材料力学性能第二章

单击此处编辑母版标题样式,113,第二章 材料在其他静载下的力学性能,第二章 材料在其他静载下的力学性能,本章的意义：,材料在实际服役中的,受力形式,和,受力状态,十分复杂，单向拉伸得到的性能数据不能完全反映材料的变形、断裂等特点。为了充分揭示材料的力学行为和性能特点，常采用扭转、弯曲、压缩以及带有台阶、孔洞、螺纹等与实际受力相似的加载方式进行性能实验，为合理选材和设计提供充分的实验依据。,第二章 材料在其他静载下的力学性能,本章的内容：,介绍扭转、弯曲、压缩以及带缺口试样的静拉伸以及材料硬度试验等试验方法的特点、应用范围及其所测定的力学性能指标。,第二章 材料在其他静载下的力学性能,本章涉及到了实际受力状态，必须了解一些物体在受力时应力状态分析的力学基础知识，因为力学性能是研究材料受力以后的行为，首先要知道材料的,受力状态,已经不是简单的,一维,应力状态（如单向拉伸），而,要扩展到二维、三维,。一些简单的,公式、定律也要扩展到二维、三维。,第 一 节,应力状态软性系数,一、主应力概念,对于任意应力状态，总可以找到这样一组互相垂直的平面，在这组平面上，,只有正应力,，没有切应力，这样的平面叫,主平面,，主平面上的应力叫,主应力,。,用 表示。,1,2,3,第 一 节,应力状态软性系数,根据这三个主应力，,按,最大,切,应力,理论（第三强度理论），可以计算最大切应力,按相当,最大,正,应力,理论（第二强度理论），可以计算最大正应力,为泊松比,第 一 节,应力状态软性系数,二、应力状态软性系数,在三向应力状态下，最大切应力与最大正应力的比值称为应力状态软性系数，用,表示。,越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形。反之，,越,小，表示应力状态越硬 ，材料越容易产生脆性断裂。,第 一 节,应力状态软性系数,不同的加载方式下材料具有不同的应力状态软性系数（,v=0.25,）,第 一 节,应力状态软性系数,加载方式,软性系数,备注,单向拉伸,0.5,应力状态较硬，适用于塑性较好的材料,三向等拉伸,0,应力状态最硬，材料最容易发生脆性断裂，用于揭示塑性材料的脆性倾向,三向不等拉伸,0.1,扭转,0.8,单向压缩,2.0,两向压缩,1.0,三向压缩,应力状态最软，硬度实验属于此，适用于任何材料,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,一压缩及其性能指标,1,压缩试验,通常为圆柱型或正方形。,试样端部的摩擦力会影响试验结果，应设法减小。,（两面必须光滑平整，并涂润滑油或石墨粉进行润滑）,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,压缩试验的特点及应用,1,）,单向压缩的应力状态软性系数为,2,，适用于脆性材料和低塑性材料。,2,）,与拉伸试验区别载荷相反，载荷,-,变形曲线不同，塑性和断裂形态不同。,3,）,多向压缩试验的应力状态软性系数,2,，此方法适用于脆性更大的材料。还有服役条件为多向压缩的机件，如滚珠轴承也可采用多向压缩试验。,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,试验结果：,F,h,曲线，如图所示,材料的压缩曲线,1,脆性材料,；,2,塑性材料,金属,GB/T7314-1987,陶瓷,GB/T8489-1987,塑料,GB/T1041-1992,橡胶,GB/T1684-1979,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,力学性能指标,抗压强度,相对压缩率,压缩塑性,相对断面扩展率,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,二、弯曲实验及其性能指标,1,弯曲实验测定的力学性能指标,方形,(,高,宽，,57.5mm,3040mm),矩形,(55mm,，,3030mm),圆形,(d=545mm),跨距,L,为直径,d,或高度,h,的,16,倍,加载方式,四点弯曲加载,三点弯曲加载,弯曲试验的试样,金属,GB/T14452-1993,陶瓷,GB/T6569-1986,塑料,GB/T9341-2000,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,a),集中加载,b,）等弯矩加载,弯曲试样加载方法,参见动画演示,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,试验结果：,载荷,F,与试样最大挠度,f,max,之间的关系图,典型的弯曲图,（,a,）,塑性材料,（,b,）中等塑性材料,（,c,）,脆性材料,测得的力学性能：,1,）弯曲应力（抗弯强度）,M,最大弯矩，,W,抗弯截面系数。,三点弯曲试样：,（,N.m,）,四点弯曲试样：,（,N.m,）,直径为,d,0,的圆柱型试样：,（,m,3,）,宽度为,b,，高度为,h,的矩型试样：,（,m,3,）,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,2),材料的塑性可用最大弯曲挠度,f,max,（百分表和挠度计直接读出）表示。