工程材料力学性能第二章.ppt
第二章第二章金属在其它静载荷下的力学性能金属在其它静载荷下的力学性能第一页，编辑于星期五：六点四十七分。目的：目的：v1实际构件服役承受压缩、弯矩或扭矩作用，实际构件服役承受压缩、弯矩或扭矩作用，或有螺纹、孔洞、台阶等引起应力集中的部位或有螺纹、孔洞、台阶等引起应力集中的部位;v2不同的加载方式将产生不同的应力状态。不同的加载方式将产生不同的应力状态。第二页，编辑于星期五：六点四十七分。本章主要内容：本章主要内容：v1.应力状态软性系数的概念，应力状态软性系数的概念，v2.压缩、弯曲、扭转和缺口试祥拉伸等特点、压缩、弯曲、扭转和缺口试祥拉伸等特点、应用范围及力学性能指标。应用范围及力学性能指标。v3.金属的硬度试验方法金属的硬度试验方法:布氏硬度、洛氏硬布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度度和维氏硬度。vv第三页，编辑于星期五：六点四十七分。第一节第一节应力状态软性系数应力状态软性系数v塑性变形和断裂塑性变形和断裂(韧性的或脆性的韧性的或脆性的)是金属材料在静载荷是金属材料在静载荷下失效的主要形式。下失效的主要形式。v工程上总是希望构件在韧性状态下工作，避免危险的脆工程上总是希望构件在韧性状态下工作，避免危险的脆性断裂。性断裂。构件或材料是韧性或脆性状态，取决材料本身的组构件或材料是韧性或脆性状态，取决材料本身的组织结构，还取决于应力状态，温度和加载速率等因素，织结构，还取决于应力状态，温度和加载速率等因素，并不是固定不变的，而是可以互相转化的。并不是固定不变的，而是可以互相转化的。v举例：举例：铸铁铸铁压压韧，拉韧，拉脆脆v韧性低碳钢韧性低碳钢光滑，缺口光滑，缺口第四页，编辑于星期五：六点四十七分。一一应力状态软性系数应力状态软性系数v由材料力学可知，任何复杂的应力状态都可以用切由材料力学可知，任何复杂的应力状态都可以用切应力和正应力表示。应力和正应力表示。切应力促进塑性变形，对塑性切应力促进塑性变形，对塑性韧性有利；拉应力促进断裂，不利于塑性和韧性。韧性有利；拉应力促进断裂，不利于塑性和韧性。v任何复杂应力状态都可用三个主应力任何复杂应力状态都可用三个主应力123来表示。来表示。v应力状态的柔度系数应力状态的柔度系数(亦叫软性系数亦叫软性系数)第五页，编辑于星期五：六点四十七分。第六页，编辑于星期五：六点四十七分。v三向不等拉伸：=0.1v单拉：单拉：1=2=3=0=0.5v扭转v单向压缩：=2取=0.25=0.8第七页，编辑于星期五：六点四十七分。v值越大，切应力越大，应力状态越值越大，切应力越大，应力状态越“软软”，金属越易于塑性变形和韧性断裂。，金属越易于塑性变形和韧性断裂。v值越小，正应力越大，应力状态越值越小，正应力越大，应力状态越“硬硬”，金属越不易塑性变形而脆性断裂。，金属越不易塑性变形而脆性断裂。v塑性与材料的结构、成分和应力状态有关，塑性与材料的结构、成分和应力状态有关，改变应力状态改变应力状态改变塑性。改变塑性。第八页，编辑于星期五：六点四十七分。应力状态软性系数应力状态软性系数的目的：的目的：v1、对应力状态改变塑性的影响，从定性到定量。、对应力状态改变塑性的影响，从定性到定量。v2、通过改变应力状态、通过改变应力状态改变塑性，脆性材料改变塑性，脆性材料和和塑性材料。塑性材料。v3、影响断裂的内在因素是材料本性，如、影响断裂的内在因素是材料本性，如s,bv4、外在因素：应力状态，温度和加载速度、外在因素：应力状态，温度和加载速度第九页，编辑于星期五：六点四十七分。第二节第二节压缩压缩压缩试验的特点：压缩试验的特点：v一一与拉伸相似：反向的拉伸与拉伸相似：反向的拉伸v拉伸时定义的各个力学性能指标和相应的拉伸时定义的各个力学性能指标和相应的计算公式，在压缩试验中基本实用。计算公式，在压缩试验中基本实用。2与拉不同：与拉不同：v变形不同：高度降低，截面积增加；变形不同：高度降低，截面积增加；v变形曲线、形态不同：塑性材料不裂。变形曲线、形态不同：塑性材料不裂。第十页，编辑于星期五：六点四十七分。二二与拉伸不同点：与拉伸不同点：v1.如压缩时试件不是伸长而是缩短，横截面如压缩时试件不是伸长而是缩短，横截面不是缩小而是胀大。不是缩小而是胀大。v2.塑性材料压缩时只发生压缩变形而不断裂，塑性材料压缩时只发生压缩变形而不断裂，压缩曲线一直上升。压缩曲线一直上升。v考察塑性材料对加工工艺的适应性。考察塑性材料对加工工艺的适应性。v3.单向压缩载荷，应力状态软性系数单向压缩载荷，应力状态软性系数2。