第2章 金屬在其它靜載荷下的力學(xué)性能

1、1第二章第二章 金屬在其它靜載荷下的力學(xué)性能金屬在其它靜載荷下的力學(xué)性能引言引言2.0 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)2.1壓縮壓縮2.2彎曲彎曲2.3扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)2.4缺口試樣靜載荷試驗(yàn)缺口試樣靜載荷試驗(yàn)2.5硬度硬度2.622.0 引言引言u(píng)其它靜載荷其它靜載荷 u原因原因主要指：主要指： 壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、硬度和帶壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、硬度和帶缺口試樣力學(xué)性能。缺口試樣力學(xué)性能。零部件在使用過(guò)程中將承受不同類型的零部件在使用過(guò)程中將承受不同類型的外應(yīng)力；零件內(nèi)部存在不同的應(yīng)力狀態(tài)。外應(yīng)力；零件內(nèi)部存在不同的應(yīng)力狀態(tài)。32.1 應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)材料的塑性或脆性并非絕對(duì)，為了表示材料的塑性

2、或脆性并非絕對(duì)，為了表示外應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料塑性變形的影響，特外應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料塑性變形的影響，特引入應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)引入應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 的概念，以方便選的概念，以方便選擇檢測(cè)方法。擇檢測(cè)方法。 例如：鑄鐵例如：鑄鐵 壓壓韌，拉韌，拉脆脆4單元六面體上的應(yīng)力分量單元六面體上的應(yīng)力分量 5u最大切應(yīng)力引起塑性變形和導(dǎo)致韌性斷裂；最大正應(yīng)力一般是最大切應(yīng)力引起塑性變形和導(dǎo)致韌性斷裂；最大正應(yīng)力一般是導(dǎo)致脆性斷裂。導(dǎo)致脆性斷裂。u值越大，最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，金屬越易值越大，最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，金屬越易先產(chǎn)生塑性變形，然后韌性斷裂。反之，先產(chǎn)生塑性變形，然后韌性斷裂。反之，值越

3、小，表示應(yīng)力狀值越小，表示應(yīng)力狀態(tài)越硬。則金屬越易產(chǎn)生脆性斷裂。態(tài)越硬。則金屬越易產(chǎn)生脆性斷裂。u把把值較大的稱做軟的應(yīng)力狀態(tài)，值較大的稱做軟的應(yīng)力狀態(tài)，值較小的稱做硬的應(yīng)力狀態(tài)。值較小的稱做硬的應(yīng)力狀態(tài)。max13max123max13max12312(0.25)2 最大切應(yīng)力 （）最大正應(yīng)力（）應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 0.5(）6u單向靜拉伸的應(yīng)力狀態(tài)最硬，一般適用于塑性變形抗力與切斷強(qiáng)單向靜拉伸的應(yīng)力狀態(tài)最硬，一般適用于塑性變形抗力與切斷強(qiáng)度較低的塑性材料試驗(yàn)。度較低的塑性材料試驗(yàn)。u彎曲、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力狀態(tài)較軟，適用于對(duì)于正斷強(qiáng)度較低的脆性材彎曲、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力狀態(tài)較軟，適用于對(duì)于正斷強(qiáng)度較低的脆性

4、材料。料。u對(duì)于塑性較好的金屬材料，則常采用三向不等拉伸的加載方法，對(duì)于塑性較好的金屬材料，則常采用三向不等拉伸的加載方法，使之在更硬的應(yīng)力狀態(tài)下顯示其脆性傾向。使之在更硬的應(yīng)力狀態(tài)下顯示其脆性傾向。 7佛里德曼佛里德曼()()力學(xué)狀態(tài)圖力學(xué)狀態(tài)圖82.2 壓縮壓縮u2、拉伸時(shí)塑性很好的材料，在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變、拉伸時(shí)塑性很好的材料，在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不斷裂。形而不斷裂。 一、壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)一、壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)壓縮試驗(yàn)就是對(duì)試樣施加軸向壓力，在其變形和斷裂過(guò)程中測(cè)定材料壓縮試驗(yàn)就是對(duì)試樣施加軸向壓力，在其變形和斷裂過(guò)程中測(cè)定材料的強(qiáng)度和塑性。的強(qiáng)度和塑性。1、單向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系