,此外，从弯曲挠度曲线上还可得到,弯曲弹性模量,，规定,非比例弯曲应力,，,断裂挠度,，,断裂能量,等性能。,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,对于矩形试样，弯曲模量,b,试样宽度,h,试样高度,L,试样跨距,2,弯曲实验的特点及应用,1,）弯曲加载时，,受拉的一侧应力状态与静拉伸时基本相同,，且不存在拉伸时试样偏斜对实验结果的影响,2,）弯曲试验时，,截面的应力分布也是表面最大,，故可以灵敏地反映材料的表面缺陷，因此可以用来比较和评定材料表面处理层的质量。,3,）,对塑性材料，弯曲试验不能使之断裂,，因此，塑性材料基本不进行弯曲试验。,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,三、扭转及其性能指标,1,扭转实验测定的力学性能指标,M,（扭矩扭转角）,曲线是扭转试验得到的第一手资料。,圆柱型（直径,d,0,）扭转试样在扭转实验时的表面受力状态。,在与试样轴线呈,45,方向上承受最大正应力,，,在与试样轴线平行和垂直方向上承受最大切应力,。,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,扭转试验时材料的应力状态,：,切应力分布在纵向与横向两个垂直的截面内，而主应力,1,和,3,与纵轴成,45,，并在数值上等于切应力。,1,为拉应力，,3,为等值压应力，,2,=0,。由此可知，当扭转沿着横截面断裂时为,切断,，而由最大正应力引起断裂时，,断口呈螺旋状与纵轴成,45,。,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,第二节,扭转、弯曲与压缩的力学性能,扭转试样的宏观断口,a,）切断断口,b,）正断断口,c,）木纹状断口,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,木纹状断口：断裂面顺着试样轴线形成纵向剥层或裂纹。这是因为金属中存在较多的非金属夹杂物或偏析并在轧制过程中使其沿轴向分布，降低了试样轴向切断强度造成的。,因此，可以根据断口宏观特征来判断承受扭矩而断裂的机件的性能。,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,在扭转实验中，加给试样的,载荷为扭矩,，（应变为在试样标距,l,0,上的两个截面间的相对扭转角）。在扭转过程中，,x-y,记录仪的两个坐标分别记录下,扭距,M,和扭转角,的变化过程。,点击演示动画,d,0,10mm,，标距长度,l,0,50,或,100mm,国标,GB/T10128-1988,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,退火低碳钢的扭转负荷变形图,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,根据该扭转曲线可以获得材料扭转条件下的力学性能指标：,扭转比例极限：,扭转屈服极限：,扭转强度极限：,M,s,为残余扭转切应变为,0.3,(,相当于拉伸残余应变,0.2,),时的扭矩。,真实扭转强度极限：,W,为试样截面系数,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,弹性变形阶段的切应力与切应变沿横截面的分布,弹塑性变形阶段的切应力与切应变的分布,(a),(b),第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,W,为试样截面系数，,实心圆柱试样为,空心圆柱试样为,切变模量：,d,1,为内径，,d,0,为外径。,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,2,扭转实验的特点及应用,1),特 点：,扭转时应力状态软性系数为,0.8,，拉伸时为脆性的金属或陶瓷有可能产生塑性变形；,塑性变形始终均匀，尺寸基本不变，不会出现静拉伸时发生的缩颈现象，可精确测定易缩颈或高塑性材料的形变能力和形变抗力；,可从断口明显区分断裂方式（,从试样的受力状态可知，,45,断口为正断，平行截面断口为切断,）；,应力分布为表面最大，心部最小。故此法对表面硬度及表面缺陷的反应十分敏感。可用来研究表面强化工艺,。,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,2),扭转实验的实际应用,根据特点,2,，扭转实验的应用在多数情况下是研究材料在,大应变,范围时的力学行为，生产上的金属加工成型工艺正是在大的塑性变形情况下进行的，因此扭转实验主要应用在,（,1,）,用热扭转实验确定材料在,热加工（轧制、锻造、挤压）时的最佳温度,；,（,2,）,对单相合金，用热扭转实验确定材料在,高温时发生的动态恢复和动态再结晶过程,；,（,3,）,对多相合金，,用热扭转研究不稳定组织的转变,，或者模拟某种热加工成形方式研究其组织特点。