材料在静载下的力学性能

图2－9 缺口试样应力集中现象
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缺口顶端的最大应力取决于缺口的几何参数— —形状、深度、角度及根部的曲率半径，以曲率半 径影响最大，缺口越尖锐，应力集中越严重。 应力集中程度可以用理论应力集中系数Kt表示：Kt
＝max/，max—最大应力，—平均应力。
Kt值与材料无关，只决定于缺口的几何形状，可从 手册查到。 比如，若缺口为椭圆形， Kt＝1＋2a/b，a、b分别 为椭圆的长短轴；若缺口为圆形，则Kt＝3。
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图2－13
➢ ω＝45－60° ➢ ρ＝0.1-0.2m ➢ dN=7-8.5m ➢ dN/d0=0.7-0
缺口敏感度NSR—notch sensitivity ratio
NSR bN
b
NSR 大者缺口敏感性低。还与应Leabharlann Baidu状态、缺口形状、尺寸、实验温度等有 关。
脆性材料的NSR总是小于1，表明缺口根部尚未发生明显的塑性变形时就已 脆断。
●厚板Z向变形受到约束 εz＝0
● z ( x y )
●且σy＞ σz ＞ σx。
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y z y
x z
x
图2-11 厚板缺口拉伸弹 性状态下的应力分布
2．塑性状态下的应力分布
对于塑性好的材料，若根部产生 塑性变形，应力将重新分布，并 随载荷的增加塑性区逐渐扩大， 直至整个截面上都产生塑性变形。
●缺口强化是缺口存在的第三个效应
●塑性材料的缺口强度极限比同截面光滑试样高。缺 口强化不是强化金属的有效方法，它只能使金属产 生脆化。
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二斜、拉缺伸口试样的静拉伸和偏
向 向缺应。口力敏状感态性和：应材力料应因变存集在中缺而口变造脆成的的倾三 拉 受 截 能缺伸复面显口力合上示偏的载的材斜同荷应料拉时，力的伸还故分缺试承其布口验受应更敏过弯力不感程曲状均性中力态匀。，的更，试作硬因样用，而在，缺，承承口更受 的用氢于脆高以强及度高材温料合的金缺的口缺敏口感敏性感，性钢分和析钛。
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图2－5
1、 扭转实验测定的力学性能指标
扭转试验试样：扭转试样有直径d0=10mm、 长度L0分别为50mm或100mm两种。
试验过程：对试样施加扭矩T，随着扭矩的 增加，试样标距l0间的两个横截面不断产生 相对转动，其相对扭角以 （单位为rad） 表示。
扭转是测得扭矩－扭角（T－ ）曲线表示。
金属杆件试样承受弯矩作用后其内部应力主要为正应力， 但在截面上分布极不均匀，表面应力最大，而心部为零。
图2－2 且应力方向发生变化，因此，金属在弯曲加载下所表现 的力学行为与单纯拉应力或压应力作用下的不完全相同。
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a三点弯曲
是将圆柱形或矩形试样放置在跨矩为 Ls的支座上，进行加载F，记录弯曲力 和试样挠度曲线，确定金属在弯曲力 作用下的力学性能。
图2－4几种合金工具钢的淬火温度对抗
弯强度及挠度的影响（150 ℃回火）
●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 与静拉伸时相同，可用于测定那些太硬难于加工 成拉伸试样的脆性材料的断裂强度；
● （2） 截面上应力分布也是表面最大，可以用 于比较和评定材料表面处理层的质量
呈螺旋状，这是正应力作用下产生
的正断（b）。
图2－8
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第五节 缺口试样静载力学性能8
前述均为光滑、且横截面均匀的试样，但实际 机件不可能是完全光滑的，往往存在着截面的 急剧变化，如健槽、油孔、螺纹等，这种截面 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，即产生所谓“缺口
材料在静载下的力学性能
Ø 金属材料在常温静载荷条件下，除单向静拉伸外，还有压缩、弯曲、扭 转或缺口试样拉伸等不同的测试方法。
Ø 其目的在于： Ø 一、尽量接近材料真实的服役环境。测定材料在相应条件下的力学性能
指标，从而在应用中作为设计和选材的依据。 Ø 二、不同的加载方式将产生不同的应力环境，材料将表现出不同的力学
最大切应力τmax＝（σ1－σ3）/2 最大正应力σmax＝σ1－υ（σ2＋σ3） 应力状态软性系数
➢
单向拉伸时的应力状态只有
0.5。
σ1，σ2＝σ3＝0
代入上式后得α＝
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表2.1典型加载方式下软性系数
加载方式 扭转 单向拉伸 三向等拉伸 单向压缩 两向压缩 三向压缩
