工程材料力学性能第二章

第一节 第二节 第三节 第四节

应力状态软性系数 压缩、弯曲、扭转性能 缺口试样静载荷试验 硬 度

第二章

前言研究金属材料常温静载荷下的力学性能选用压缩、 弯曲、扭转试验方法。目的：①测定机件或工具的材料在相应承载条件下的力学性 能指标作为设计选材依据； ②选用不同应力状态的试验方法便于研究材料相应力 学性能的变化。

第一节 应力状态软性系数同一种金属材料，在一定承载条件下产生何种失效形 式，除与自身强度大小有关外，还与承载条件下的应 力状态有关。 不同的应力状态，其最大正应力σmax与最大切应力τmax 的相对大小是不一样的。因此，对金属变形和断裂性 质将产生不同影响。为此，我们必须知道不同静加载 方式下试样中τmax 和σmax的计算方法及其相对大小的表 示方法。第二章

由材料力学可知，任何复杂应力状态均可用三个 主力σ1、σ2和σ3(σ1>σ2>σ3)来表示。 根据这三个主应力， 由最大切应力理论计算最大切应力： τmax=(σ1-σ3)/2; 由相当最大正应力理论计算最大正应力： σmax=σ1-ν(σ2+σ3)。

应力状态软性系数

——τ —— max 和σmax的比值表示它们的相对大小，记为α

τ max σ1 σ 3 α= = σ max 2σ 1 2υ (σ 2 + σ 3 )对于金属材料：ν取0.25,则

σ1 σ 3 α= 2σ 1 0.5(σ 2 + σ 3 )单向拉伸时的应力状态只有σ1,σ2=σ3=0,因此α=0.5 α↑→τmax↑→应力状态越软，金属越易产生塑性变形和韧 性断裂。第二章

应力状态软性系数

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单向静拉伸的应力状态较硬，一般适用于塑性变形抗 力与切断强度较低的所谓塑性材料试验。 对于塑性较好的金属材料，则常采用三向不等拉伸的 加载方法，使之在更“硬”的应力状态下显示其脆性倾 向。

压缩、弯曲、 第二节 压缩、弯曲、扭转性能一、压缩试验 1、压缩试验的特点： 压缩试验的特点：1)

应力状态软性系数α=2 ,应力状态较软，材料易产生塑 性变形。主要测定拉伸时呈脆性的金属材料在塑性状态 下的力学行为。 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。脆性材料在压缩时除能产生一定的塑性变形外， 常沿与轴线45°方向产生断裂，具有切断特征。

2)

软钢: 易压缩成腰鼓状、扁饼状。 铸铁: 拉伸时断口为正断；压缩时沿45o方向切断。 因此,塑性变形小的材料，或者使用工况为压缩状的材料， 应采用压缩实验。 第二章

试样压至破坏过程中的最大应力。 如果试验时金属材料产生屈服现象，还可测定压缩屈服点σsc.

2、压缩试验 压缩试验用的试样其横截面为圆形或正方形，试 样长度L一般为直径或边长的2.5

-3.5倍。 金属的单向压缩试验按GB/T7314-2005《金属 材料室温压缩试验方法》进行。 3 、主要性能指标： 1、规定非比例压缩应力σpc σ pc = F pc A0 Fbc 2、抗压强度σbc σ bc = A 0

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为了减小试样在压缩过程呈 腰鼓状的趋势，试样的两 端需加工成具有α角度的凹 圆锥面，以便使试样能均 匀变形。

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二、弯曲试验 1、弯曲试验的特点 1) 弯曲试验的试样形状简单，操作方便。 2) 弯曲试验时不存在试样偏斜对试验结果的影响， 可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。 3) 弯曲试验时，试样的表面应力最大，可较灵敏 地反映材料的表面缺陷。 2、弯曲试验的应用 1) 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。 2) 常用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等化学 热处理及表面热处理机件的质量和性能。第二章

弯曲试验

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3、弯曲试验原理

试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最 大弯曲应力：

M σ= W

M-最大弯矩： ( 三点弯曲 M=FLS/4 四点弯曲 M=Fl/2 ) W-试样的抗弯截面系数： 3 πd W = 圆形试样 32 bh 2 矩形试样 W=6第二章

4、弯曲试验力学性能指标金属抗弯试验方法按GB/T232-1999《金属材料弯曲试 验方法》进行。 1)规定非比例弯曲应力σpb 试样弯曲时，外侧表面上的非比例弯曲应变εpb达到规定 值时，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力。 例如：σpb0.01或σpb0.2 三点弯曲： 四点弯曲：

nL 2 s OC = ε 12 Y

pb

n(3L2 4l 2 ) s ε pb OC = 24Y

n-挠度放大系数 Y -圆形试样的半径或矩形试样的半高

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2)抗弯强度σbb 根据试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲 应力公式计算的最大弯曲应力，称为抗弯强度。 3)其它力学性能指标 弯曲弹性模量、断裂挠度f bb、断裂能量U。