材料力學(xué)性能材料在其他靜載荷下力學(xué)性能

材料力學(xué)性能材料在其他靜載荷下力學(xué)性能第1頁(yè)/共78頁(yè)2研究金屬材料在常溫靜載荷下的力學(xué)性能時(shí)，除采用單向靜拉伸試驗(yàn)方法外，有時(shí)還選用壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等試驗(yàn)方法。選用這些方法的目的是：（1）很多機(jī)件或工具在實(shí)際服役時(shí)常承受彎矩、扭矩或軸向壓力的作用，或其上有螺紋、孔洞、臺(tái)階等引起應(yīng)力集中的部位，有必要測(cè)定制造這類機(jī)件或工具的材料在相應(yīng)承載條件下的力學(xué)性能指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)；（2）不同的加載方式在試樣中將產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)。金屬材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下所表現(xiàn)的力學(xué)行為不完全相同，因此，選用不同應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)方法，便于研究材料相應(yīng)力學(xué)性能的變化。第二章材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能第2頁(yè)/共78頁(yè)3一、應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)二、壓縮三、彎曲四、扭轉(zhuǎn)五、缺口試樣靜載荷試驗(yàn)六、硬度第二章材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能第3頁(yè)/共78頁(yè)4零部件在使用過(guò)程中將承受不同類型的外應(yīng)力；零件內(nèi)部存在不同的應(yīng)力狀態(tài)。材料的塑性或脆性并非絕對(duì)，為了表示外應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料塑性變形的影響，特引入應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)α的概念。以方便選擇檢測(cè)方法。例如：鑄鐵：壓→韌，拉→脆第一節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)第4頁(yè)/共78頁(yè)5當(dāng)金屬所受的最大切應(yīng)力τmax達(dá)到屈服強(qiáng)度τs時(shí)，產(chǎn)生屈服；當(dāng)τmax達(dá)到切斷強(qiáng)度τk時(shí)，產(chǎn)生剪切型斷裂；當(dāng)最大正應(yīng)力σmax達(dá)到正斷強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生正斷型斷裂。但同一種金屬材料，在一定承載條件下產(chǎn)生何種失效形式，除與其自身的強(qiáng)度大小有關(guān)外，還與承載條件下的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。不同的應(yīng)力狀態(tài)，其最大正應(yīng)力σmax與最大切應(yīng)力τmax的相對(duì)大小是不一樣的。第一節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)第5頁(yè)/共78頁(yè)6定義：τmax與σmax的比值表示它們的相對(duì)大小，稱為應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，記為α。對(duì)于金屬材料，ν取0.25，則α值為第一節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)第6頁(yè)/共78頁(yè)7第一節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)第7頁(yè)/共78頁(yè)8物理意義：α值越大的試驗(yàn)方法，試樣中最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越“軟”，金屬越易于產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂。反之，α值越小的試驗(yàn)方法，試樣中最大正應(yīng)力分量越大，應(yīng)力狀態(tài)越“硬”，金屬越不易產(chǎn)生塑性變形而易于產(chǎn)生脆性斷裂。易于引起拉斷的應(yīng)力狀態(tài)叫做硬性應(yīng)力狀態(tài)；易于引起剪斷的應(yīng)力狀態(tài)叫做軟性應(yīng)力狀態(tài)。