第十一页，编辑于星期五：六点四十七分。v在拉伸裁荷下脆性断裂的材料在拉伸裁荷下脆性断裂的材料(例如灰铸铁例如灰铸铁)，在压缩试，在压缩试验时也会显示一定的塑性。验时也会显示一定的塑性。第十二页，编辑于星期五：六点四十七分。例如例如灰铸铁：灰铸铁：v拉伸正断，塑性变形量几乎为零。拉伸正断，塑性变形量几乎为零。v压缩时沿与轴线呈压缩时沿与轴线呈450方向产生切断。方向产生切断。v若对脆性材料施加多向不等压缩载荷，由于应力状态软性若对脆性材料施加多向不等压缩载荷，由于应力状态软性系数系数2，更易产生塑性变形。，更易产生塑性变形。三三应用应用v1.对于脆性材料比较其塑性差异而采用压缩试验。对于脆性材料比较其塑性差异而采用压缩试验。v2.对于在接触表面处承受多向压缩应力的机件，如滚动轴对于在接触表面处承受多向压缩应力的机件，如滚动轴承的套圈与滚动体，采用多向压缩试验，使试验条件更接承的套圈与滚动体，采用多向压缩试验，使试验条件更接近实际服役条件。近实际服役条件。第十三页，编辑于星期五：六点四十七分。v1塑性材料v2脆性材料第十四页，编辑于星期五：六点四十七分。压缩试验压缩试验v用于脆性材料或低塑性材料塑性的度量，如铸铁、陶瓷等。用于脆性材料或低塑性材料塑性的度量，如铸铁、陶瓷等。v1压缩试件为圆柱体、立方体和棱柱体。压缩试件为圆柱体、立方体和棱柱体。v2为防止压缩时试件失稳，试件的高度和直径之比为防止压缩时试件失稳，试件的高度和直径之比vA0d0应取应取1.5-2.0。v为使试验结果能比较，试件的为使试验结果能比较，试件的h0d0值相等。值相等。v对于几何形状不同的试件，则对于几何形状不同的试件，则h0A0为定值。为定值。v3压缩试验时压缩试验时,两端面光滑平整，相互平行两端面光滑平整，相互平行，涂润滑油或，涂润滑油或石墨粉进行润滑。试件的端面加工成凹锥面。石墨粉进行润滑。试件的端面加工成凹锥面。第十五页，编辑于星期五：六点四十七分。v4通过压缩试验可测定下列主要压缩性能指标。通过压缩试验可测定下列主要压缩性能指标。v(1)规定非比例压缩应力规定非比例压缩应力v试样标距段内的非比例压缩变形达到规定的原始标距百分试样标距段内的非比例压缩变形达到规定的原始标距百分比时的应力，称为规定非比例压缩应力比时的应力，称为规定非比例压缩应力。v例如分别表示规定非比例压缩应变为例如分别表示规定非比例压缩应变为0.01、0.2时的压缩时的压缩应力应力。v(2)抗压强度抗压强度试样压至破坏过程中的最大应力称为抗压试样压至破坏过程中的最大应力称为抗压强度。强度。v(3)压缩试验也可测定金属压缩杨氏模量。压缩试验也可测定金属压缩杨氏模量。v对于在压缩时产生明显屈服现象可测定压缩屈服点。还可通对于在压缩时产生明显屈服现象可测定压缩屈服点。还可通过最大变形量比较材料的塑性性能过最大变形量比较材料的塑性性能。第十六页，编辑于星期五：六点四十七分。第三节第三节弯曲弯曲一一.弯曲试样的特点弯曲试样的特点与拉伸试验相比有与拉伸试验相比有以下特点：以下特点：v(1)试样形状简单、操作方便，无偏斜，用试样弯曲试样形状简单、操作方便，无偏斜，用试样弯曲的挠度表示材料的塑性。的挠度表示材料的塑性。v(2)试样表面应力最大，较灵敏地反映材料表面缺陷。用试样表面应力最大，较灵敏地反映材料表面缺陷。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。量和性能。v(3)测定铸铁、铸造合金、工具钢及硬质合金等脆性测定铸铁、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。与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。（4）对于承受弯曲载荷的机件如轴、板状弹簧等常用弯）对于承受弯曲载荷的机件如轴、板状弹簧等常用弯曲试验测定其力学性能以作为选材的依据。曲试验测定其力学性能以作为选材的依据。第十七页，编辑于星期五：六点四十七分。v二二.弯曲试验弯曲试验v弯曲试验时采用矩形或圆柱形试件。弯曲试验时采用矩形或圆柱形试件。v试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力按下试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力按下式计算：式计算：v(24)第十八页，编辑于星期五：六点四十七分。v弯曲试验主要性能指标：v非比例弯曲应力pbv抗弯强度bb试样弯曲至断裂前达到最大弯曲力。