5、數(shù)、單向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=2，比拉伸、扭轉(zhuǎn)、，比拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲的應(yīng)力狀態(tài)都軟，所以主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材彎曲的應(yīng)力狀態(tài)都軟，所以主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能的測(cè)定，以顯示其在靜拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲試驗(yàn)時(shí)料力學(xué)性能的測(cè)定，以顯示其在靜拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲試驗(yàn)時(shí)所不能反映的材料在韌性狀態(tài)下的力學(xué)行為。所不能反映的材料在韌性狀態(tài)下的力學(xué)行為。 9100AFbcbc二、壓縮試驗(yàn)二、壓縮試驗(yàn)可測(cè)定的主要壓縮性能指標(biāo)：可測(cè)定的主要壓縮性能指標(biāo)： 1、規(guī)定非比例壓縮應(yīng)力、規(guī)定非比例壓縮應(yīng)力pc試樣標(biāo)距段內(nèi)的非比例壓縮變形達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分試樣標(biāo)距段內(nèi)的非比例壓縮變形達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距

6、百分比時(shí)的應(yīng)力。比時(shí)的應(yīng)力。 2、抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度單位試樣被壓至破壞過(guò)程中的最大應(yīng)力。單位試樣被壓至破壞過(guò)程中的最大應(yīng)力。 3、相對(duì)壓縮率、相對(duì)壓縮率 c=(h0hk)/h0100 4、相對(duì)斷面擴(kuò)展率、相對(duì)斷面擴(kuò)展率 c=(AkA0)/A0100u常用的壓縮試件為圓柱體。為了防止試驗(yàn)時(shí)試樣縱向失穩(wěn)，常用的壓縮試件為圓柱體。為了防止試驗(yàn)時(shí)試樣縱向失穩(wěn)，對(duì)于脆性或低塑性材料其試件的高度和直徑之比對(duì)于脆性或低塑性材料其試件的高度和直徑之比h0d0最好最好是是2.53.5。11122.3 彎曲彎曲一、彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)一、彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn) 金屬桿狀試樣承受彎矩作用后，其內(nèi)部應(yīng)力主要為正應(yīng)金屬桿狀試樣承受彎

7、矩作用后，其內(nèi)部應(yīng)力主要為正應(yīng)力，與單向拉伸和壓縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力雷同。但由于桿件力，與單向拉伸和壓縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力雷同。但由于桿件截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面最大，中心為零，且應(yīng)截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面最大，中心為零，且應(yīng)力方向發(fā)生變化。所以金屬在彎曲加載下的力學(xué)行為與力方向發(fā)生變化。所以金屬在彎曲加載下的力學(xué)行為與單純拉應(yīng)力或壓應(yīng)力作用下的力學(xué)行為不完全相同，有單純拉應(yīng)力或壓應(yīng)力作用下的力學(xué)行為不完全相同，有它自身的特點(diǎn)。它自身的特點(diǎn)。 彎曲試驗(yàn)的試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便，不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣偏斜對(duì)結(jié)彎曲試驗(yàn)的試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便，不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣偏斜對(duì)結(jié)果的影響，可用彎曲的撓度顯示

8、材料的塑性。因此彎曲試驗(yàn)方法常用于測(cè)果的影響，可用彎曲的撓度顯示材料的塑性。因此彎曲試驗(yàn)方法常用于測(cè)定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性與低塑性材料的強(qiáng)度和顯示定鑄鐵、鑄造合金、工具鋼及硬質(zhì)合金等脆性與低塑性材料的強(qiáng)度和顯示塑性的差別。塑性的差別。13 彎曲試樣表面應(yīng)力最大，可較靈敏地反映材料表面缺陷。彎曲試樣表面應(yīng)力最大，可較靈敏地反映材料表面缺陷。因此，常用來(lái)比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱因此，常用來(lái)比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài) (1) 正應(yīng)力正應(yīng)力 上表面為壓應(yīng)力，下表面為拉應(yīng)力；上表面為壓應(yīng)力，下表面為拉應(yīng)力

