脆性材料 拉伸 塑性材料 压缩 塑性材料 0 压缩应力-应变曲线 ε 材料压缩断口特征 二、压缩试压缩试验 压缩试验的试样为圆柱体、正方体或者棱柱体。主要测定脆性材料或低塑性材料的抗压强度σbc、相对压缩εck和相对断面扩涨率ψck。 σbc=εck=ψck=FbcA0h0−hk×100% h0Ak−A0×100%A0hk,Ak分别为断裂时试样的高度和横截面面积。如果在压缩曲线上出现明显的屈服现象，则与拉伸曲线一样，可以通过作图法得到压缩弹性极限σec、屈服强度σsc 等力学性能指标。真实抗压强度低于工程抗压强度。 第三节 金属在弯曲载荷下的力学行为金属在弯曲载荷下的力学行为 一、弯曲试弯曲试验的特点 弯曲试验过程中杆状试样内部主要应力为张应力，但受力表面受到的应力为压应力，所以弯曲试验表现出的力学行为与拉伸和压缩不完全相同。 1、弯曲实验方法用于测定脆性或低塑性材料（铸铁、合金钢、硬质合金等）的强度和显示塑性的差别； 2、由于对表面缺陷比较敏感，所以用于检验表面改性技术的效果，如金属的表面渗碳、渗氮层或淬火层的质量。 二、弯曲试弯曲试验 弯曲试验采用矩形或圆柱形试样，将试样放在支座上，进行三点或四点弯曲加载，测出弯曲力F与挠度f之间的关系曲线（F−f曲线，弯曲图） F 三点弯曲加载 Ls f l F/2 F/2 f Fbb Ls fmax f 四点弯曲加载 F−f弯曲曲线 通常用试样的最大挠度fmax表征材料的变形能力。在弹性变形范围内，受拉侧表面的弯曲应力σ： σ=M为弯矩，W为抗弯截面系数。 M W材料抗弯曲能力的高低用抗弯强度大小表示，写为σbb，它是试样弯曲断裂之前所能承受的最大弯曲应力，测出断裂时的最大弯曲力，利用上式计算出来。 弯曲试验主要用于测定脆性和低塑性材料的抗弯强度，高塑性材料一般采用拉伸实验测定力学性能。此外，弯曲试验还可以测定弯曲弹性模量、断裂挠度fmax和断裂能U等力学性能指标。 第四节 金属在扭矩作用下的力学行为 一、扭转试扭转试验的特点 T 切应力 σ3 T σ1 d0 τ σ1 σ3 L0 切应变 τ 试样表面应力状态 横截面上弹性变形阶段的切应力切应
1、容易显示出金属的塑性； 2、圆柱形试样扭转过程中沿轴向塑性变形是均匀的，不会出现缩颈； 3、对金属表面的缺陷和表面改性相当敏感，可以研究表面质量和表面改性效果；4、可以测定金属的切断强度； 5、可以根据断口的宏观特征，判断材料的塑性能力和杂质含量。（与拉伸实验正好相反！） 塑性材料——断口平整，有回旋状塑性变形花纹（切断断口） 脆性材料——断口呈螺旋状（正断断口） 非金属杂质物或非金属成分偏析——断口形成纵向U型剥层（木纹状断口） 二、扭转试扭转试验 扭转试验采用圆柱形试样，随着扭矩T的增大，标距L0的两个端面的相对扭转角ϕ随之增大，T−ϕ关系曲线称为扭转曲线。在弹性范围内，圆柱体表面的切应力τ和切应变γ可以写成： T Tb τ=TW ϕd0γ=2L0J 扭转曲线 ϕ W为试样抗扭截面系数 扭转试验测定的力学性能指标： 1、切变模量G 弹性变形范围内，切应力与切应变的比值称为切变模量G。 2、扭转屈服强度τs 与拉伸试验一样，扭转实验中塑性材料也会出现屈服现象，对应的屈服切应力称为扭转屈服强度τs τs=Ts W一般规定残余切应变为0.3%时对应的切应力为扭转屈服强度，写为τ0.3。 3、抗扭强度τb 试样扭转断裂之前能够承受的最大扭转切应力称为抗扭强度，以τb表示。利用弹性扭转公式可以计算出τb， τb=Tb WTb为试样断裂前的最大扭矩，真实的抗扭强度小于τb。（参考郑修麟书！） 第五节 金属的抗剪切性能 对于板材、线材、柳钉、销子之类的机械零件，需要进行剪切试验，以确定出抗剪切性能，为材料选择提供参考。常用的剪切试验有单剪切、双剪切和冲孔剪切。 一、单剪切试验 单剪切实验用于测定板材或线材的抗剪强度。 F 试样在单剪切试验时受力和变形情况 F 试样在剪切的过程中在剪切面附件伴随着挤压和弯曲。