第十九页，编辑于星期五：六点四十七分。v从弯曲力从弯曲力挠度曲线上还可测出弯曲弹性模量挠度曲线上还可测出弯曲弹性模量Eb、断裂挠度断裂挠度fb及断裂能量及断裂能量U(曲线下所包围的面积曲线下所包围的面积)等性能指等性能指标标。典型材料的弯曲图典型材料的弯曲图1塑性材料塑性材料2中等塑性材料中等塑性材料3脆性材料脆性材料第二十页，编辑于星期五：六点四十七分。v第四节第四节扭转扭转1扭转时的应力扭转时的应力状态软性系数状态软性系数v取取0.8第二十一页，编辑于星期五：六点四十七分。2、扭转试验具有如下特点、扭转试验具有如下特点:v1）=0.8，比拉伸的，比拉伸的大，易于显示金属的塑性行为，大，易于显示金属的塑性行为，特别是拉伸时呈现脆性的金属材料的塑性性能。特别是拉伸时呈现脆性的金属材料的塑性性能。v2)塑性变形均匀，没有缩颈现象。能精确地反映出高塑塑性变形均匀，没有缩颈现象。能精确地反映出高塑性材料，直至断裂前的变形能力和强度。性材料，直至断裂前的变形能力和强度。v3)表面切应力最大，能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面切应力最大，能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。表面硬化层的性能。v可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。面强化工艺的效果。第二十二页，编辑于星期五：六点四十七分。v4)扭转时试样中的最大正应力与最大切应力在数值上扭转时试样中的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生产上所使用的大部分金属材料的正断大体相等，而生产上所使用的大部分金属材料的正断抗力抗力大于切断抗力大于切断抗力，扭转试验是测定这些材料切断，扭转试验是测定这些材料切断抗力最可靠的方法。抗力最可靠的方法。5）根据扭转试样的宏观断口特征，区分金属材料最终断）根据扭转试样的宏观断口特征，区分金属材料最终断裂方式是正断还是切断。裂方式是正断还是切断。v6）不仅适用于脆性也适用于塑性金属材料。）不仅适用于脆性也适用于塑性金属材料。v7）缺点缺点表面切应力大，心部小，变形不均匀。表面切应力大，心部小，变形不均匀。第二十三页，编辑于星期五：六点四十七分。二、扭转实验扭转试样：圆柱形式（d0=10mm，L0=50m或100mm）试验方法：对试样施加扭矩T，相对扭转角以表示第二十四页，编辑于星期五：六点四十七分。弹性范围内表面的切应力和切应变v扭转试验可测定下列主要性能指标：v(1)切变模量Gvv(2)扭转屈服点s：与金属材料(如低碳钢)拉伸试验屈服现象同。v(3)抗扭强度b：根据试样在扭断前承受的最大扭矩Tb，利用弹性扭转公式计算的切应力，称为抗扭强度。即vv第二十五页，编辑于星期五：六点四十七分。三、扭转试验应用三、扭转试验应用实际上扭转试验的应用场合，在多数情况下是研究塑性材料在大应变实际上扭转试验的应用场合，在多数情况下是研究塑性材料在大应变范围时的力学行为，它能更真实地反映材料的塑性和形变抗力。扭范围时的力学行为，它能更真实地反映材料的塑性和形变抗力。扭转试验的实际应用主要表现在：转试验的实际应用主要表现在：(1)用热扭转试验确定材料在热加工用热扭转试验确定材料在热加工(轧制、锻造、挤压轧制、锻造、挤压)时的最佳温度时的最佳温度(2)对单相合金，用热扭转试验确对单相合金，用热扭转试验确定材料在高温时发生的动态回复定材料在高温时发生的动态回复和动态再结晶过程和动态再结晶过程(3)对多相合金，用热扭转研究不对多相合金，用热扭转研究不稳定组织的转变，或者模拟某种稳定组织的转变，或者模拟某种热加工成形方式研究其组织特点热加工成形方式研究其组织特点第二十六页，编辑于星期五：六点四十七分。第五节第五节缺口试样静载实验缺口试样静载实验缺口对材料性能的影响缺口对材料性能的影响v大多数机构或构件，零件都含有缺口的，如键槽，油孔，大多数机构或构件，零件都含有缺口的，如键槽，油孔，台阶，螺纹台阶，螺纹,爆缝等对材料的性能影响有以下四个方面：爆缝等对材料的性能影响有以下四个方面：v1缺口产生应力集中缺口产生应力集中v2引起三向应力状态引起三向应力状态,使材料脆化使材料脆化v3由应力集中产生应变集中由应力集中产生应变集中v4使缺口附近的应变速率增高使缺口附近的应变速率增高v第二十七页，编辑于星期五：六点四十七分。v切口几何的三个主要参数为：切口几何的三个主要参数为：v切口深度切口深度t、切口根部的曲率半径、切口张、切口根部的曲率半径、切口张角角。