9、；(2) 表面應(yīng)力最大，中心的為零；表面應(yīng)力最大，中心的為零；(3) 力點(diǎn)處的作用力最大；力點(diǎn)處的作用力最大；(4) 對(duì)試樣的要求比拉伸時(shí)的寬松。對(duì)試樣的要求比拉伸時(shí)的寬松。14 151632M4lM2ddW32bhbhW6sMWFLF三點(diǎn)彎曲時(shí)，四點(diǎn)彎曲時(shí)，直徑為 的圓柱試樣，寬度為 、高度為 的矩形試樣，17撓度：試樣斷裂之前被壓下的最大距離。撓度：試樣斷裂之前被壓下的最大距離。彎曲試驗(yàn)所測(cè)的主要性能指標(biāo)：彎曲試驗(yàn)所測(cè)的主要性能指標(biāo)：彎曲試驗(yàn)主要測(cè)定脆性或低塑性材料的抗彎強(qiáng)度。彎曲試驗(yàn)主要測(cè)定脆性或低塑性材料的抗彎強(qiáng)度。試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的最大彎曲力，按彈性彎曲試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的最大

10、彎曲力，按彈性彎曲應(yīng)力公式計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力，稱為應(yīng)力公式計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力，稱為抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度。彎曲試驗(yàn)還可測(cè)定彎曲試驗(yàn)還可測(cè)定彎曲彈性模量、斷裂撓度彎曲彈性模量、斷裂撓度f(wàn)bb和斷和斷裂能量裂能量U等力學(xué)性能指標(biāo)。等力學(xué)性能指標(biāo)。182.4 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)1920扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)采用圓柱形扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)采用圓柱形( (實(shí)心或空心實(shí)心或空心) )試件試件, , 在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。標(biāo)距長(zhǎng)度機(jī)上進(jìn)行。標(biāo)距長(zhǎng)度L0分別為分別為50mm或或100mm，直徑，直徑d010mm。0030216TWdLdW二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)2122u切變模量切變模量 u扭轉(zhuǎn)比例極限扭轉(zhuǎn)比例極限p 式中式中Tp為扭轉(zhuǎn)曲線開

11、始偏離直線時(shí)的扭矩。為扭轉(zhuǎn)曲線開始偏離直線時(shí)的扭矩。 u扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)s su抗扭強(qiáng)度抗扭強(qiáng)度 u式中式中Tb為試件斷裂前的最大扭矩。為試件斷裂前的最大扭矩。04032/TLGd ppTWSSTWbbTW扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可測(cè)定以下主要性能指標(biāo)：扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可測(cè)定以下主要性能指標(biāo)：23242.5 缺口試樣靜載荷試驗(yàn)缺口試樣靜載荷試驗(yàn)一、缺口效應(yīng)一、缺口效應(yīng)試樣上存在缺口時(shí)，會(huì)在缺口截面上產(chǎn)生試樣上存在缺口時(shí)，會(huì)在缺口截面上產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變集中應(yīng)力和應(yīng)變集中現(xiàn)象?，F(xiàn)象。金屬材料在有缺口時(shí)，其力學(xué)性能與無(wú)缺口時(shí)不同，具體金屬材料在有缺口時(shí)，其力學(xué)性能與無(wú)缺口時(shí)不同，具體表現(xiàn)是使材料表現(xiàn)是使材料變脆變脆。試樣

12、截面變化可視為試樣截面變化可視為“缺口缺口”。材料內(nèi)部的材料內(nèi)部的組織不均勻、夾雜物、第二相、晶界、亞晶界，組織不均勻、夾雜物、第二相、晶界、亞晶界，以及表面或內(nèi)部裂紋以及表面或內(nèi)部裂紋也有類似缺口的作用也有類似缺口的作用25maxtK1、缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布、缺口試樣在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布理論應(yīng)力集中系數(shù)理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt值與材料性質(zhì)無(wú)關(guān)，只取決于值與材料性質(zhì)無(wú)關(guān)，只取決于缺口的幾何形狀缺口的幾何形狀。應(yīng)力集中的大小決定于缺口幾何參數(shù)應(yīng)力集中的大小決定于缺口幾何參數(shù)(形狀、深度、角形狀、深度、角度及根部曲率半徑度及根部曲率半徑)，其中以，其中以根部曲率半徑根部曲率半徑影響最大，影