试样剪切断裂之前剪切面上的最大剪切应力称为抗剪强度，以τb表示。 τb=Fb A0F0,A0分别为试样剪断前的最大载荷（剪切力）和原始横截面积。 二、双剪切试双剪切试验 双剪切试验的试样为圆柱体，是将试样放在压式或拉式剪切器内进行加载，是最常用的剪切实验。 F F/2 F/2 双剪切实验试样受力和变形情况 试样断裂时的载荷为Fb，则材料的抗剪强度τb τFbb=2A 0A0为圆柱体的原始横截面积。 三、冲孔剪切试冲孔剪切试验 冲孔剪切实验用于测定金属薄板的抗剪强度，实验装置如下图所示，断裂面为一圆柱面。 F t d0 冲孔剪切试验装置 抗剪强度τb τFbb=πd 0t第六节 金属缺口试样静载荷试验金属缺口试样静载荷试验 一、缺口效应 1、缺口试样在弹性状态下的应力状态 （1）金属薄板 σ纵向拉伸试样 y σxx 薄板缺口在拉伸时弹性状态下的应力分布 薄板在拉伸的过程中沿轴向应力σy在缺口根部处最大，产生应力集中，并沿x方向逐渐降低。由此导致在x方向出现了横向拉应力σx，以保证薄板的连续性。由于在垂直于板面方向上薄板可以自由伸缩变形，所以σz=0，在薄板中心位置的应力状态为两向拉伸的平面应力，但在缺口根部（σx=0）为单向拉伸状态。 （2）金属厚板 厚板在缺口根部为两向应力状态，在中心位置为三向拉伸的平面应变状态。 缺口第一个效应：引起应力集中，使缺口试样由原来的单向应力状态变成两向应力状态（薄板，平面应力状态），或者三向应力状态（厚板，平面应变状态）。 2、缺口试样在塑性状态下的应力分布 对于塑性金属材料，当缺口出现屈服塑性变形时，随着外加拉应力的不断增大，屈服塑性变形往金属内部扩展，而且三向应力（σx,σy,σz）的最大值将越来越大，使金属的屈服强度和抗拉强度显著增大，但是，这种“缺口强化”是由于三向拉伸应力约束了塑性变形引起的，将导致金属材料的塑性降低，增加金属材料的脆性。 缺口的第二个效应：缺口使塑性材料的强度提高，但塑性降低（塑性状态）。 缺口对金属材料力学性能的影响可以通过静拉伸实验和静弯曲实验进行评价。 二、缺口试样静拉伸试缺口试样静拉伸试验 缺口试样的静拉伸实验：轴向拉伸和偏斜拉伸 1、轴向拉伸实验（圆柱体试样） 缺口拉伸试样结构 缺口对拉伸力学性能的影响可以利用缺口试样抗拉强度σbn和与相同尺寸的光滑试样的抗拉强度σb比值判断，这个比值称为缺口敏感度（NSR）。 NSR=σbn σbNSR越大，缺口敏感性越小。脆性材料NRS小于1，对缺口非常敏感；塑性材料NSR大于1。 三、缺口试样缺口试样静弯曲试样静弯曲试静弯曲试验（矩形试样） 缺口试样静弯曲实验 F 做出弯曲力F—挠度f关系曲线，即缺口试样的静弯曲曲线，如下图所示。可以将材料（脆性材料）的变形过程分为三个区域：弹性变形区（I）、塑性变形区（II）和断裂区（III），如下图所示。曲线所包围的面积对应于弹性变形功、塑性变形功及断裂功。 缺口敏感度可以利用断裂功Wk或者Fmax/F1的比值表示，两者越大，缺口敏感性越小。比值为1时出现脆性断裂，敏感性最高。 第七节 金属的硬度金属的硬度 一、金属硬度的意义 硬度是表征金属材料软硬程度的一种力学性能，根据实验方法，硬度大致可以分类三种类型：压入法、弹性回跳法和划痕法，划痕法只能定性评估材料的硬度，现在一般不再使用。 压入法包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等，其硬度值表征金属塑性变形抵抗力以及应变硬化的能力。 弹性回跳法包括肖氏硬度和里氏硬度，其硬度值表征金属弹性变形功的大小。 二、硬度试硬度试验 1、布氏硬度（HB） D 将直径为D的钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定时间t后，试样表面留下压痕。布氏硬度值（HB）就是试验用的压力F除以压痕球形表面的面积A， HB=0.102F0.204F= 22AπD(D−D−d)其中，F的单位为N，面积的单位为mm2，布氏硬度一般不标出单位。 