第二章  材料在其它静载荷下的力学性能
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第二章 材料在其它静载荷下的力学性能. 第一节 应力状态软性系数 第二节 压 缩 第三节 弯 曲. 一、弯曲试验的特点 二、弯曲试验. 第四节 扭 转. 一、扭转试验的特点 二、扭转试验. 第五节 缺口试样静载荷试验. 一、缺口效应 二、缺口试样静拉伸试验 三、缺口试样静弯曲试验. 第六节 硬 度. 一、 金属硬度的意义及硬度试验的特点 二、 硬度试验 1 、布氏硬度试验 2 、洛氏硬度试验 3 、维氏硬度试验. 三、 其他硬度试验方法. 第二章 材料在其它 静载荷下的力学性能. 第一节 应力状态软性系数.

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第二章 材料在其它静载荷下的力学性能

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第二章 材料在其它静载荷下的力学性能

第一节 应力状态软性系数

第二节 压 缩

第三节 弯 曲

一、弯曲试验的特点

二、弯曲试验

第四节 扭 转

一、扭转试验的特点

二、扭转试验

第五节 缺口试样静载荷试验


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一、缺口效应

二、缺口试样静拉伸试验

三、缺口试样静弯曲试验

第六节 硬 度

一、金属硬度的意义及硬度试验的特点

二、硬度试验

1、布氏硬度试验

2、洛氏硬度试验

3、维氏硬度试验

三、其他硬度试验方法


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第二章 材料在其它静载荷下的力学性能


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第一节 应力状态软性系数

应力状态软性系数:

  • 一点所有截面的应力矢量的集合称为一点的应力状态。应力状态

    对于研究物体的强度是十分重要的。

(2-1)

注意区别与上述的应力状态系数


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表2-1 常用应力状态软性系数


Compression test

第二节 压缩Compression Test


Gb7314 87

一 压缩试验:GB7314-87标准

试验片:圆柱形或正方形试样,长度为直径或边长的2.5—3.5倍(防止失稳Buckling)

压缩试验的特点:

  • 单向压缩试验的应力状态软性系数为2,比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软,所以主要用于拉伸时呈现脆性的金属材料力学性能测试;

  • 拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而不会发生断裂,脆性材料在拉伸时产生垂直于载荷轴线的断裂,塑性变形量几乎为零,而在压缩时能产生一定量的塑性变形,压缩断裂面与压缩载荷轴线呈45°角;


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3 材料变形破坏方式


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低碳钢的拉伸和压缩比较和压缩后的形状


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铸铁(左)和石料(右)的压缩破坏


Bending test

第三节 弯 曲Bending Test


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一、弯曲试验的特点

  • 应力状态:单向应力状态(拉伸或者压缩,应力状态软性系数不同),表面应力最大,中心为零;


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注 意

(1)弯曲试验主要用于测定脆性或低塑性材料的抗弯强度;

(2)对于拉-压弹性模量E和屈服强度相同的材料,应力和应变分布才表现出上述的对称性。


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  • 特殊性能:弹性模量(不同于拉伸和压缩);

  • 屈服现象不同于单纯拉伸或压缩;下图为拉伸和压缩弹性模量不同的材料的应变分布图(上下不对称)


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  • 铸铁的抗拉强度和抗压强度不同;

  • 思考:铸铁梁在弯曲的过程中,什么位置首先破坏(上表面还是下表面)?

一般脆性材料的抗拉强度都低于抗压强度,因此,脆性材料在承受弯曲载荷时,断裂的特征是?