13、響最大，缺口越尖，集中應(yīng)力越大。缺口越尖，集中應(yīng)力越大。2627缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)缺口的第一個(gè)效應(yīng)是缺口的第一個(gè)效應(yīng)是引起應(yīng)力集中引起應(yīng)力集中，并，并改變了缺口前方改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力狀態(tài)，使缺口試樣或機(jī)件中所受的應(yīng)力由原來(lái)的，使缺口試樣或機(jī)件中所受的應(yīng)力由原來(lái)的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)，也就是出現(xiàn)單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)，也就是出現(xiàn)了了x(平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài))或或x與與z (平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài))，視板厚，視板厚而定。而定。282、缺口試樣在塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布、缺口試樣在塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布u在有缺口條件下，由于出現(xiàn)在有缺口條件下，由于出現(xiàn)了三向應(yīng)

14、力狀態(tài)，并產(chǎn)生了應(yīng)了三向應(yīng)力狀態(tài)，并產(chǎn)生了應(yīng)力集中，試樣的屈服應(yīng)力比單力集中，試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時(shí)高，產(chǎn)生了所謂的向拉伸時(shí)高，產(chǎn)生了所謂的“缺口強(qiáng)化缺口強(qiáng)化”現(xiàn)象。由于此時(shí)現(xiàn)象。由于此時(shí)材料本身的屈服強(qiáng)度未變，故材料本身的屈服強(qiáng)度未變，故“缺口強(qiáng)化缺口強(qiáng)化”純粹是由于三向純粹是由于三向應(yīng)力約束了塑性變形所致。所應(yīng)力約束了塑性變形所致。所以不能把缺口強(qiáng)化看作是強(qiáng)化以不能把缺口強(qiáng)化看作是強(qiáng)化金屬材料的手段。金屬材料的手段。29塑性較好的材料，若根部產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力將重塑性較好的材料，若根部產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力將重新分布，并隨載荷的增大，塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至新分布，并隨載荷的增大，塑性區(qū)逐漸擴(kuò)

15、大，直至整個(gè)截面。整個(gè)截面。缺口的第二個(gè)效應(yīng)是使塑性材缺口的第二個(gè)效應(yīng)是使塑性材料強(qiáng)度提高，塑性降低。料強(qiáng)度提高，塑性降低。30bnbNSR3132缺口敏感性影響因素：缺口敏感性影響因素：u金屬材料的缺口敏感性除和材料本身性能、應(yīng)力狀態(tài)金屬材料的缺口敏感性除和材料本身性能、應(yīng)力狀態(tài)(加載加載方式方式)有關(guān)外，尚與缺口有關(guān)外，尚與缺口形狀和尺寸、試驗(yàn)溫度形狀和尺寸、試驗(yàn)溫度有關(guān)。有關(guān)。u缺口尖端曲率半徑越小、缺口越深，材料對(duì)缺口的敏感缺口尖端曲率半徑越小、缺口越深，材料對(duì)缺口的敏感性也越大。性也越大。缺口類型相同，增加試樣截面尺寸，缺口敏感性也增大。缺口類型相同，增加試樣截面尺寸，缺口敏感性也增