第一節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)第8頁(yè)/共78頁(yè)9

結(jié)論：（1）三向等拉伸時(shí)應(yīng)力狀態(tài)最硬，因?yàn)槠淝袘?yīng)力分量為零，在這種應(yīng)力狀態(tài)下，材料容易發(fā)生脆性斷裂。例如：對(duì)于塑性較好的金屬材料，為了充分揭示其脆性傾向，往往采用應(yīng)力狀態(tài)硬的三向不等拉伸試驗(yàn)，防止其僅產(chǎn)生塑性斷裂；（2）單向拉伸時(shí)，正應(yīng)力分量較大，切應(yīng)力分量較小，應(yīng)力狀態(tài)較硬，一般適用于塑性變形抗力與切斷抗力較低的所謂塑性材料的試驗(yàn)；第一節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)第9頁(yè)/共78頁(yè)10（3）扭轉(zhuǎn)和壓縮時(shí)應(yīng)力狀態(tài)較軟，材料易產(chǎn)生塑性變形，一般適用于那些在單向拉伸時(shí)容易發(fā)生脆斷而不能充分反映其塑性性能的所謂脆性材料(如灰鑄鐵、淬火高碳鋼和陶瓷材料等)，以充分揭示其客觀存在的塑性性能。（4）材料的硬度試驗(yàn)同于三向不等壓縮應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)非常軟，因此硬度試驗(yàn)可在各種材料上進(jìn)行。第一節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)第10頁(yè)/共78頁(yè)112.1單向壓縮試驗(yàn)1、壓縮試驗(yàn)：對(duì)試樣施加軸向壓力，在其變形和斷裂過(guò)程中測(cè)定材料的強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能指標(biāo)的試驗(yàn)方法。2、壓縮試驗(yàn)試樣形狀：通常為圓柱形，也可用立方體和棱柱體。在有側(cè)向約束裝置以防試樣屈曲的條件下，也可采用板狀試樣。第二節(jié)壓縮第11頁(yè)/共78頁(yè)123、壓縮試驗(yàn)試樣尺寸：為了防止試驗(yàn)時(shí)試樣的縱向失穩(wěn)，對(duì)于脆性材料和低塑性材料其試樣的高度h0和直徑d0之比不應(yīng)大于2，最好h0/d0=1.5~2。說(shuō)明：由于試樣端面摩擦的作用，試樣尺寸h0/d0對(duì)壓縮變形量及其形變抗力有很大影響。為排除這種影響，使試驗(yàn)結(jié)果可以相互比較，必須采用相同的h0/d0試樣。

2.1單向壓縮試驗(yàn)第12頁(yè)/共78頁(yè)134、壓縮曲線：壓縮試驗(yàn)時(shí)，材料抵抗外力變形和斷裂情況也可用壓力和變形的關(guān)系曲線來(lái)表示，稱為壓縮曲線。