对于不同的金属材料或者不同厚度的同一种金属材料，为了使测量出的硬度值具有可比性（相互比较！），必须使F/D2保持常数，而且压痕直径d应控制在（0.24 ~ 0.6）D之间。一般不同材料会选择不同的F/D2。 适用范围及特点： （1） 淬火钢球只能用于测量HB< 450材料的硬度；硬质合金球用于测量HB ≤ 650材料的硬度，一般HB> 450时，就应该测量材料的洛氏硬度； （2）压痕较大，测量值重复性好，但不能测量薄壁件或硬化层的硬度； （3）检验耗时，不适合流水线作业。 2、洛氏硬度（HR） 洛氏硬度试验用压痕深度表示材料的硬度值。 洛氏硬度试验所用的压头为圆锥角为120°的金刚石圆锥体或者小淬火钢球。试验时先加初始试验力F0，在试样表面得到一个深度为h0的压痕，这个时候测量压痕深度的百分表指针指向零。然后加上主实验力F1，卸除F1之后，百分表指针所指的压痕深度就是洛氏硬度值（HR）。 不同软硬和厚薄的金属材料，采用由不同压头和试验力组成的不同洛氏标尺。 为了测量很薄试样以及各种表面处理层的金属硬度，提出表面洛氏硬度试验方法，主要是降低了试验力大小。 适用范围和特点： （1）可以测量各种不同材质、厚度的金属材料硬度，可用于成品零件质量的批量检验； （2）预加载荷可以消除表面轻微的不平整； （3）不同的洛氏标尺测量出的硬度值无法相互比较。 3、维氏硬度（HV） 维氏硬度试验原理与布氏硬度试验相同，但采用的压头是金刚石四棱锥体。 金刚石四棱锥体压头的形状 根据压头在试样表面压出的四方锥形压痕，计算出对角线平均长度，然后利用以下公式计算维氏硬度值（HV）： 0.102F0.204Fsin(136o/2)F==0.1891 HV=22Add4、显微硬度 如果试验力比较小，在0.098 ~ 1.961 N，可以测量极薄表面层的硬度以及合金中微区组成相的硬度，一般利用显微镜测量对角线长度，测量出的硬度称为显微硬度。 （1）显微维氏硬度 原理与维氏硬度相同，只是使用的载荷更小。一般需要测试出的硬度值要注明使用的载荷。 （2）显微努氏硬度 采用长棱形金刚石压头，压痕是棱形的，长对角线是短对角线的7倍，而且用单位压痕投影面积上承受的力表示硬度。超声努氏硬度计（微区的硬度分布）。 （3）纳米硬度，它是比显微硬度更加精细的一种新规定的超微观硬度法，用于测量微区的硬度值。 纳米硬度计（纳米硬度计（瑞士CSEM公司） 主要用途： 主要功能： （1）测试前以及测试后使用光学显微镜自动进行检测； （2）电磁力驱动； （3）电容法测量压痕深度；（4）用于自动采集数据的软件包； （5）使用CSEM原子力显微镜扫描眼图像。使用范围： 纳米硬度计用于纳米量级的载荷和压痕
深度的测量。适用于测量在微电子、汽车、光学以及医药等领域广泛使用的薄膜的硬度和弹性模量。包括：（1）物理气象沉积（PVD）、化学气象沉积（CVD）和离子束辅助沉积（IBAD）等方法制备的薄膜和多层膜 （2）光阻材料、涂料、油漆以及其它类型的薄膜，应用与光学、微电子、保护和装饰等方面。 仪器类别： 03050304 /仪器仪表 /试验机 /金属材料万能试验机 /电液伺服万能试验机 指标信息： 1.最大位移20µm； 2.位移分辨率：0.3µm； 3.最大荷载300mN； 4.力分辨率1µm 附件信息： 原子力显微镜 技术指标：载荷范围为0.1mN-300mN。 适用范围和特点： ① 可以测量各种金属材料的硬度值，包括极薄零件和表面处理的硬化层硬度分布； ② 微小区域中的组成相硬度，测量精度高； ③ 效率低，不适合于批量检验。 5、肖氏硬度和里氏硬度 它们都是动载荷试验法，即以规定质量的冲击体按一定速度冲击试样表面，测量冲击体回跳高度（肖氏硬度，HS=Kh/h0，K为肖氏硬度系数）或回跳速度（里氏硬度，HL）来表征金属的硬度。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容