16、大。這是由于較大試樣彈性能儲(chǔ)存較高所致。這是由于較大試樣彈性能儲(chǔ)存較高所致。降低溫度，尤其對(duì)降低溫度，尤其對(duì)bcc金屬，因屈服強(qiáng)度顯著增高，塑性儲(chǔ)金屬，因屈服強(qiáng)度顯著增高，塑性儲(chǔ)存下降，故缺口敏感性急劇增大。存下降，故缺口敏感性急劇增大。缺口靜拉伸試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于缺口靜拉伸試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能、鋼和鈦高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能、鋼和鈦的氫脆以及研究高溫合金的缺口敏感性的氫脆以及研究高溫合金的缺口敏感性等。等。3334u缺口試樣的靜彎曲試驗(yàn)用來(lái)評(píng)定或比較缺口試樣的靜彎曲試驗(yàn)用來(lái)評(píng)定或比較結(jié)構(gòu)鋼的缺結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋敏感度口敏感度和裂紋敏感度。 u由于缺口和彎曲所引起的應(yīng)力不均勻性疊加，使

17、試由于缺口和彎曲所引起的應(yīng)力不均勻性疊加，使試樣缺口彎曲的樣缺口彎曲的應(yīng)力應(yīng)變分布的不均勻性更大應(yīng)力應(yīng)變分布的不均勻性更大。但。但應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變的多向性則減少力應(yīng)變的多向性則減少。三、缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)三、缺口試樣靜彎曲試驗(yàn)u試驗(yàn)時(shí)要試驗(yàn)時(shí)要記錄彎曲曲線記錄彎曲曲線，直到試樣發(fā)生折斷，記下全部，直到試樣發(fā)生折斷，記下全部彎曲曲線為止。根據(jù)斷裂時(shí)的殘余撓度或彎曲破斷點(diǎn)彎曲曲線為止。根據(jù)斷裂時(shí)的殘余撓度或彎曲破斷點(diǎn)(裂紋裂紋出現(xiàn)出現(xiàn))的位置評(píng)定材料的缺口敏感性。的位置評(píng)定材料的缺口敏感性。35363738缺口彎曲曲線缺口彎曲曲線u彎曲曲線所包圍的面積分成彎曲曲線所包圍的面積分成彈性區(qū)彈性區(qū)I、塑性區(qū)、

18、塑性區(qū)II和斷裂區(qū)和斷裂區(qū)III，各區(qū)所占面積分別為彈性功、塑性功和斷裂功。，各區(qū)所占面積分別為彈性功、塑性功和斷裂功。u斷裂功的大小決定于斷裂功的大小決定于缺口處材料塑性變形能力缺口處材料塑性變形能力。若材料。若材料塑性變形能力大，裂紋擴(kuò)展就慢，斷裂功也越大。塑性變形能力大，裂紋擴(kuò)展就慢，斷裂功也越大。用用斷裂功或斷裂功或Fmax/F1來(lái)表示材料的缺口敏感度來(lái)表示材料的缺口敏感度。斷裂功。斷裂功大，缺口敏感性??；反之，則缺口敏感性大。若斷裂功大，缺口敏感性??；反之，則缺口敏感性大。若斷裂功為零，則裂紋發(fā)展極快，材料表現(xiàn)突然脆性斷裂，缺口為零，則裂紋發(fā)展極快，材料表現(xiàn)突然脆性斷裂，缺口敏感性很

19、大。敏感性很大。392.6 硬度硬度一、硬度及其意義一、硬度及其意義1、硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能，其物理意、硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能，其物理意義隨試驗(yàn)方法的不同而不同。義隨試驗(yàn)方法的不同而不同。2、硬度的種類、硬度的種類(1) 壓入法壓入法：表示金屬抵抗變形的能力：表示金屬抵抗變形的能力靜載壓入法靜載壓入法：布氏、洛氏、維氏、顯微硬度：布氏、洛氏、維氏、顯微硬度動(dòng)載壓入法動(dòng)載壓入法：肖氏硬度：肖氏硬度(彈性回跳法彈性回跳法)、錘擊式布氏硬度、錘擊式布氏硬度壓入法硬度值實(shí)際上是綜合反映了壓痕附近局部體積內(nèi)金壓入法硬度值實(shí)際上是綜合反映了壓痕附近局部體積內(nèi)金屬的彈性、微量塑