2.1單向壓縮試驗(yàn)第13頁(yè)/共78頁(yè)14單向壓縮時(shí)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)大，故用于測(cè)定脆性材料，如鑄鐵、軸承合金、水泥和磚石等的力學(xué)性能。由于壓縮時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)較軟，故在拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲試驗(yàn)時(shí)不能顯示的力學(xué)行為，而在壓縮時(shí)有可能獲得。壓縮可以看作是反向拉伸。因此，拉伸試驗(yàn)時(shí)所定義的各個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)和相應(yīng)的計(jì)算公式，在壓縮試驗(yàn)中基本上都能應(yīng)用。2.1單向壓縮試驗(yàn)金屬壓縮曲線1—脆性材料2—塑性材料第14頁(yè)/共78頁(yè)155、單向壓縮試驗(yàn)的力學(xué)性能指標(biāo)抗壓強(qiáng)度：試樣壓至破壞過(guò)程時(shí)的最大應(yīng)力稱為抗壓強(qiáng)度。壓縮曲線上確定最大壓縮力Fbc（或直接從試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力圓盤上讀出），然后按下式計(jì)算：2.1單向壓縮試驗(yàn)第15頁(yè)/共78頁(yè)16（1）單向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)α=2，比拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲的應(yīng)力狀態(tài)都軟，所以主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能的測(cè)定，以顯示這類材料在塑性狀態(tài)下的力學(xué)行為。2.2壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)第16頁(yè)/共78頁(yè)17（2）拉伸時(shí)塑性很好的材料在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不會(huì)斷裂。脆性金屬材料在拉伸時(shí)產(chǎn)生來(lái)自于載荷軸線的正斷，塑性變形量幾乎為零；而在壓縮時(shí)除能產(chǎn)生一定的塑性變形外，常沿與軸線呈45°方向產(chǎn)生斷裂，具有切斷特征。2.2壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)第17頁(yè)/共78頁(yè)18對(duì)于接觸面處承受多向壓縮應(yīng)力的機(jī)件，如滾動(dòng)軸承、套圈與滾動(dòng)體，常采用多向壓縮實(shí)驗(yàn)。2.2壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)第18頁(yè)/共78頁(yè)193.1彎曲試驗(yàn)方法金屬桿狀試樣承受彎矩作用后，其內(nèi)部應(yīng)力主要為正應(yīng)力，與單向拉伸和壓縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力類同。但由于桿件截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面最大，中心為零，且應(yīng)力方向發(fā)生變化，因此，金屬在彎曲加裁下所表現(xiàn)的力學(xué)行為與單純拉應(yīng)力或壓應(yīng)力作用下時(shí)不完全相同。例如，很多材料的拉伸彈性模量與壓縮彈性模量不同，而彎曲彈性模量卻是兩者的復(fù)合結(jié)果。又如，在拉伸或壓縮載荷下產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的金屬，在彎曲載荷下顯示不出來(lái)。因此，對(duì)于承受彎曲載荷的機(jī)件如軸、板狀彈簧等，常用彎曲試驗(yàn)測(cè)定其力學(xué)性能，以作為設(shè)計(jì)或選材的依據(jù)。第三節(jié)彎曲第19頁(yè)/共78頁(yè)20彎曲試驗(yàn)時(shí)，將圓柱形或矩形試樣放置在一定跨距Ls的支座上，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲加載，通過(guò)記錄彎曲力F和試樣撓度f(wàn)之間的關(guān)系曲線，確定金屬在彎曲力作用下的力學(xué)性能。3.1彎曲試驗(yàn)方法第20頁(yè)/共78頁(yè)211、加載方式：三點(diǎn)彎曲加載、四點(diǎn)彎曲加載。（1）四點(diǎn)彎曲：（二等值載荷）兩加載點(diǎn)之間試件受到等彎矩的作用，試件通常在該長(zhǎng)度內(nèi)具有組織缺陷處發(fā)生斷裂，能較好地反映材料的性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確。但必須注意加載的均衡。（2）三點(diǎn)彎曲加載：試件在最大彎矩附近處斷裂，方法簡(jiǎn)單，故常用。3.1彎曲試驗(yàn)方法第21頁(yè)/共78頁(yè)223.1彎曲試驗(yàn)方法2、彎曲圖：試驗(yàn)時(shí)，在試件跨距的中心測(cè)定撓度，繪制載荷F（或彎矩M）與試樣最大撓度f(wàn)max之間的關(guān)系曲線。材料的塑性：用最大彎曲撓度f(wàn)max表示。fmax值可由百分表或撓度計(jì)直接讀出；即材料的變形性能由最大撓度f(wàn)max表征。高塑性材料，彎曲實(shí)驗(yàn)不能使試件發(fā)生斷裂，曲線最后部分可延伸很長(zhǎng)，難于測(cè)定塑性材料強(qiáng)度，故不采用彎曲實(shí)驗(yàn)。對(duì)這些材料應(yīng)采用拉伸試驗(yàn)。第22頁(yè)/共78頁(yè)233.1彎曲試驗(yàn)方法第23頁(yè)/共78頁(yè)243.1彎曲試驗(yàn)方法第24頁(yè)/共78頁(yè)253.1彎曲試驗(yàn)方法第25頁(yè)/共78頁(yè)263.1彎曲試驗(yàn)方法3、脆性材料的抗彎強(qiáng)度

σbbσbb=Mb/W

Mb為試件斷裂時(shí)的彎矩。根據(jù)彎曲圖上的最大載荷Fb,按下式計(jì)算：三點(diǎn)彎曲試件:Mb=FbLs／4.四點(diǎn)彎曲試件:Mb=Fbl／2

W為試樣抗彎截面系數(shù)。直徑為d0的圓柱試樣：W=(m3)。寬度為b，高度為h的矩形試樣：W＝(m3)。第26頁(yè)/共78頁(yè)27（1）彎曲試驗(yàn)的試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便，不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣偏斜對(duì)結(jié)果的影響，可用彎曲的撓度顯示材料的塑性。