第二十八页，编辑于星期五：六点四十七分。第二十九页，编辑于星期五：六点四十七分。v(一一)缺口试样在弹性状态下的应力分布缺口试样在弹性状态下的应力分布v1.薄板：薄板：v缺口截面上的缺口截面上的v应力分布是不均匀的。应力分布是不均匀的。v轴向应力轴向应力y在缺口根部最大。在缺口根部最大。随着离开根部距离的增大，随着离开根部距离的增大，y不断下降，即在缺口根部产生不断下降，即在缺口根部产生应力集中。应力集中。v最大应力决定于缺口几何参数最大应力决定于缺口几何参数v(形状、深度、角度及根部曲率半径形状、深度、角度及根部曲率半径)，v以根部曲率半径影响最大，以根部曲率半径影响最大，v缺口越尖锐，应力越大。缺口越尖锐，应力越大。第三十页，编辑于星期五：六点四十七分。v厚度方向厚度方向：z=0v横向横向：拉应力：拉应力xv根部根部(x0处处)x0，单向拉伸单向拉伸v中心部分：（中心部分：（x0处）处）x0vx=yv两向拉伸平面应力状态。两向拉伸平面应力状态。第三十一页，编辑于星期五：六点四十七分。缺口引起应力集中缺口引起应力集中v1）缺口根部的应力最大）缺口根部的应力最大;v2）应力集中系数）应力集中系数Kt：表示缺口产生应力集中的影响：表示缺口产生应力集中的影响。应力应力SLmax为缺口根部的最大应力为缺口根部的最大应力m m为净截面上的平均应力为净截面上的平均应力v在弹性范围内在弹性范围内,Kt的数值决定于缺口的几何形状和尺的数值决定于缺口的几何形状和尺寸寸与材料性质无关与材料性质无关.第三十二页，编辑于星期五：六点四十七分。v2.厚板：厚板：vz=0,z0v根部根部:两向拉伸力状态，两向拉伸力状态，v内侧内侧:三向拉伸的立体应力平面应变状态，三向拉伸的立体应力平面应变状态，vz（yx）vyzx第三十三页，编辑于星期五：六点四十七分。3.缺口效应：缺口效应：v1）根部应力集中）根部应力集中v2）改变缺口的应力状态，由单向应力状态改变为两）改变缺口的应力状态，由单向应力状态改变为两向或三向应力状态，出现向或三向应力状态，出现x(平面应力状态平面应力状态)或或x与与z(平面应变状态平面应变状态)，据板厚或直径而定。，据板厚或直径而定。v薄板：薄板：z=0，x0，y0，平面应力状态；，平面应力状态；v厚板：厚板：z=0，x0，y0，立体应力、平面应变立体应力、平面应变状态；状态；v3)缺口强化，即脆化倾向增加，难于塑性变形。缺口强化，即脆化倾向增加，难于塑性变形。第三十四页，编辑于星期五：六点四十七分。(二二)缺口试样在塑性状态下的应力分布缺口试样在塑性状态下的应力分布以厚板为例以厚板为例:1.缺口根部：缺口根部：v根据屈雷斯加判据，根据屈雷斯加判据，v屈服条件屈服条件max=y-x=s。v在缺口根部，在缺口根部，x0，v故：故：max=y=s。v当外加载荷增加时，也随之增加，当外加载荷增加时，也随之增加，v缺口根部最先满足缺口根部最先满足max=y=s第三十五页，编辑于星期五：六点四十七分。v2.缺口内侧：缺口内侧：vy=x+sz=(x+y)vy、z向的应力随向的应力随x的增大而增大。的增大而增大。v3.随着塑性变形逐步向内部转移，随着塑性变形逐步向内部转移，v各应力峰值越来越大各应力峰值越来越大并逐步移向中心并逐步移向中心。v试样中心区最大。试样中心区最大。第三十六页，编辑于星期五：六点四十七分。v缺口效应缺口效应v（1）缺口三向应力状态产生应力集中；）缺口三向应力状态产生应力集中；v（2）缺口强化：缺口试样的屈服强度高于光滑试样；缺口强化：缺口试样的屈服强度高于光滑试样；v注意：缺口强化并不是金属的内在注意：缺口强化并不是金属的内在v性能发生变化。性能发生变化。v（3）由应力集中产生应变集中由应力集中产生应变集中；v（4）缺口附近应变速率高于平均应变速率。缺口附近应变速率高于平均应变速率。v总结：无论脆性材料或塑性材料，缺口造成两向或三总结：无论脆性材料或塑性材料，缺口造成两向或三向应力状态和应力应变集中而产生变脆倾向，降低了使向应力状态和应力应变集中而产生变脆倾向，降低了使用的安全性。用的安全性。第三十七页，编辑于星期五：六点四十七分。(三三)缺口试样静拉伸试验缺口试样静拉伸试验v轴向拉伸和偏斜拉伸两种。轴向拉伸和偏斜拉伸两种。1、缺口敏感性、缺口敏感性:以缺口试样的抗拉强度与光滑试样的抗拉以缺口试样的抗拉强度与光滑试样的抗拉强度的比值来衡量，称为缺口敏感度，并以强度的比值来衡量，称为缺口敏感度，并以NSR(NotchSensitivityRatio)表示：表示：vNSR越大，缺口敏感性越小。