20、性變形抗力、形變強(qiáng)化能力以及大量塑屬的彈性、微量塑性變形抗力、形變強(qiáng)化能力以及大量塑變抗力等物理量的大小。變抗力等物理量的大小。 (2) 刻劃法刻劃法：表征材料對(duì)切斷方式破壞的抗力。莫氏硬度：表征材料對(duì)切斷方式破壞的抗力。莫氏硬度40u壓入法硬度試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)壓入法硬度試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)最軟最軟，即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)大于，即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力。在這樣的應(yīng)力狀態(tài)下幾乎所有的金屬都會(huì)最大正應(yīng)力。在這樣的應(yīng)力狀態(tài)下幾乎所有的金屬都會(huì)產(chǎn)生塑性變形。因而能用來(lái)測(cè)定產(chǎn)生塑性變形。因而能用來(lái)測(cè)定淬火鋼、硬質(zhì)合金、甚淬火鋼、硬質(zhì)合金、甚至玻璃至玻璃等脆性材料的性能。等脆性材料的性能。二、壓入法硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)

21、用二、壓入法硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用41(1) 原理原理：u用直徑為用直徑為D(mm)的鋼球或的鋼球或硬質(zhì)合金球的壓頭，加一硬質(zhì)合金球的壓頭，加一定的試驗(yàn)力定的試驗(yàn)力F(N)，將其壓，將其壓入試樣表面入試樣表面(右圖右圖a)，經(jīng)過(guò)，經(jīng)過(guò)規(guī)定的保持時(shí)間規(guī)定的保持時(shí)間t(s)后卸后卸除試驗(yàn)力，試樣表面將殘除試驗(yàn)力，試樣表面將殘留壓痕，然后測(cè)量留壓痕，然后測(cè)量壓痕的壓痕的平均直徑平均直徑d(mm)，求得壓，求得壓痕的球形面積痕的球形面積A(mm2)。22N0.1020.204HB()FFAD DDd當(dāng)載荷的單位為 時(shí)1、布氏硬度測(cè)定壓痕的面積、布氏硬度測(cè)定壓痕的面積42u壓頭為壓頭為淬火鋼球淬火鋼球時(shí)，

22、其符號(hào)為時(shí)，其符號(hào)為HBS(適用于布氏硬度值在適用于布氏硬度值在450以下的以下的材料材料)；當(dāng)壓頭為；當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球時(shí)，其時(shí)，其符號(hào)為符號(hào)為HBW(適用于布氏硬度為適用于布氏硬度為450650的材料的材料)。 u為了得到統(tǒng)一的、可以相互比較的硬為了得到統(tǒng)一的、可以相互比較的硬度值，關(guān)鍵在于壓痕的幾何形狀遵守度值，關(guān)鍵在于壓痕的幾何形狀遵守相似原理，即壓痕的壓入角保持不變，相似原理，即壓痕的壓入角保持不變，F(xiàn)/D2的比值為常數(shù)，有七種。的比值為常數(shù)，有七種。(2) 種類種類43u直徑直徑D有有10、5、2.5、2、1 mm五種。五種。u壓痕直徑壓痕直徑d應(yīng)控制在應(yīng)控制在(0.24

23、0.6)D之間，以保證得到之間，以保證得到有效的硬度。有效的硬度。u測(cè)定布氏硬度的試樣，其厚度至少應(yīng)為壓痕深度的測(cè)定布氏硬度的試樣，其厚度至少應(yīng)為壓痕深度的10倍。倍。u載荷的保持時(shí)間，對(duì)黑色金屬為載荷的保持時(shí)間，對(duì)黑色金屬為1015 s，對(duì)有色金，對(duì)有色金屬為屬為30 s，對(duì)，對(duì)HB35的材料為的材料為60 s。44u符號(hào)表示：壓頭為淬火鋼球，符號(hào)表示：壓頭為淬火鋼球，HBS；壓頭為硬質(zhì)合金；壓頭為硬質(zhì)合金球，球，HBW。uHBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，其后的數(shù)字依之前的數(shù)字表示硬度值，其后的數(shù)字依次為壓頭直徑、壓力和保持時(shí)間。次為壓頭直徑、壓力和保持時(shí)間。u例：例：150HBSl0