彎曲試驗(yàn)方法常用于測(cè)定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性與低塑性材料的強(qiáng)度和顯示塑性的差別。（2）彎曲試驗(yàn)時(shí)，樣品表面應(yīng)力最大，可靈敏的反映材料表面的缺陷。常用來(lái)比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。3.2彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)第27頁(yè)/共78頁(yè)284.1扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要采用直樣d0=10mm、標(biāo)距長(zhǎng)度L0分別為50mm或100mm的圓柱形試樣。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試樣施加扭矩T，隨扭矩增加，試樣標(biāo)距L0間的兩個(gè)橫截面不斷產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其相對(duì)扭角以ψ（單價(jià)為rad）表示。第四節(jié)扭轉(zhuǎn)第28頁(yè)/共78頁(yè)29扭轉(zhuǎn)圖:根據(jù)每一時(shí)刻加于試樣上的扭矩T和扭轉(zhuǎn)角ψ(在試樣標(biāo)距L0上的兩個(gè)截面間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角)繪制成T－ψ曲線，稱為扭轉(zhuǎn)圖。4.2扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)第29頁(yè)/共78頁(yè)30扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標(biāo):（1）切變模量G

在彈性范圍內(nèi)，切應(yīng)力與切應(yīng)變之比稱為切變模量。4.2扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)第30頁(yè)/共78頁(yè)31（2）扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)τs具有明顯拉伸物理屈服現(xiàn)象的金屬材料，扔轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)也同樣有屈服現(xiàn)象。在扭轉(zhuǎn)曲線或試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤上讀出屈服時(shí)的扭矩Ts，則扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)τs為τs=Ts/W

W是試樣抗扭截面系數(shù)4.2扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)第31頁(yè)/共78頁(yè)32（3）抗扭強(qiáng)度τb試樣在扭斷前承受的最大扭矩(Tb)，利用彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算的切應(yīng)力稱為抗扭強(qiáng)度，即τb=Tb/WTb可從扭轉(zhuǎn)曲線上求出或從試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤上讀出。4.2扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)第32頁(yè)/共78頁(yè)33圖2-9為20CrMnTi鋼滲碳層表面含碳量對(duì)抗扭強(qiáng)度的影響。由圖可見，控制表面含碳量w(C)為0.9％-1.1％，可獲得最大的抗扭強(qiáng)度。這對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)是很有意義的。4.2扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)第33頁(yè)/共78頁(yè)34扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)及其測(cè)定的性能指標(biāo)可作為扭轉(zhuǎn)條件下服役的機(jī)件設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)外，在材料的試驗(yàn)研究中，也是一種重要測(cè)試手段，這是因?yàn)榕まD(zhuǎn)試驗(yàn)具有如下特點(diǎn)：（1）應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)α=0.8，比拉伸時(shí)的α大，易于顯示金屬的塑性行為。（2）圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)度上塑性變形是均勻的，沒有縮頸現(xiàn)象，所以能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)。4.3扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)第34頁(yè)/共78頁(yè)35（3）能較敏感的反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。（4）扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)的最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力在數(shù)值上大體相等，而生產(chǎn)上所用大部分金屬材料的正斷抗力大于切斷抗力，所以扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是測(cè)定這些材料切斷抗力最可靠的方法。此外，根據(jù)扭轉(zhuǎn)試樣的宏觀斷口特征，還可明確區(qū)分金屬材料最終斷裂方式是正斷還是切斷。4.3扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)第35頁(yè)/共78頁(yè)36切斷斷口：塑性材料的斷裂面與試樣軸線垂直，斷口平整，有回旋狀塑性變形痕跡，這是由切應(yīng)力作用的結(jié)果；正斷斷口：脆性材料的斷裂面與試樣軸線成45