越大，缺口敏感性越小。v脆性材料：脆性材料：NSR总是小于总是小于1，表明缺口根部尚未发生，表明缺口根部尚未发生明显塑性变形时就已经脆性断裂；明显塑性变形时就已经脆性断裂；v高强度材料：高强度材料：NSR一般也小于一般也小于1；v塑性材料：一般塑性材料：一般NSR1。第三十八页，编辑于星期五：六点四十七分。2缺口试样静拉伸试验：用于研究高强度钢的力学性能、缺口试样静拉伸试验：用于研究高强度钢的力学性能、钢和钛的氢脆以及用于研究高温合金的缺口敏感性等。钢和钛的氢脆以及用于研究高温合金的缺口敏感性等。v缺口敏感度指标缺口敏感度指标NSR是安全性的力学性能指标。是安全性的力学性能指标。v材料缺口静拉伸的力学行为如图材料缺口静拉伸的力学行为如图第三十九页，编辑于星期五：六点四十七分。第四十页，编辑于星期五：六点四十七分。v3缺口试样偏斜拉伸试验：复合作用复合作用拉伸弯曲拉伸弯曲更更“硬硬”更不均匀更敏感更不均匀更敏感作用：作用：适合高强度螺栓之类零件的选材和热处理工艺的适合高强度螺栓之类零件的选材和热处理工艺的优化。如带有缺口螺拴。优化。如带有缺口螺拴。第四十一页，编辑于星期五：六点四十七分。第四十二页，编辑于星期五：六点四十七分。（四）缺口试样静弯曲试验（四）缺口试样静弯曲试验v显示缺口敏感性显示缺口敏感性:光滑试样的静弯试验主要用来评定工具钢或一光滑试样的静弯试验主要用来评定工具钢或一些脆性材料的力学性能，而缺口试样的静弯试验则用来评定或比些脆性材料的力学性能，而缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。v缺口和弯曲引起的应力不均匀性叠加。缺口和弯曲引起的应力不均匀性叠加。v试验试验:v记录弯曲曲线：试验力记录弯曲曲线：试验力P与挠度与挠度f关系曲线，直至试样断裂。关系曲线，直至试样断裂。第四十三页，编辑于星期五：六点四十七分。第四十四页，编辑于星期五：六点四十七分。断裂功的大小取决于材料塑性。断裂功的大小取决于材料塑性。v断裂功或断裂功或Fmax/F1比值表示金属的缺口敏感度：塑性好比值表示金属的缺口敏感度：塑性好的材料裂纹扩展慢，断裂功增大；的材料裂纹扩展慢，断裂功增大；v断裂功大或断裂功大或Fmax/F1大，缺口敏感性小；大，缺口敏感性小；v反之，则缺口敏感性大。反之，则缺口敏感性大。v若断裂功为零或若断裂功为零或Fmax/F1=1，v表明裂纹扩展极快，金属产生突然脆性断裂，表明裂纹扩展极快，金属产生突然脆性断裂，v缺口敏感性最大。缺口敏感性最大。第四十五页，编辑于星期五：六点四十七分。思考题：思考题：v1缺口效应及其产生原因；缺口效应及其产生原因；v2缺口强化；缺口强化；v3缺口敏感度。缺口敏感度。v第四十六页，编辑于星期五：六点四十七分。第六节第六节硬度硬度前言前言 古时，利用固体互相刻划来区分材料的软硬古时，利用固体互相刻划来区分材料的软硬古时，利用固体互相刻划来区分材料的软硬古时，利用固体互相刻划来区分材料的软硬 硬度仍用来表示材料的软硬程度。硬度仍用来表示材料的软硬程度。硬度仍用来表示材料的软硬程度。硬度仍用来表示材料的软硬程度。硬度值大小取决于材料的性质、成分和显微组织，测硬度值大小取决于材料的性质、成分和显微组织，测量方法和条件不符合统一标准就不能反映真实硬度。量方法和条件不符合统一标准就不能反映真实硬度。目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。硬度测定简便，造成的表面损伤小，基本上属于硬度测定简便，造成的表面损伤小，基本上属于硬度测定简便，造成的表面损伤小，基本上属于硬度测定简便，造成的表面损伤小，基本上属于“无损无损无损无损”检测的范畴检测的范畴检测的范畴检测的范畴。第四十七页，编辑于星期五：六点四十七分。金属硬度的意义金属硬度的意义1硬度：硬度：表征金属材料软硬程度的一种性能。是指金表征金属材料软硬程度的一种性能。是指金属在表面上的不大体积内抵抗变形或破裂的能力属在表面上的不大体积内抵抗变形或破裂的能力.vv硬度不是金属独立的基本性能。硬度不是金属独立的基本性能。硬度不是金属独立的基本性能。硬度不是金属独立的基本性能。v表征哪种抗力，决定采用的试验方法表征哪种抗力，决定采用的试验方法:A.