24、300030表示用表示用10mm直徑淬火鋼直徑淬火鋼球，加壓球，加壓3000kgf，保持，保持30s，測(cè)得的布氏硬度值為，測(cè)得的布氏硬度值為150；u500HBW5750，表示用硬質(zhì)合金球，壓頭直輕，表示用硬質(zhì)合金球，壓頭直輕5mm，加壓，加壓750kgf，保持，保持10-15秒秒(保持時(shí)間為保持時(shí)間為10-15，不加標(biāo)注不加標(biāo)注)，測(cè)得布氏硬度值為，測(cè)得布氏硬度值為500。454647缺點(diǎn)缺點(diǎn)(3) 布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)由于壓頭的直徑較大，所以壓痕面積較大，其硬度值能由于壓頭的直徑較大，所以壓痕面積較大，其硬度值能反映各組成相的平均性能，而不受個(gè)別組成相及

25、微小不反映各組成相的平均性能，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻性的影響。因此，布氏硬度試驗(yàn)適用于測(cè)定灰鑄鐵、均勻性的影響。因此，布氏硬度試驗(yàn)適用于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或組成相的金屬材料的硬度。軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。對(duì)不同材料需要更換壓頭直徑和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕直徑對(duì)不同材料需要更換壓頭直徑和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕直徑的測(cè)量較麻煩，所以不宜用于自動(dòng)檢測(cè)；不能連續(xù)檢測(cè)。的測(cè)量較麻煩，所以不宜用于自動(dòng)檢測(cè)；不能連續(xù)檢測(cè)。 壓痕較大時(shí)不宜在成品上實(shí)驗(yàn)。屬有損檢測(cè)。壓痕較大時(shí)不宜在成品上實(shí)驗(yàn)。屬有損檢測(cè)。482、洛氏硬度、洛氏硬

26、度測(cè)量壓痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。測(cè)量壓痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。(1) 原理原理1) 試驗(yàn)時(shí)先加初始試驗(yàn)力試驗(yàn)時(shí)先加初始試驗(yàn)力F0，以保證壓頭與試樣表面，以保證壓頭與試樣表面接觸良好，得到一個(gè)壓痕深度接觸良好，得到一個(gè)壓痕深度h0，此時(shí)指針指零。，此時(shí)指針指零。2) 施加主作用力施加主作用力F1，壓頭壓入深度為，壓頭壓入深度為h1，表逆時(shí)針，表逆時(shí)針轉(zhuǎn)到相應(yīng)刻度位置，轉(zhuǎn)到相應(yīng)刻度位置，h1包括彈性變形與塑性變形。包括彈性變形與塑性變形。3) F1卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)，壓頭回升一卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)，壓頭回升一段距離段距離(h2h1)，此時(shí)塑性變

27、形深度即為壓痕深度，此時(shí)塑性變形深度即為壓痕深度h，最終表盤指針?biāo)讣礊槁迨嫌捕戎?。最終表盤指針?biāo)讣礊槁迨嫌捕戎怠?9500.002khHR以壓頭留下的壓痕深度來(lái)表示材料的硬度值。壓痕深以壓頭留下的壓痕深度來(lái)表示材料的硬度值。壓痕深度度h越大，硬度值越低。越大，硬度值越低。規(guī)定：規(guī)定：不同的壓頭，不同的壓頭，k值不同；圓錐角值不同；圓錐角=120o的金剛石圓錐的金剛石圓錐體體k=0.2；一定直徑的小淬火鋼球；一定直徑的小淬火鋼球k=0.26。(2) 種類種類HRA、HRB、HRC 最常用，改變壓力和壓頭，可適最常用，改變壓力和壓頭，可適用于不同的測(cè)試范圍。用于不同的測(cè)試范圍。515253(3