°角，呈螺旋狀，這是在正應(yīng)力作用的結(jié)果。木紋狀斷口：斷裂面順著試樣軸線形成縱向剝層或裂紋。4.3扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)第36頁(yè)/共78頁(yè)37這是因?yàn)榻饘僦写嬖谳^多的非金屬夾雜物或偏析，并在軋制過(guò)程中使其沿軸向分布，降低了試樣軸向切斷強(qiáng)度造成的。因此，可以根據(jù)斷口宏觀特征來(lái)判斷承受扭矩而斷裂的機(jī)件的性能。4.3扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)第37頁(yè)/共78頁(yè)38結(jié)論：優(yōu)點(diǎn)：扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可用于測(cè)定塑性材料和脆性材料的剪切變形和斷裂的全部力學(xué)性能指標(biāo)，有著其它力學(xué)性能試驗(yàn)方法所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)在科研和生產(chǎn)檢驗(yàn)中得到較廣泛地應(yīng)用。缺點(diǎn)：表面切應(yīng)力大，越往心部切應(yīng)力越小，當(dāng)表層發(fā)生塑性變形時(shí)，心部仍處于彈性狀態(tài)，很難精確地測(cè)定表層開始塑性變形的時(shí)刻，故用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)難以精確地測(cè)定材料的微量塑性變形抗力。4.3扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)第38頁(yè)/共78頁(yè)395.1缺口效應(yīng)前面介紹的拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等靜載荷試驗(yàn)方法，都是采用橫截面均勻的光滑試樣，實(shí)際生產(chǎn)的機(jī)件，截面上往往存在截面的急劇變化，如鍵槽、油孔、螺紋及焊縫等。這種截面變化的部位可稱為“缺口”。由于缺口的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)將會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的“缺口效應(yīng)”，從而影響金屬材料的力學(xué)性能。第五節(jié)缺口試樣靜載荷試驗(yàn)第39頁(yè)/共78頁(yè)40一、缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布5.1缺口效應(yīng)假設(shè)一個(gè)薄板的邊緣開有缺口，并承受拉應(yīng)力σ的作用，當(dāng)板材處于彈性范圍內(nèi)時(shí)，其缺口截面上的應(yīng)力分布如右圖所示。從圖可看出，缺口截面上的應(yīng)力分布不均勻，軸向應(yīng)力σy在缺口根部最大，隨著距離的增加，σy不斷下降，所以在缺口根部產(chǎn)生了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。第40頁(yè)/共78頁(yè)41缺口的第一個(gè)效應(yīng)是引起應(yīng)力集中，并改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使缺口試樣或機(jī)件中所受的應(yīng)力，由原來(lái)的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)，這種狀態(tài)由板厚或直徑?jīng)Q定。兩向或三向不等拉伸的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)α<0.5，使金屬難以產(chǎn)生塑性變形。脆性材料或低塑性材料進(jìn)行缺口試樣拉伸時(shí)，很難通過(guò)缺口根部極為有限的塑性變形使應(yīng)力重新分布，往往直接由彈性變形過(guò)渡到斷裂，所以缺口試樣的抗拉強(qiáng)度必然比光滑試樣的低。5.1缺口效應(yīng)第41頁(yè)/共78頁(yè)42二、缺口試樣在塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布對(duì)于塑性較好的金屬材料，若缺口根部產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力將重新分布，并隨著載荷的增大塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至整個(gè)截面上都產(chǎn)生塑性。存在缺口的條件下由于出現(xiàn)了三向應(yīng)力狀態(tài)，并產(chǎn)生了應(yīng)力集中，試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時(shí)高，產(chǎn)生了所謂的“缺口強(qiáng)化”現(xiàn)象，“缺口強(qiáng)化”并不是金屬內(nèi)在性能發(fā)生變化，純粹是由于三向拉伸應(yīng)力約束了塑性變形所致。因此，不能把“缺口強(qiáng)化”看作是強(qiáng)化金屬材料的手段。在有缺口時(shí)，塑性材料的抗拉強(qiáng)度也因塑性變形受約束而增高了。5.1缺口效應(yīng)第42頁(yè)/共78頁(yè)43雖然缺口提高了塑性材料的“強(qiáng)度”，但是由于缺口的約束塑性變形，所以使塑性降低，增加了材料的變脆傾向。缺口的第二個(gè)效應(yīng)：缺口使塑性材料強(qiáng)度增加，塑性降低。不是強(qiáng)化金屬的有效途徑，使材料脆性增加。5.1缺口效應(yīng)第43頁(yè)/共78頁(yè)※脆性材料（a）：最大應(yīng)力位于缺口面上，裂紋在缺口一側(cè)產(chǎn)生；產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋快速通過(guò)缺口向另一側(cè)擴(kuò)展；※中等塑性材料（b）：最大應(yīng)力位于缺口面內(nèi)一定范圍內(nèi)，且此位置與缺口面之間的材料發(fā)生了塑性變形；裂紋在該最大應(yīng)力處產(chǎn)生，向外側(cè)缺口面處擴(kuò)展（以微孔聚集型方式向外側(cè)擴(kuò)展）；同時(shí)向內(nèi)擴(kuò)展（快速擴(kuò)展）；最終中心形成最后斷裂區(qū)。此時(shí)缺口強(qiáng)度可能高于光滑試樣抗拉強(qiáng)度，也可能低于光滑試樣（取決于材料的塑性大?。?4脆性材料中等塑性塑性材料纖維區(qū)圓柱缺口試樣斷裂過(guò)程第44頁(yè)/共78頁(yè)45良好塑性材料（c）：材料從缺口面開始向內(nèi)，發(fā)生完全屈服，應(yīng)力最大點(diǎn)位于缺口中心；此時(shí)與光滑試樣頸縮后的樣品類似，裂紋起源于樣品中心，然后以微孔生成、聚集的方式向外擴(kuò)展，最終形成杯錐狀斷口。