塑性变形抗力及应变硬化能力：塑性变形抗力及应变硬化能力：vv压入硬度试验：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度，显压入硬度试验：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度，显压入硬度试验：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度，显压入硬度试验：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度，显微硬度微硬度微硬度微硬度.v可测量脆性材料（陶瓷材料）的硬度，表面处理的可测量脆性材料（陶瓷材料）的硬度，表面处理的工件。工件。第四十八页，编辑于星期五：六点四十七分。B.抵抗破裂能力：抵抗破裂能力：刻划片型硬度试验：刻划硬度刻划片型硬度试验：刻划硬度C.抵抗金属弹性变形能力：抵抗金属弹性变形能力：回跳法，肖氏硬度（手提法）回跳法，肖氏硬度（手提法）回跳法，肖氏硬度（手提法）回跳法，肖氏硬度（手提法）应用于大型工件应用于大型工件应用于大型工件应用于大型工件 第四十九页，编辑于星期五：六点四十七分。v硬度数值在真实应力应变曲线上的位置硬度数值在真实应力应变曲线上的位置第五十页，编辑于星期五：六点四十七分。2硬度试验：在金属表面局部体积内产生很小的压痕硬度试验：在金属表面局部体积内产生很小的压痕。在成品或试样上。在成品或试样上。采用硬度试验易于检查金属表面层的质量采用硬度试验易于检查金属表面层的质量(如脱如脱碳、碳、表面淬火和化学热处理后的表面性能等。表面淬火和化学热处理后的表面性能等。硬度试验的方法：硬度试验的方法：v压入法：如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等；压入法：如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等；v划痕法：如莫氏硬度；划痕法：如莫氏硬度；v弹性回跳法弹性回跳法：如肖氏硬度。：如肖氏硬度。第五十一页，编辑于星期五：六点四十七分。应用最广的是压入硬度试验：应用最广的是压入硬度试验：2几乎所有金属材料都能产生塑性变形。几乎所有金属材料都能产生塑性变形。v应用：测定塑性金属材料的硬度；测定淬火应用：测定塑性金属材料的硬度；测定淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。第五十二页，编辑于星期五：六点四十七分。3硬度试验意义硬度试验意义1设备简单，操作方便迅速，不破坏表面；设备简单，操作方便迅速，不破坏表面；2测量局部区域抵抗变形、断裂的能力；测量局部区域抵抗变形、断裂的能力；3能敏感地反映出金属材料的化学成分和组织结构的差能敏感地反映出金属材料的化学成分和组织结构的差异。用于检查性能、热加工工艺质量或研究金属组织结构异。用于检查性能、热加工工艺质量或研究金属组织结构的变化。的变化。4所测硬度不是独立的力学性能指标，与其它力学性所测硬度不是独立的力学性能指标，与其它力学性能有一定关系，综合反映材料的力学性能；能有一定关系，综合反映材料的力学性能；如：如：bKHB5硬度试验特别是压入硬度试验在生产及科学研究个得硬度试验特别是压入硬度试验在生产及科学研究个得到了广泛的应用；到了广泛的应用；第五十三页，编辑于星期五：六点四十七分。v硬度试验硬度试验(一一)布氏硬度试验基本原理布氏硬度试验基本原理HBSHBW压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留下压痕，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。硬度值。第五十四页，编辑于星期五：六点四十七分。1.布氏硬度的测定原理：第五十五页，编辑于星期五：六点四十七分。vt测量困难测量困难,测定测定d容易容易df(t)v将上式中的将上式中的t换成换成d。则有。则有vv根据不同根据不同d值，可查表或计算出值，可查表或计算出HB值。值。第五十六页，编辑于星期五：六点四十七分。v2.布氏硬度试验规程布氏硬度试验规程vv(1)布氏硬度试验方法和技术条件在国标布氏硬度试验方法和技术条件在国标GB231-84中有明确规定中有明确规定.v(2)压痕直径压痕直径d和钢球直径和钢球直径D的比值的比值0.2Dd450HB450以上硬材料，不能以上硬材料，不能以上硬材料，不能以上硬材料，不能使用。使用。使用。使用。vv所以，压痕大，不宜于不允许有较大压痕的工件，也所以，压痕大，不宜于不允许有较大压痕的工件，也不宜于薄件试样。不宜于薄件试样。第五十九页，编辑于星期五：六点四十七分。