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弯曲试验的特点:

  • 弯曲试样形状简单、弯曲试验操作方便(如可以避免偏心拉伸),适用于硬质脆性材料(铸铁、铸造合金、工具钢和硬质合金等);

  • 弯曲试样表面应力最大,可以比较灵敏地反映材料表面缺陷;

  • 弯曲强度( )随材料和热处理温度而变化(图2-3)。


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注意:

  • 与材料拉伸和压缩试验相比,弯曲试验中试验片的上、下表面承受最大拉伸或压缩应力,因此表面的状况将对试验结果产生巨大影响。如:表面硬化(淬火或渗碳处理表面)、表面缺陷、缺口等对于试验结果都非常敏感。也就是说,从试件上截取试样时,截取位置和试样加工方法都必须特别注意(有专门的试样选取加工国家标准可以参考)。


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二 弯曲试验

两种常见的弯曲试验:

三点弯曲 three point bending

四点弯曲 four point bending(均匀弯矩弯曲)


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两种常见的弯曲试验


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弯曲试验中测量的力学指标

  • 两种弯曲试样:

  • 圆形: ,长度为直径的16倍;

  • 矩形:

    长度为h的16倍;

  • 弯曲应力和最大弯曲应力的计算:Eq.(2-3)

  • 弯曲力—绕度曲线 Fig.2-5(弯曲弹性模量/断裂绕度/断裂能量)

  • 规定非比例弯曲应力 和抗弯强度


Torsion test

第四节 扭 转 Torsion Test


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一、扭转试验的特点

  • 1、应力状态:平面应力状态,应力状态软性系数0.8(比拉伸软),比拉伸时,易于显示金属的塑性行为。受力方式如下:


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2、能实现大塑性变形量下的试验;高温扭转试验可以用来研究金属在热加工条件下的流变性能与断裂性能,评定材料的热压力加工性,并为确定生产条件下的热压力加工工艺参数提供依据。


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3、能够敏感地反映出金属表面及表面硬化层的性

能,同时,能够评定材料热加工性能;

4、扭转试验主要用于测定材料的切断强度(可 靠),可以根据断口的形状判断材料的韧脆性;还可以根据扭转试样的断口特征明确区分金属材料最终的断裂方式(正断、切断)


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二、 扭转试验

  • 试样:圆柱形试样 ,标距长度分别为 和

  • 扭转弯曲应力的计算:Eq.(2-4)

  • 扭转试验所测量的主要力学指标:

    切变模量 扭转屈服点 抗扭强度


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第五节 缺口试样静载荷试验

一、缺口效应:

  • 缺口试样在弹性状态下的应力分布(区别于光滑试样)


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圆孔及椭圆孔应力分布


Theoretical stress concentration factor

理论应力集中系数(Theoretical Stress-concentration factor):

  • 理论应力集中系数

  • 与材料无关,只取决于裂纹的尺寸(分别计算椭圆孔和圆孔)


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平面应力状态

(薄板缺口拉伸):

平面应变状态

(厚板缺口拉伸):


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  • 缺口的存在使得:

  • 产生应力集中或局部应力升高;

  • 改变缺口附近局部区域的应力状态;

  • 应力状态的改变导致缺口附近应力状态软性系数下降;

    直接的后果导致在缺口根部最大纵向应力的作用下断裂,低于光滑试样的抗拉强度。


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2、缺口试样在塑性状态下的应力分布

在塑性状态下,由于缺口的存在出现了三向应力状态,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。

第二、缺口使塑性材料的强度增高,塑性降低。


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二、缺口试样静拉伸试验:

测量缺口敏感度NSR

三、缺口试样静弯曲试验:

测量断裂功或Fmax / F1


Hardness

第六节 硬 度Hardness

一、金属硬度的意义及硬度试验的特点

硬度是表征材料软硬程度的一种指标;

按照试验方法分三种类型 three general types


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硬度的物理意义

硬度的物理意义随着实验方法的不同而不同。划痕硬度主要表征材料对切断的抗力;压痕硬度表征材料抵抗塑性变形和应变硬化的能力;冲击硬度(回跳法)主要表征材料弹性变形功的大小。


Hardness1

硬度Hardness

压痕硬度Indentation Hardness

布氏硬度Brinell hardness

梅氏硬度Meyerhardness

维氏硬度Vickers hardness

洛氏硬度Rockwell hardness(美国广泛使用)

肖氏硬度Shore hardness

冲击硬度Rebound or dynamic hardness


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二、硬度试验1、布氏硬度试验

  • 布氏硬度试验Brinell Hardness

  • 国家标准GB6270-86《金属布氏硬度实验法》,范围:<450HB (650HB)