這種情況下缺口的存在對(duì)斷裂的影響不大。因此塑性良好的材料缺口敏感性低！由于缺口頂端的三向應(yīng)力狀態(tài)，引起抗拉強(qiáng)度增大，即σbN>σb。這種由缺口引起的屈服強(qiáng)度增大現(xiàn)象稱為幾何強(qiáng)化，但它不能作為強(qiáng)化手段使用。圓柱缺口試樣斷裂過(guò)程45脆性材料中等塑性塑性材料纖維區(qū)第45頁(yè)/共78頁(yè)46金屬材料的缺口敏感性指標(biāo)用缺口試樣的抗拉強(qiáng)度σbn與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度σb的比值表示，稱為缺口敏感度，記為NSR(NotchSensitivityRatio)NSR越大，缺口敏感性越小。脆性材料如鑄鐵、高碳鋼的NSR總是小于1，表明缺口根部尚未發(fā)生明顯塑性變形時(shí)就已經(jīng)斷裂，對(duì)缺口很敏感。高強(qiáng)度材料的NSR一般也小于1；塑性材料—般NSR大于1。5.2缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)第46頁(yè)/共78頁(yè)47用途：缺口靜拉伸試驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)度鋼（淬火低中溫回火）的力學(xué)性能、鋼和鈦的氫脆，以及研究高溫合金的缺口敏感性等。5.2缺口試樣靜拉伸試驗(yàn)第47頁(yè)/共78頁(yè)48缺口靜彎曲試驗(yàn)也可顯示材料的缺口敏感性，由于缺口和彎曲所引起的應(yīng)力不均勻性疊加，使試樣缺口彎曲的應(yīng)力應(yīng)變分布的不均勻性較缺口拉伸時(shí)更甚，但應(yīng)力應(yīng)變的多向性則減少。5.3缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)第48頁(yè)/共78頁(yè)49缺口靜彎曲試驗(yàn)可采用下圖所示的試樣及裝置。也可采用尺寸為l0mm×10mm×55mm、缺口深度為2mm、夾角為60°的V型缺口試樣。試驗(yàn)時(shí)記錄彎曲曲線（試驗(yàn)力F與撓度f(wàn)關(guān)系曲線），直至試樣斷裂。5.3缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)第49頁(yè)/共78頁(yè)50下圖為某種金屬材料的缺口試樣靜彎曲曲線。試樣在Fmax時(shí)形成裂紋，在F1時(shí)裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸隨即失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。曲線所包圍的面積分為彈性區(qū)Ⅰ、塑性區(qū)Ⅱ和斷裂區(qū)Ⅲ。各區(qū)所占面積分別表示彈性變形功、塑性變形勸和斷裂功的大小。5.3缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)第50頁(yè)/共78頁(yè)51斷裂功的大小取決于材料塑性。塑性好的材料裂紋擴(kuò)展慢，斷裂功增大，因此可用斷裂功或Fmax／F1的比值來(lái)表示金屬的缺口敏感度。斷裂功大或Fmax／F1大，缺口敏感性小；反之，缺口敏感性大。若斷裂功為零或Fmax／F1＝1，表明裂紋擴(kuò)展極快、金屬易產(chǎn)生突然脆性斷裂，缺口敏感性最大。5.3缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)第51頁(yè)/共78頁(yè)526.1金屬硬度的意義及硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)硬度試驗(yàn)方法很多，大體上分為彈性回跳法(如肖氏硬度)、壓入法(如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等)和劃痕法(如莫氏硬度)等三類。硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能。其物理意義隨試驗(yàn)方法不同而不同。例如，劃痕法硬度值主要表征金屬切斷強(qiáng)度；回跳法硬度值主要表征金屬?gòu)椥宰冃喂Φ拇笮?；壓入法硬度值則表征金屬塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力。因此，“硬度”不是金屬獨(dú)立的力學(xué)性能。第六節(jié)硬度第52頁(yè)/共78頁(yè)53壓入硬度試驗(yàn)方法的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)α＞2。在這樣的應(yīng)力狀態(tài)下，幾乎所有的金屬材料都能產(chǎn)生塑性變形。因此，這種試驗(yàn)方法不僅可測(cè)定塑性金屬材料的硬度，也可測(cè)定淬火鋼、硬質(zhì)合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。6.1金屬硬度的意義及硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)第53頁(yè)/共78頁(yè)546.1金屬硬度的意義及硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：硬度試驗(yàn)一般僅在金屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小的壓痕，因而很多機(jī)件可在成品上試驗(yàn)，而無(wú)需專門加工試樣。硬度試驗(yàn)也易于檢查金屬表面層的質(zhì)量(如脫碳)、表面淬火和化學(xué)熱處理后的表面性能等。應(yīng)用：硬度試驗(yàn)由于設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便、迅速，同時(shí)又能敏感地反映出金屬材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的差異，因而被廣泛用于檢查金屬材料的性能、熱加工工藝的質(zhì)量或研究金屬組織結(jié)構(gòu)的變化。第54頁(yè)/共78頁(yè)55一、布氏硬度試驗(yàn)原理：用一定直徑D（mm）的硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，施以一定的試驗(yàn)力F（N），將其壓入試樣表面（右圖a），經(jīng)過(guò)規(guī)定的保持時(shí)間t（s）后卸除試驗(yàn)力，試樣表面將殘留壓痕（右圖b）。測(cè)量壓痕的平均直徑d（mm），求得壓痕球形面積A（mm2）。6.2硬度試驗(yàn)第55頁(yè)/共78頁(yè)56

