形受到约束， z0, z =(x+y)。在缺口根部为两向拉伸应力状态，缺
9、口内侧为三向拉伸的平面应变状态，且y z x。,25,缺口效应,缺口的第一个效应引起应力集中，并改变缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件所受应力由原来的单向应力状态变为两向或三向应力状态。对于脆性或低塑性材料，使其抗拉强度降低。,26,缺口试样在塑性状态下的应力分布,y=x+s z=(x+y)随着塑性变形逐步向内转移，各应力峰值越来越大，位置也逐步移向中心，试样中心区y最大。,27,缺口效应,缺口的第二个效应在存在缺口的条件下，由于出现三向应力状态，并产生应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高，产生了“缺口强化”现象。使塑性材料强度增高，塑性降低。,28,（2）缺口试样静拉伸试验,可分为轴向拉
10、伸和偏斜拉伸两种。,29,常用缺口试样的抗拉强度bn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度b的比值作为材料的缺口敏感性指标，称为缺口敏感度，用qe或NSR。 NSR缺口敏感性。 脆性材料： NSR 1 ，高强度材料NSR 1。表明缺口根部尚未发生明显塑性变形时就已经脆性断裂。 塑性材料，若缺口不太尖锐可能产生塑性变形时， NSR 1,30,偏斜拉伸试验,一般也用缺口试样的bn与光滑试样的b的比值表示材料的缺口敏感度。,31,（3）缺口试样静弯曲试验,记录试验力F与挠度f 关系曲线，直至试样断裂。,32,Fmax/F1缺口敏感度 断裂功缺口敏感度 缺口试样静弯曲试验是造船、压力容器用钢必须进行的一项试验
11、。,弹性区I （弹性变形功）塑性区II（塑性变形功）断裂区III（断裂功）,33,2.6 硬 度,（1）金属硬度的意义及硬度试验的特点硬度试验方法分类弹性回跳法：如肖氏硬度，表示金属弹性变形功的大小。压入法：如布氏、洛氏、维氏硬度等，表示金属塑性变形抗力及应变硬化能力。划痕法：如莫氏硬度，表示金属对切断的抗力。金属硬度的意义 硬度是表征材料软硬程度的一种性能，其物理意义随试验方法不同而不同，因此硬度不是材料独立的力学性能。,34,（2）硬度试验,布氏硬度试验 原理： 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（kgf或N），将其压入试样表面，经规定保持
12、时间t(s)后卸除试验力，试验表面将残留压痕，测量压痕平均直径d(mm)，求得压痕球形面积A。布氏硬度值就是试验力F除以压痕球形表面积A所得的商，计算式如下： 通常，布氏硬度值不标单位。,35,布氏硬度试验,36,布氏硬度试验的试验方法,布氏硬度试验方法参照GB/T231.1-2002金属布氏硬度试验方法进行。 1）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，在选配压头球直径D及试验力F时，应使：,37,2）D的选择依据试样厚度，一般应使h1/8试样厚度，压痕直径d应控制在（0.240.6D）之间。3) 软硬不同的材料，为了测得统一的、可比较的硬度值，应选用相同的F/D2比值。 对
13、于不同的压头材料，布氏硬度值用不同的符号表示： 压头为淬火钢HBS(HBS450) 压头为硬质合金HBW(450HBW650),38,布氏硬度试验的特点,1）压痕面积较大，优点是能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能；缺点是压痕较大时不宜在成品上进行试验。2）布氏硬度试验对不同材料需更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量也比较麻烦，因而自动检测受到限制。3）布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的材料硬度。,39,布氏硬度的表示方法,a.硬度值 b.符号HBW c.球直径 d.试验力 e.试验力保持时间，后三项用斜线隔开。例如：350HBW5/750 60
14、0HBS1/30/20试说明500HBW10/250/20的含义。,40,洛氏硬度试验,试验过程及原理 压头分类：圆锥角=120度的金刚石圆锥体； 淬火钢球或硬质合金球。 试验过程1）加初始试验力F0，在试样表面得一压痕，深度为h0，此时测量压痕深度的指针指零。2）加主试验力F1，压头压入深度为h1，表盘上指针以逆时针方向转到相应刻度。3）将F1卸除后，总变形中弹性变形恢复，压头回升一段距离(h-h1)，这时试样表面残留的塑性变形深度h即为压痕深度4）指针顺时针方向转动停止时所指的数值即为洛氏硬度。,41,42,洛氏硬度试验的原理： 对压头施以一试验力，压入试样表面，通过测量压痕的深度来表示材料的硬度值。h越大，硬度值越低。 k为常数，金刚石圆锥：k=0.2mm ； 淬火钢球 k=0.26mm.,43,洛氏硬度试验方法 常用的洛氏硬度试验的标尺：HRA、HRB、HRC,44,洛氏硬度表示方法,洛氏硬度表示方法： a.硬度值 b.符号HR c.标尺字母 60HRC 表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60 对B标尺两种材料的球压头，在硬度符号后面加S表示用钢球；W表示用硬质合金球。 60HRBW 表面洛氏硬度表示方法： a.硬度值 b.符号HR c.总试验力 d.标尺 70HR30N 表示用总试验力294.2N的30N标尺测得的表面 洛氏硬度为70,