v思考题：思考题：vv1布氏硬度原理；布氏硬度原理；v2布氏硬度的试验规程；布氏硬度的试验规程；布氏硬度的试验规程；布氏硬度的试验规程；vv3布氏硬度的特点和适用范围；布氏硬度的特点和适用范围；v4布氏硬度的表示。布氏硬度的表示。布氏硬度的表示。布氏硬度的表示。v第六十页，编辑于星期五：六点四十七分。符号表示：符号表示：vv压头为淬火钢球，压头为淬火钢球，压头为淬火钢球，压头为淬火钢球，HBSHBS；vv压头为硬质合金球，压头为硬质合金球，HBWHBSHBS或或或或HBWHBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。压头直径、压力和保持时间。压头直径、压力和保持时间。压头直径、压力和保持时间。vv vv 例：例：150HBSl0300030vv 用用用用10mm10mm直径淬火钢球，加压直径淬火钢球，加压直径淬火钢球，加压直径淬火钢球，加压3000kgf3000kgf，保持，保持，保持，保持30s30s，测得的，测得的，测得的，测得的布氏硬度值为布氏硬度值为布氏硬度值为布氏硬度值为150150；v 500HBW5750，vv用硬质合金球，压头直轻用硬质合金球，压头直轻5mm，加压，加压750kgf，保持，保持10-15秒秒(保持时间为保持时间为10-15，不加标注，不加标注)，测得布氏硬度，测得布氏硬度值为值为500。第六十一页，编辑于星期五：六点四十七分。(二二)洛氏硬度试验洛氏硬度试验HRAHRBHRCHRAHRBHRCv1.定义定义用压痕深度大小作为标志硬度值高低的洛氏硬度用压痕深度大小作为标志硬度值高低的洛氏硬度用压痕深度大小作为标志硬度值高低的洛氏硬度用压痕深度大小作为标志硬度值高低的洛氏硬度试验。试验。试验。试验。v2.常用压头两类：常用压头两类：vv顶角为顶角为顶角为顶角为1201200的金刚石圆锥体的金刚石圆锥体的金刚石圆锥体的金刚石圆锥体vv直径为直径为1.588mm(116英寸英寸)的钢球的钢球v3.试验方法：试验方法：第六十二页，编辑于星期五：六点四十七分。第六十三页，编辑于星期五：六点四十七分。v洛氏硬度：压痕深度h.v规定：HR=vv金刚石圆锥体:k=0.2mmv小淬火钢球：k0.26第六十四页，编辑于星期五：六点四十七分。4.硬度标尺：硬度标尺：采用采用采用采用不同压头并施加不同的压力不同压头并施加不同的压力，可以组成不同的洛氏，可以组成不同的洛氏硬度标尺。硬度标尺。v九九种标尺，常用的为种标尺，常用的为A、B和和C三种标尺，三种标尺，C标尺标尺用得最普遍。用得最普遍。vv用这三种标尺测得的硬度分别记为用这三种标尺测得的硬度分别记为HRA(金刚石金刚石圆锥体圆锥体)、HRB(1.588mm(116英寸英寸)的钢球和的钢球和HRC(金刚石圆锥体金刚石圆锥体)。第六十五页，编辑于星期五：六点四十七分。v5.洛氏硬度的优缺点及其应用洛氏硬度的优缺点及其应用v优点：优点：v（1)1)压痕压痕压痕压痕 小，操作简单，易直接读出，不存在压头变形小，操作简单，易直接读出，不存在压头变形小，操作简单，易直接读出，不存在压头变形小，操作简单，易直接读出，不存在压头变形问题。问题。问题。问题。vv（2)2)对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验；量检验；量检验；量检验；vv（3)3)有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。的影响。的影响。的影响。vv（4)4)采用金刚石或钢球作压头，不同的主载荷，可根据采用金刚石或钢球作压头，不同的主载荷，可根据采用金刚石或钢球作压头，不同的主载荷，可根据采用金刚石或钢球作压头，不同的主载荷，可根据材料的软硬加以选用。因此，洛氏硬度可用于测定各种材料的软硬加以选用。因此，洛氏硬度可用于测定各种材料的软硬加以选用。因此，洛氏硬度可用于测定各种材料的软硬加以选用。因此，洛氏硬度可用于测定各种不同材料的的硬度。不同材料的的硬度。不同材料的的硬度。不同材料的的硬度。第六十六页，编辑于星期五：六点四十七分。v缺点：缺点：vv不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。vv 由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差感，测试结果比较分散，重复性差感，测试结果比较分散，重复性差感，测试结果比较分散，重复性差.vv不适用具有粗大、不均匀组织材料的硬度测定。不适用具有粗大、不均匀组织材料的硬度测定。