6.2硬度試驗(yàn)第56頁(yè)/共78頁(yè)57布氏硬度試驗(yàn)用的壓頭直徑D有10mm、5mm、2.5mm和1mm四種，主要根據(jù)試樣厚度選擇，應(yīng)使壓痕深度h小于試樣厚度的1/8。當(dāng)試樣厚度足夠時(shí)，應(yīng)盡量選用直徑為10mm的壓頭球。試驗(yàn)力保持時(shí)間為10～15s；對(duì)試驗(yàn)力要求保持時(shí)間較長(zhǎng)的材料，試驗(yàn)力保持時(shí)間允許誤差為±2s。6.2硬度試驗(yàn)第57頁(yè)/共78頁(yè)58布氏硬度試驗(yàn)時(shí)一般采用直徑較大的壓頭，因而所得壓痕面積較大。壓痕面積大的優(yōu)點(diǎn)：（1）硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻性的影響。因此，布氏硬度試驗(yàn)特別適用于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度。（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、重復(fù)性強(qiáng)。6.2硬度試驗(yàn)第58頁(yè)/共78頁(yè)59布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)：對(duì)不同材料需更換不同直徑的壓頭球和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕直徑的測(cè)量也鉸麻煩，因而用于自動(dòng)檢測(cè)時(shí)受到限制。當(dāng)壓痕直徑較大時(shí)，不宜在成品上進(jìn)行試驗(yàn)。6.2硬度試驗(yàn)布氏硬度計(jì)試驗(yàn)法主要用于鑄鐵、鋼材、有色金屬及軟合金等材料的硬度測(cè)定，此外還可以用于塑料、電木等某些非金屬材料硬度的測(cè)定。適用于工廠、車間、試驗(yàn)室、大專院校和科研機(jī)構(gòu)。第59頁(yè)/共78頁(yè)60表示方法：一般記為“數(shù)字＋硬度符號(hào)HBW＋數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字”的形式，符號(hào)前面的數(shù)字為硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字依次表示鋼球直徑、載荷大小及載荷保持時(shí)間等試驗(yàn)條件。例：當(dāng)用10mm淬火鋼球，在3000kgf載荷作用下保持30s時(shí)測(cè)得的硬度值為280，則記為280HBS/3000/30。當(dāng)保持時(shí)間為10~15s時(shí)可不標(biāo)注。如，50HBW5/750表示用直徑為5mm的硬質(zhì)合金球，在750kgf載荷作用下保持10~15s測(cè)得的布氏硬度值為50。6.2硬度試驗(yàn)第60頁(yè)/共78頁(yè)61二、洛氏硬度試驗(yàn)洛氏硬度試驗(yàn)以測(cè)量壓痕深度表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗(yàn)所用的壓頭有兩種：（1）圓錐角α

