第二章知識資料金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能

主講：韓靖博士

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材料科學(xué)與工程學(xué)院二零一五年十一月六日工程材料力學(xué)性能習(xí)題解答第二章習(xí)題解答金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能1、名詞解釋（1）應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)

定義：材料或工件所承受的最大切應(yīng)力τmax和最大正應(yīng)力σmax比值，

為什么提出？材料在一定的載荷條件下產(chǎn)生何種失效形式相關(guān)因素

自身的強(qiáng)度大小應(yīng)力狀態(tài)即：

不同的應(yīng)力狀態(tài)，對金屬的變形和斷裂性質(zhì)將產(chǎn)生不同的影響，為此必須知道，在不同靜加載方式下試樣中最大切應(yīng)力τmax和最大正應(yīng)力σmax的計(jì)算方法和及其相對大小的表示方法。α值越大的試驗(yàn)方法，τmax越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟“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，σmax越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟“硬”，金屬越容易產(chǎn)生脆性斷裂。α值不能評定材料的塑性變形特性，僅用于比較不同試驗(yàn)方法應(yīng)力狀態(tài)的“硬”或“軟”，以供選擇試驗(yàn)方法。

對于脆性材料常用應(yīng)力狀態(tài)較軟的試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，以揭示它們的塑性性能，反之對于塑性材料則用應(yīng)力狀態(tài)較硬的試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，使之在較硬的應(yīng)力狀態(tài)下顯示其脆性傾向。

絕大多數(shù)機(jī)件的橫截面都不是均勻而無變化的光滑體，往往存在截面的急劇變化，如鍵槽、油孔、軸肩、螺紋、退刀槽及焊縫等，這種截面變化的部分可視為“缺口”，由于缺口的存在，在載荷作用下缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的缺口效應(yīng)。（2）缺口效應(yīng)

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，表面缺口根部尚未發(fā)生明顯的塑性變形時(shí)就也斷裂，對缺口很敏感。高強(qiáng)度材料的NSR一般也小于1；塑性材料的NSR一般大于1。（3）缺口敏感度

定義：缺口試樣的抗拉強(qiáng)度σbn的與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強(qiáng)度σb的比值，稱為缺口敏感度，即：

2、試綜合比較單向拉伸、壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。試驗(yàn)方法特點(diǎn)應(yīng)用范圍拉伸

溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率確定，采用光滑圓柱試樣，試驗(yàn)簡單，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)較硬。

塑性變形抗力和切斷強(qiáng)度較低的塑性材料。壓縮

應(yīng)力狀態(tài)軟，一般都能產(chǎn)生塑性變形，試樣常沿與軸線呈45o方向產(chǎn)生斷裂，具有切斷特征。

脆性材料，以觀察脆性材料在韌性狀態(tài)下所表現(xiàn)的力學(xué)行為。彎曲

彎曲試樣形狀簡單，操作方便；不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣軸線與力偏斜問題，沒有附加應(yīng)力影響試驗(yàn)結(jié)果，可用試樣彎曲撓度顯示材料的塑性；彎曲試樣表面應(yīng)力最大，可靈敏地反映材料表面缺陷。

測定鑄鐵、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。也常用于比較和鑒別滲碳和表面淬火等化學(xué)熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。扭轉(zhuǎn)

應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.8，比拉伸時(shí)大，易于顯示金屬的塑性行為；試樣在整個(gè)長度上的塑性變形時(shí)均勻，沒有緊縮現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)大塑性變形量下的試驗(yàn)；較能敏感地反映出金屬表面缺陷和及表面硬化層的性能；試樣所承受的最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力大體相等

用來研究金屬在熱加工條件下的流變性能和斷裂性能，評定材料的熱壓力加工型，并未確定生產(chǎn)條件下的熱加工工藝參數(shù)提供依據(jù)；研究或檢驗(yàn)熱處理工件的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果。3、缺口試樣拉伸時(shí)的應(yīng)力分布有何特點(diǎn)？一、在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布：薄板：在缺口根部處于單向拉應(yīng)力狀態(tài)，在板中心部位處于兩向拉伸平面應(yīng)力狀態(tài)。厚板：在缺口根部處于兩向拉應(yīng)力狀態(tài)，缺口內(nèi)側(cè)處三向拉伸平面應(yīng)變狀態(tài)。

無論脆性材料或塑性材料，都因機(jī)件上的缺口造成兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力集中而產(chǎn)生脆性傾向，降低了機(jī)件的使用安全性。為了評定不同金屬材料的缺口變脆傾向，必須采用缺口試樣進(jìn)行靜載力學(xué)性能試驗(yàn)。4、試綜合比較光滑試樣軸向拉伸、缺口試樣軸向拉伸和偏斜拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)。

光滑試樣軸向拉伸試驗(yàn)：截面上無應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布均勻，僅在緊縮時(shí)發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)改變。缺口試樣軸向拉伸試驗(yàn)：缺口截面上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布不均，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生兩向或三向拉應(yīng)力狀態(tài)，致使材料的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)降低，脆性增大。偏斜拉伸試驗(yàn)：試樣同時(shí)承受拉伸和彎曲載荷的復(fù)合作用，其應(yīng)力狀態(tài)更“硬”，缺口截面上的應(yīng)力分布更不均勻，更能顯示材料對缺口的敏感性。

偏斜拉伸試驗(yàn)：在拉伸試驗(yàn)時(shí)在試樣與試驗(yàn)機(jī)夾頭之間放一墊圈，使試樣的軸線與拉伸力形成一定角度進(jìn)行拉伸。該試驗(yàn)用于檢測螺栓一類機(jī)件的安全使用性能。5、有如下和材料需要測定硬度，試說明選用何種硬度試樣方法為宜。硬度測量方法：彈性回跳法——硬度值主要表征金屬彈性變形功的大小。劃痕法——主要表征金屬的切斷強(qiáng)度。壓入法——表征金屬塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力。

壓入法的α＞2，幾乎所有的金屬都能產(chǎn)生塑性變形，因此該方法不僅可以測定塑性金屬材料的硬度，而且還可以測定淬火鋼、硬質(zhì)合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。

布氏硬度（HBW）測試由于壓痕面積大，適用于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度。

洛氏硬度（HR）測試壓力大，壓痕小，采用不同的標(biāo)尺可測定各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的工件硬度。如滲碳鋼、滲氮鋼、極薄鋼板、刃刀、零件邊沿部分、表面鍍層、低碳鋼、銅合金、鋁合金薄板等。

維氏硬度（HV）測試試驗(yàn)力可以任意選取，壓痕測量精度較高，硬度值較為精確，常用來測定金屬箔、極薄表面層的硬度以及合金中各種組成相的硬度。

努氏硬度（HK）試驗(yàn)壓痕細(xì)長，只測量對角線的長度，精度較高。對于表面淬硬層或滲層，鍍層等薄層區(qū)域以及滲層截面上的硬度分布較為方便。

肖氏硬度（HS）試驗(yàn)原理是將一定質(zhì)量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘，從一定高度落在金屬試樣表面上，根據(jù)回跳的高度來表征金