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99%烧结
265
Al2O3
202烧0/5结/4 B4C
300
抗压强度 /MPa
400-600 850-1000 250-400 200
1350
1900
2990
3000
抗压强度/抗 拉强度
4 3.3-3.4 8.3-10 4
10.8
14
11.3
10
第三节 弯曲及其性能指标
1． 弯曲试验测定的力学性能指标
行为。
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Z
σz
复杂应力状态用 受力点单元六面体 的六个应力分量表 示。正应力导致脆 断，切应力导致韧
τyx
τxy
σx σy
X
断。
Y
单元六面体上的应力分量
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第一节、应力状态软性系数
材料在不同应力状态下，所表现出来的力学性能是不同的。 根据材料力学知识，任何复杂的应力状态可分为三个主应 力σ1、σ2、σ3来表示。而最大应力可以由主应力表示。
值，这是由于在缺口附近
y的应力梯度很大，相应
的微单元的横向收缩差也 很大，所以在很小的x距离
内，x便升高到最大值。
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y x
图2－10薄板缺口拉伸弹性状态 下的应力分布
●厚板弹性状态下的应力 分布如图2-11；
●缺口根部为两向拉伸应 力状态，而内侧为三向 拉伸的平面应变状态。 这种两向或者三向应力 状态，就是缺口的第二 效应。
● 塑性较差的材料应在α值较大的状态下试验，以观察其塑性性 能。
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第二节、 压缩及其性能指标
1． 压缩试验测定的力学性能 指标
要求h0/d0≤1-2
抗压强度
bc
Fbc A0
相对压缩率
c
h0
h0
h
f
100%
相对断面扩展率
c
Af
A0 A0
100%
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图2－1 压环强度试验
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图2－5
①规定非比例应变达到规定值时扭转应力 （A点）
τ p＝Tp/W 圆柱试样截面系数
W＝πd03/16
②扭转屈服强度 τ s＝ T S/W τ s为残余扭转切应变为0.3％时的扭矩
③抗扭强度（K点） τ b＝Tb/W
•γT＝b为试d样0/2断l0裂×前10的0％最大扭矩
图2－14
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图2－15
缺 口 纤维 区
放射 区
最终 破断 区 裂纹 扩展 方向
缺口试样轴向拉伸断口形貌如上图所示。裂纹源位 于缺口处，然后由表面向内部扩展，如果缺口比较 钝或材料塑性好，裂纹源也可能在试样心部形成， 但由于试样受表面缺口约束，一般不存在剪切唇。
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（1）规定非比例弯曲应力
过C点作弹性直线段的平
行线CA交曲线于A点，A点
所对应的力值为所测得的
规定非比例弯曲力Fpb然后
计算出最大弯矩M，然后求
出试样抗弯系数W，继而
图2－3
求出规定非比例弯曲应力
σpb。
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●（2）抗弯强度σbb ●抗弯强度：试样弯曲至断裂前达到的最大弯
验，使试验条件更接近实际服役条件。 ● 对于脆性材料施加多向不等压缩载荷，由于α＞2，更易表现其塑性。 ● （3）压缩不能使塑性材料断裂
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材料
抗拉强度 /MPa
HT100
HT250 化工陶瓷 透明石英玻
璃 多铝红柱石
100-150 250-300 30-40 50
125
烧结尖晶石 134
● 2． 压缩试验的特点及其应用 ● ● （1） α＝2，主要用于脆性材料，可产生一定塑性变形 ● 对于脆性材料为了反映其在塑性状态下的力学行为，以比较其微
小的塑性差异，则必须采用压缩试验。 ● （2） 多向不等压缩试样的应力状态软性系数α＞2 ● 对于在接触表面处承受多向压缩应力的机件，也常采用多向压缩试
效应 2020/5/4 ”。从而影响材料的力学性能。
•一、缺口处的应力分布特点及缺口效应
缺口试样如图2－9所示。 图(a)为力线分布，在载荷 作用下，远离缺口处力线是 均匀分布的，但在缺口附近 由于截面积减小使力线密集， 应力加大，缺口顶端应力最 大，如图(b)所示，向内部 逐渐减小，产生了应力集中 现象。
剪切弹性模数
图2－6
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图2－7
●2、 扭转实验的特点及应用