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  • 用直径D的钢球或硬质合金球为压头,施以一定的试验力F(Kg或N:通常硬质合金为3000 kg,软质材料为500 kg),将其压入试样表面并停留一段时间t(黑色金属10-15s,有色金属30s,<35HBS的软材料为60s),卸除试验力后以试样表面残留压痕进行计算

(2-10)


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注意:

(1)HBS表示用淬火钢球,适用于硬度值在450以下的材料,HBW表示用钨合金钢球,适用于硬度值在450以上的材料;

(2)为了使用非标准的压入力和非标准的钢球,使得所测量的硬度与标准测量方法的数值具有可比性,必须做到几何相似性Fig. 2-19(即保证压痕压入角保持不变)。


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布氏硬度试验的 比值的选择


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(3)布氏硬度试验时,用直径较大的压头,可保证

在较大的压痕面积下获得各组成相的平均性能;

(4)布氏硬度试验的缺点:不利于自动检测。


2 rockwell hardness

2、洛氏硬度试验(Rockwell Hardness)

  • 以测量压痕深度表示材料的硬度(用HR表示),在实际中应用最为广泛的一种测试方法(美国广泛采用此方法),范围:可以测量任何硬度。

  • 两种压头:圆锥角 ,金刚石压头;一定直径的小淬火钢球压头。


Rockwell hardness

洛氏硬度试验Rockwell Hardness

  • 测试标准:GB/T230-91《金属洛氏硬度试验方法》

    GB/818-79《金属表面洛氏硬度试验方法》

    (已经修正)

    计算公式:

    (2-11)

    k=0.2mm使用 的金刚石压头;

    k=0.26mm淬火小钢球压头。

    测试方法:Fig.2-20


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洛氏硬度试验过程示意图


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洛氏硬度标尺(测量普通试样,9种标尺)


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测量薄膜的硬度方法(6种标尺)

可以用来测量极薄试样、渗氮层以及金属镀层的硬度,见下表2-4


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测量高分子材料的实验方法

高分子材料,即使在室温下,它的变形中与时间相关部分通常比金属材料大得多,所以,在进行洛氏硬度试验时,应该有足够的保持载荷的时间。


3 vicker s hardness

3、维氏硬度试验(Vicker’s hardness)

  • 布氏硬度:<450(650)HB,洛氏硬度:任何硬度(不同的硬度范围使用不同的标尺,不能进行直接比较和换算),引入维氏硬度。

  • 维氏硬度的测试原理与布氏硬度基本相似,也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值的,所不同的是维氏硬度所用的压头是两相对面夹角为136度的金刚石四棱锥体,如下图所表示。

  • 由于采用金刚石四棱锥体压头,该试验也称为diamond-pyramid hardness test,其数值称为diamond-pyramid hardness number(DPH)或者Vickers hardness number(VHN, or VPH),DPH数值可以从很软的金属(DPH=5)到很硬的物质(DPH=1500)连续进行测量。


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维氏硬度试验压头及压痕图


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维氏硬度

测试标准:

GB4340-84《金属维氏硬度试验方法》

GB5030-85《金属小负荷维氏硬度试验方法》(表面硬度)

GB/T4342-91《金属显微硬度试验方法》

维氏硬度试验力范围:49.03—98.07N (5—10kgf),测量时

在预计材料硬度的基础上,选用较大的试验力,减少印痕检

测误差。


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硬度符号与试验力


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  • 测定薄件(金属箔)或薄膜硬度时,所选择负荷应使试样或渗层厚度大1.5d。通常,0.05mm左右的渗氮层和0.05—0.1mm的渗碳层,采用以采用49.03—98.07N(5—10kgf)的试验力为宜。

  • 当要测定极小尺寸范围内(如个别相成分、夹杂物等)的硬度时,可以选择0.098—1.96N(0.01—0.2kgf)的试验力,这种测量是维氏显微硬度。


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压痕的形状


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三、 其他硬度试验方法

  • 努氏硬度试验

  • 肖氏硬度试验和里氏硬度试验


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