材料力学性能第二章

一.扭转试验的特点
根据图2－6中应力状态和应力分布，可以看出扭转试验具 有如下特点: (1) 扭转的应力状态软性系数 α =0.8，比拉伸时的α大，易 于显示金属的塑性行为。 (2) 圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没 有缩颈现象,所以能实现大塑性变形量下的试验。 (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) 扭转试验是测定生产上所使用的大部分金属材料切断强 度最可靠的方法。
二、弯曲试验
弯曲试验时，将圆柱形或矩形试样放置在一定跨距 Ls 的支座上，进行三点弯曲(图2-4a)或四点弯曲(图2-4b)加 载，通过记录弯曲力 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。
2.4
一、扭转试验的特点
扭
转
当圆柱试样承受扭矩T进行扭转时，试样表面的应力状态如图2-6a。 在弹性变形阶段，试样横截面上的切应力和切应变沿半径方向的分 布是线性的(图2-6b)。 当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，但切应力 则因塑性变形而有所降低，不再呈线性分布(图2-6c)。
2.3
一、弯曲试验的特点
弯曲
金属杆状试样承受弯矩作用后，其内部应力主 要为正应力，与单向拉伸和压缩时产生的应力雷同。 但由于杆件截面上的应力分布不均匀，表面最大， 中心为零，且应力方向发生变化，因此，金属在弯 曲加截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。 弯曲试验与拉伸试验相比还有以下特点: ⑴ 弯曲试验的试样形状简单、操作方便，常用 于测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性 与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。 ⑵ 弯曲试验时，试样表面应力最大，可较灵敏 地反映材料表面缺陷。因此，常用来比较和鉴别渗 碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。
性系数，记为 α 。对于金属材料，υ取0.25，则
τ max σ1 σ 3 = α= （ ） σ max 2σ 1 0.5 σ 2 + σ 3
α值为
（2－1） － ）
于 产生塑性变形和韧性断裂。 α 值越小的试验方法，应力状态越“硬”，金属越不易产 生 塑性变形而易于产生脆性断裂。
α 值越大的试验方法，表示应力状态越“软”，金属越易
（二）洛氏硬度试验
洛氏硬度试验以测量 压痕深度表示材料的硬度 值。 洛氏硬度试验所用的 压头有两种：一种是圆锥 角 α ＝120°的金刚石圆 ° 锥体；另一种是一定直径 的小淬火钢球。 图2-20为用金刚石圆 锥体测定硬度过程示意图。
（三）维氏硬度试验
维氏硬度的试验原 理与布氏硬度相同，也 是根据压痕单位面积所 承受的试验力来计算硬 度值。所不同的是维氏 硬度试验的压头不是球 体，而是两对面夹角 α 为136°的金金刚石四 棱锥体，如图2-21所示。
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二.扭转试验
扭转试验主要采用直径 d 0 ＝10mm、标矩长度 L0 分别为 50mm或100mm的圆柱形试样。试验时，对试样施加扭矩 ， L0 Τ 随扭矩增加，试样标距 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。金属扭转时的扭矩-扭角 T ( )曲线(扭转曲线)如图2-8所示。
二、缺口试样静拉伸试验
缺口试样静拉伸试验分为轴向拉伸和偏斜拉伸两种。 缺口拉伸试样的形状及尺寸如图2- 13所示。
三、缺口试样静弯曲试验
缺口静弯曲试验也可显示材料的缺口敏感性，由于缺 口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的 应力应变分布的不均匀性较缺口拉伸时更甚，但应力应变 的多向性则减少。 缺口静弯曲试验可采用图2-16所示的试样及装置。
第二章
金属在其他载荷下的 力学性能
2.1 应力状态软性系数 2.3 弯曲
2.2 2.4 2.6
压缩 扭转 硬度
2.5 缺口试验静载荷试 验
2.1 应力状态软性系数
塑性变形和断裂是金属材料在静载荷下失效的主要形式， 它们是金属所承受的应力达到其相应的强度极限而产生的。 τ max与 σ max的比值表示它们的相对大小，称为应力状态软
2.2
一、压缩试验的特点 二、压缩试验
压缩
通过压缩试验主要测定脆性材料的抗压强 度 σ bc 。如果在试验时金属材料产生明显屈服现象， 还可测定压缩屈服点 σ sc 。 试样压至破坏过程中的最大应力称为抗压强度。
一、压缩试验的特点
1.单向压缩试验的应力 状态软性系数 α＝2，主要用 于拉伸时呈脆性的金属材料 力学性能测定(图2-1)。 2.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(图2-2)。
思考题与习题
1．解释下列名词： (1) 应力状态软性系数；(2) 缺口效应；(3) 缺口敏感度； (4) 布氏硬度；(5) 洛氏硬度；(6) 维氏硬度；(7) 努氏硬度； (8) 肖氏硬度；(9) 里氏硬度。 2．试综合比较单向拉伸、压缩、弯曲及扭转试验的特 点和应用范围 。 3．试述脆性材料弯曲试验的特点及其应用。 4．缺口试样拉伸时应力分布有何特点? 5．试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸 和偏斜拉伸试验的特点。
二、硬度试验
二、硬度试验
（一）布氏硬度试验 （二）洛氏硬度试验 （三）维氏硬度试验 （四）其他硬度试验方法
1.努氏硬度试验 2.肖氏硬度试验
（一）布氏硬度试验
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(N)，将其压人试 样表面(图2-18a)，经规定保持时间t(s)后卸除试验力，试 样表面将残留压痕(图2-18b)。
2.6
硬
度
一、金属硬度的意义及硬度试验的特点
硬度试验的方法很多，大体上可分为弹性回跳法(如肖氏硬 度)、压入法(如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等)和划痕法 (如莫氏硬度)等三类。 硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。 硬度试验被广泛用于检查金属材料的性能、热加工工艺的 质量或研究金属组织结构的变化。
当板材处于弹性范围内时，其缺口截面上 的应力分布如图2-10所示。 缺口的第一个效应是引起应力集中，并改 变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件 中所受的应力，由原来的单向应力状态改变为 两向或三向应力状态。
2.缺口试样在塑性状态下的应力分布
缺口使塑性材料强度增高，塑性降低，这 是缺口的第二个效应。
2.5 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
一、缺口效应
实际生产中的机件，往往存在截面的急剧变化，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，产生所谓“缺口效应”，从而影响金 属材料的力学性能。
1.缺口试样在弹性状态下的应力分布