28、) 洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)便、迅速；操作簡(jiǎn)便、迅速；硬度值可直接讀出；硬度值可直接讀出；壓痕小，可在工件上直接實(shí)驗(yàn)；壓痕小，可在工件上直接實(shí)驗(yàn)；采用不同標(biāo)尺可測(cè)定各種軟硬不同的金屬或厚薄采用不同標(biāo)尺可測(cè)定各種軟硬不同的金屬或厚薄不一的試樣硬度，可廣泛用于熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)。不一的試樣硬度，可廣泛用于熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)。缺點(diǎn)缺點(diǎn)壓痕較小，代表性差；壓痕較小，代表性差；若材料中存在偏析及組織不均勻等缺陷，則所測(cè)硬度值重復(fù)若材料中存在偏析及組織不均勻等缺陷，則所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大；性差，分散度大；用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能直接比較。用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值

29、彼此沒有聯(lián)系，不能直接比較。54220.1020.204sin(136 / 2)0.1891oFFFHVAdd3、維氏硬度、維氏硬度(1) 原理原理維氏硬度試驗(yàn)的原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單維氏硬度試驗(yàn)的原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)算硬度值。位面積所承受的試驗(yàn)力計(jì)算硬度值。試驗(yàn)用的壓頭不同，是兩個(gè)相對(duì)面間夾角試驗(yàn)用的壓頭不同，是兩個(gè)相對(duì)面間夾角為為136的金的金剛石四棱錐體。剛石四棱錐體。55(2) 種類種類維氏硬度可分為維氏硬度可分為宏觀和微觀宏觀和微觀兩種。兩種。宏觀：大載荷宏觀：大載荷 F=49.1、98.1、196.2、294.3、490.5、981

30、N 六級(jí)六級(jí) 顯微：小載荷顯微：小載荷 F=0.0981、0.1961、0.4903、0.9807、1.961 N五級(jí)五級(jí)u顯微硬度試驗(yàn)為研究金屬微觀區(qū)域的性能提供了十顯微硬度試驗(yàn)為研究金屬微觀區(qū)域的性能提供了十分方便的手段，廣泛用于測(cè)定金屬組成分方便的手段，廣泛用于測(cè)定金屬組成相的硬度相的硬度以及以及研究金屬化學(xué)成分、組織狀態(tài)和結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系。研究金屬化學(xué)成分、組織狀態(tài)和結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系。56u壓頭在試驗(yàn)力壓頭在試驗(yàn)力F(N)作用下將作用下將樣品表面壓出一個(gè)四方錐形樣品表面壓出一個(gè)四方錐形的壓痕，經(jīng)一定保持時(shí)間后的壓痕，經(jīng)一定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量卸除試驗(yàn)力，測(cè)量壓痕對(duì)角壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度

31、線平均長(zhǎng)度d，d=(d1+d2)/2，來(lái)計(jì)算壓痕的表面積來(lái)計(jì)算壓痕的表面積A(mm2)。5758(3) 維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)載荷可以隨意選擇，不存在布氏硬度試驗(yàn)時(shí)要求試驗(yàn)力載荷可以隨意選擇，不存在布氏硬度試驗(yàn)時(shí)要求試驗(yàn)力F與壓頭直徑與壓頭直徑D之間所規(guī)定條件的約束，也不存在洛氏硬度之間所規(guī)定條件的約束，也不存在洛氏硬度實(shí)驗(yàn)時(shí)不同標(biāo)尺的硬度值無(wú)法統(tǒng)一的弊端；實(shí)驗(yàn)時(shí)不同標(biāo)尺的硬度值無(wú)法統(tǒng)一的弊端；壓痕測(cè)量精度較高，硬度值較精確。壓痕測(cè)量精度較高，硬度值較精確。缺點(diǎn)缺點(diǎn)需要通過(guò)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度后才能進(jìn)行計(jì)算或查表，工需要通過(guò)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度后才能進(jìn)行計(jì)算或查表，工作效率較低。作效率較低。在材料硬度小于在材料硬度小于450HV時(shí)，維氏硬度值和布氏硬度值大體時(shí)，維氏硬度值和布氏硬度值大體相同。相同。59(1) 努氏硬度努氏硬度(也屬顯微硬度也屬顯微硬度)試試驗(yàn)驗(yàn)u采用四棱錐，對(duì)面角分別為采用四棱錐，對(duì)面角分別為172o30和和130o。 u它比四等角錐測(cè)量值精確。它比四等角錐測(cè)量