●（1）扭转的应力状态软性系数（α＝0.8）较拉伸 的应力状态软性系数（α＝0.5）髙，故可用来测定 脆性材料的强度和韧性。
●（2）扭转试样截面的应力分布为表面最大，心部 最小，可对各种表面强化工艺进行研究和对机件的 热处理表面质量进行检验。
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1.弹性状态下的应力分布
图2－10 薄板缺口拉伸时弹 性状态下的应力分布
轴向应力σy在缺口根部最大，并
y
随着离开根部的距离加大而降低。
在根部产生应力应变集中效应。
第一缺口效应：应力应变集中
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图2-10 薄板缺口拉伸弹性状态下 的应力分布
•薄板受拉伸后，在X方向上也出现应力σx ， 它是由于纵向拉伸的过程中出现了横向收缩而 引起的。
●（3）可用来精确评定那些拉伸时出现颈缩的高塑 性材料的形变能力和形变抗力。
●（4）扭转试样是测定材料切断强度的最可靠方法。
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● 塑性材料的断裂面与试样轴线 垂直，断口平整，有回旋状塑性变 形痕迹，为切应力造成的切断断口 （a）。
●
脆 性 材 料 断 裂 面 与 轴 线 成 4 5 º，
高强度材料的NSR也小于1。 塑性好的材料NSR大于1。
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图2－12 缺口偏斜拉伸实验装置
1－试样 2－试验机夹头 3－垫圈 4－试样螺纹夹头
偏斜拉伸试验：拉伸时存在弯曲。一般偏斜拉伸试验有 两种类型，根据偏斜角度可分为4、8 ° ，相应的缺口 抗拉强度记为α＝4、8°
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•y方向上的拉应x 力 ，产y 生了纵向应变εy，引起
横向应变εx，由于薄板的连续性，不允许板材 自由收缩，因此，产生了横向应力σx。 •由于使用的是薄板，z方向可以自由变形，因 此σz为零。
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在缺口自由表面，因 不存在x方向的约束，可以
自由收缩，故x＝0，在离 缺口不远处，x有一极大
软性系数α 0.8 0.5 0 2.0 1.0 ∞（硬度测量）
● α值越大的试验方法中，表示试样中最大切应力分量越大，应 力状态越“软”，金属越容易产生塑性变形和韧性断裂（如： 三向等压缩）
● 反之，α值越小的试验方法中，表示试样中最大正应力分量越 大，应力状态越硬，越容易产生脆性断裂（如三向等拉伸） 。 塑性较好的材料应在α值较小的方法中试验，以观察其脆性倾 向。
•最大正应力：
M max
FLs 4
其中W
d
3 0
32
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b四点弯曲
是将上述试样放置在跨矩为Ls的支座 上，在距两侧各为l的位置加载F/2,记 录弯曲力和试样挠度曲线，确定金属 在弯曲力的作用下的力学性能。
Fl
Mmax 2
其中W
d
3 0
32
圆柱试样抗弯截面系数 ，对于宽b高h
的矩形试样，W＝bh2/6
● （3） 较软的塑性材料难以发生断裂，最好采 用拉伸试验。
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第四节 扭转的力学性能
圆柱试样承受扭矩M进行扭转时，试样表面的应力状态如图2-5，在与试样
轴 轴
线 线
呈 的
45°的两个截面上承受最大 截面上承受最大切应力τ。
与
最
小
正
应
力
σ
1
及
σ
3，
在
平
行
和
垂
直
于
弹性变形阶段，试样横截面上切应力和切应变沿半径方向的分布是线性的。 表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，而切应力则不再呈 线性分布。
曲力，按弹性弯曲公式计算的最大弯曲应力。 ●从弯曲力—挠度曲线上B点上读取相应的弯
曲力Fbb（或从测力盘上直接读取），按前面 公式计算出最大弯曲力矩Mbb，然后算出试 样抗弯截面系数W，继而计算出抗弯强度σbb
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淬火温度对合金工具钢抗抗弯强度的影响
840℃ 855℃870℃
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根据屈雷斯加判据
y
z x
max y x s
根部σx＝0,所以σy＝σs 当缺口内侧截面上局部区域产生 塑性变形后，最大应力已不在缺
口根部，而在其内侧一定距离ry
处。该处σx最大，所以σy、σz也 最大。
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图2-12 缺口内侧截面上 局部区域屈服后的应力
分布
显然，随着塑性变形的内移，各应力峰值越来越大， 局部是屈服强度的3倍。位置也移向中心。 ●越过交界处，σx、 σy、σz呈连续下降状态。