vv 常用常用常用常用HRA(HRA(金刚石圆锥压头金刚石圆锥压头金刚石圆锥压头金刚石圆锥压头)，HRB(HRB(钢球压头钢球压头钢球压头钢球压头)，HRCHRC（金刚石圆锥压头）（金刚石圆锥压头）（金刚石圆锥压头）（金刚石圆锥压头）v思考题：思考题：vv11洛氏硬度及其表示；洛氏硬度及其表示；洛氏硬度及其表示；洛氏硬度及其表示；v2洛氏硬度的优缺点。洛氏硬度的优缺点。第六十七页，编辑于星期五：六点四十七分。v（三）维氏硬度试验（三）维氏硬度试验HVv原理与方法：基本上与布氏硬度的相同，根据单位原理与方法：基本上与布氏硬度的相同，根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。第六十八页，编辑于星期五：六点四十七分。v不同点不同点:压头为金刚石制成的四方角锥体，两压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为相对面间的夹角为1360，所加的载荷较小。，所加的载荷较小。v表示方法与布氏硬度的相同表示方法与布氏硬度的相同v例如例如:640HV3020v硬度值硬度值HV载荷载荷/保持时间保持时间第六十九页，编辑于星期五：六点四十七分。v维氏硬度试验的特点维氏硬度试验的特点v（1)四方角锥体压头，各种载荷压痕几何相似，可四方角锥体压头，各种载荷压痕几何相似，可任意选择任意选择，不受布氏法，不受布氏法P和和D条件的约束。条件的约束。v（2)维氏硬度试验和布氏硬度试验所得到的硬度值维氏硬度试验和布氏硬度试验所得到的硬度值能完全相等能完全相等；v（3)测量范围较宽，软硬材料都可测试，而不存在洛氏硬测量范围较宽，软硬材料都可测试，而不存在洛氏硬度法不同标尺的硬度无法统一的问题；度法不同标尺的硬度无法统一的问题；v（4)维氏硬度的压痕为一轮廓清晰的正方形，对角线长维氏硬度的压痕为一轮廓清晰的正方形，对角线长度易于精确测量，故精度较布氏法的高。度易于精确测量，故精度较布氏法的高。v(5)材料的硬度小于材料的硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。大致相同。vv缺点：生产效率没有缺点：生产效率没有HR高。高。v通过测对角线，适用于硬质的材料通过测对角线，适用于硬质的材料第七十页，编辑于星期五：六点四十七分。(四四)显微硬度试验方法显微硬度试验方法v布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均硬布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均硬度值度值v测定极小范围内的硬度，需用显微硬度试验，例如某测定极小范围内的硬度，需用显微硬度试验，例如某个晶粒，某个组成相或夹杂物的硬度个晶粒，某个组成相或夹杂物的硬度v显微硬度试验一般是指测试载荷小于显微硬度试验一般是指测试载荷小于200g力的硬度试力的硬度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度。验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度。第七十一页，编辑于星期五：六点四十七分。1.显微维氏硬度显微维氏硬度v显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，仍用其测试原理和维氏硬度试验相同，仍用HV表示。表示。v测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理，必须注明载荷大小，以便比度试验符合几何相似原理，必须注明载荷大小，以便比较较.v如如340HV0.1表示用表示用0.1kgf的载荷测得的维氏显微硬的载荷测得的维氏显微硬度为度为340，v340HV0.05则是表示用则是表示用0.05kgf的载荷测得的硬度为的载荷测得的硬度为340.第七十二页，编辑于星期五：六点四十七分。2努氏硬度努氏硬度v努氏硬度是维氏硬度的发展。长棱形金刚石压头，两努氏硬度是维氏硬度的发展。长棱形金刚石压头，两长棱夹角为长棱夹角为172.50，两短棱夹角为，两短棱夹角为1300。压痕是长对。压痕是长对角线比短对角线长度大角线比短对角线长度大7倍倍.v努氏硬度值与维氏硬度的不同，定义单位压痕投影面积努氏硬度值与维氏硬度的不同，定义单位压痕投影面积上所承受的力。上所承受的力。已知载荷已知载荷P、压痕长对角线长度、压痕长对角线长度L，计算努氏硬度值，计算努氏硬度值(