=120°的金剛石圓錐體；（2）一定直徑的小淬火鋼球或硬質(zhì)合金球。6.2硬度試驗(yàn)第61頁(yè)/共78頁(yè)626.2硬度試驗(yàn)（a）試驗(yàn)時(shí)先加初始試驗(yàn)力F0，以保證壓頭與試樣表面接觸良好，得到一個(gè)壓痕深度h0，此時(shí)指針指零。（b）施加主作用力F1，壓頭壓入深度為h1，表逆時(shí)針轉(zhuǎn)到相應(yīng)刻度位置，h1包括彈性變形與塑性變形。（c）F1卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)，壓頭回升一段距離（h2-h1），此時(shí)塑性變形深度即為壓痕深度h，最終表盤指針?biāo)讣礊槁迨嫌捕戎?。?2頁(yè)/共78頁(yè)63為了能在一臺(tái)硬度計(jì)上測(cè)定不同軟、硬或厚、薄試樣的硬度，可采用不同的壓頭和試驗(yàn)力組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺。用不同標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度符號(hào)在HR后面加標(biāo)尺字母表示。字母有A、B、C…順序至H、K九個(gè)，故格氏硬度標(biāo)尺有九種，常用的為HRA、HRB和HBC三種。6.2硬度試驗(yàn)第63頁(yè)/共78頁(yè)64洛氏硬度的表示方法：硬度值、符號(hào)HR、標(biāo)尺字母。如60HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)得的洛氏硬度值為60.B標(biāo)尺洛氏硬度有兩種材料的球壓頭，在硬度符號(hào)后面要加以明示：鋼球用S表示；硬質(zhì)合金球用W表示。如60HRBW表示用硬質(zhì)合金球壓頭在B標(biāo)尺上測(cè)得的洛氏硬度值為60。注意，使用兩種類型材料的球壓頭，硬度測(cè)試的結(jié)果不同。6.2硬度試驗(yàn)第64頁(yè)/共78頁(yè)65洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：1.操作簡(jiǎn)便、迅速、硬度值可直接讀出；2.壓痕較小，可在工件上直接實(shí)驗(yàn)；3.采用不同標(biāo)尺可測(cè)定各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的試樣的硬度，可廣泛用于熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)。洛氏硬度的缺點(diǎn)：1.壓痕較小，代表性差；2.若材料中存在偏析及組織不均勻等缺陷，則所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大；3.用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能直接比較。6.2硬度試驗(yàn)第65頁(yè)/共78頁(yè)66三、維氏硬度試驗(yàn)維氏硬度試驗(yàn)的原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)算硬度值。不同的是維氏硬度試驗(yàn)的

壓頭不是球體，而是兩相

對(duì)面間夾角α為136°的金

剛石四棱錐體。6.2硬度試驗(yàn)第66頁(yè)/共78頁(yè)676.2硬度試驗(yàn)第67頁(yè)/共78頁(yè)68壓頭在試驗(yàn)力F（N）作用下將樣品表面壓出一個(gè)四方錐形的壓痕，經(jīng)一定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度d，d=(d1+d2)/2，來(lái)計(jì)算壓痕的表面積A（mm2）。6.2硬度試驗(yàn)第68頁(yè)/共78頁(yè)69維氏硬度值（HV）為試驗(yàn)力F除以壓痕表面積A所得的商，即維氏硬度值也不標(biāo)注單位。維氏硬度試驗(yàn)之所以采用正四棱錐體壓頭，是為了當(dāng)改變?cè)囼?yàn)力時(shí)，壓痕的幾何形狀總保持相似，而不致影響硬度值。6.2硬度試驗(yàn)第69頁(yè)/共78頁(yè)70維氏硬度試驗(yàn)