,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,拉伸、扭转、弯曲三种试验方法适用于哪些材料,或哪些工作条件下的构件？,拉伸：,一般来说，适用于结构钢常温下的力学性能测定。,脆性材料为什么不能用拉伸？,扭转：,结构材料的热变形性能。硬度大的材料（,HRC52,53,）不宜进行扭转试验？,试样两端有应力集中和表面缺陷，装夹试样时稍有不对中，就会引起附加弯曲应力，这都会造成拉伸数据的散乱。,试样会脆断出现飞裂。,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,弯曲：,工具钢常温下的力学性能。铸铁、硬质合金和陶瓷（弯曲强度仍然较分散，应采用统计方法处理测量数据）的性能也常用此法。,弯曲试验方法的应力状态介于拉伸和扭转试验方法之间，常用于测定脆性材料的力学性能。,对高碳钒钢,(T10V),进行弯曲和扭转试验，,如图所示,。,原处理工艺是淬火,+180,回火，但在使用时常出现花键崩齿，杆部折断等现象,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,模拟实际服役条件，并提供材料的抗剪强度数据作为设计的依据。（诸如铆钉、销子之类的零件）,单剪试验,双剪试验,冲孔式剪切试验,四剪切及其性能指标,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,单剪试验,试件在单剪试验时受力和变形示意图,抗剪强度：,F,b,：最大载荷,A,0,：试件的原始截面面积,F,F,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,双剪试验,抗剪强度：,试件在双剪试验时受力和变形示意图,F,F/2,F/2,第二节,压缩、弯曲与扭转的力学性能,冲孔式剪切试验,抗剪强度：,冲孔式剪切试验装置,（测薄板的抗剪强度）,d,为冲孔直径；,t,为板料厚度。,F,第三节,缺口试样静载力学性能,一、缺口处的应力分布特点及缺口效应,缺口改变了应力状态，如：应力集中；由应力集中导致应变集中；形成双向或三向应力状态，导致缺口附近屈服强度提高，塑性变形困难，使材料脆化 ；缺口附近的应变速率增高 。统称为缺口效应，导致力学性能的改变。,键槽、油孔 、台阶、螺纹,第三节,缺口试样静载力学性能,1,）薄 板,X,Y,Z,无缺口时,，整个截面上应力均匀分布。,应力集中和应变集中现象,1,弹性状态下的应力分布,第三节,缺口试样静载力学性能,有缺口时,，缺口处不能承受外力，这部分外力,由近缺口处材料来承担，因而缺口根部应力最,大，离开缺口根部应力逐渐减小，一直到某一恒,定值。,（如图所示）,第三节,缺口试样静载力学性能,这用由于缺口造成的局部应力增大的现象称为,应力集中,。,应力集中系数：,max,为缺口根部缺口根部的最大应力,n,为净截面上的名义应力。在弹性范围内,，,K,t,的数值决定于缺口的几何形状与尺寸。对给定的缺口形状，可通过公式计算或有图表可查。,机械工程手册,对椭圆形缺口的薄板，,K,1,2a/b,ab,为椭圆的长短轴。,第三节,缺口试样静载力学性能,是怎样产生的？,薄板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布图,第三节,缺口试样静载力学性能,会引起纵向伸长，必然引起横向收缩。由于,缺口使 随,x,发生变化，从大到小到恒定，引起,的纵向伸长也由大到小，如果从缺口根部把薄,板分成许多微元，微元的纵向伸长沿,x,方向由大,到小，这种变形不均匀使微元之间存在相互制,约在,x,方向产生内应力 。,第三节,缺口试样静载力学性能,由于板很薄，,z,向收缩变形不受限制，薄板的这种受力状态称为平面应力状态：,在,x=0,处的微元可自由伸长， ；在远离缺口处 恒定， 也为,0,， 必有一极大值，在变形梯度较大的缺口附近处。所以缺口薄板受拉伸时，产生了双向应力。,第三节,缺口试样静载力学性能,的大小在 与 之间。,2,）厚板,(,板的厚度相对于缺口或裂纹深度足够大,),由于板很厚，在厚度方向上的变形受到约束 ，产生 ， 。,因为 ，根据胡克定律,厚板的这种受力状态称为,平面应变状态。,第三节,缺口试样静载力学性能,厚板缺口拉伸时，弹性状态下的应力分布图,(a),沿,x,方向的应力分布,(b),沿,z,方向的应力分布,第三节,缺口试样静载力学性能,2,塑性状态下的应力分布,当缺口根部发生塑性,变形后， ， ，,的最大值都不在根部，而,是移动到弹塑性变形的交,界处。,（如图所示）,缺口根部发生塑性变形的应力分布图（平面应变）,根据屈雷斯加判据 ，材料屈服的条件是,缺口根部 ，,；,缺口内侧 ， 。,结果使材料塑性变形变得困难，,材料脆化,。,第三节,缺口试样静载力学性能,对塑性好的材料，缺口使材料的屈服强度或抗拉强度升高，但塑性降低，这种现象称之为“,缺口强化,”。,第三节,缺口试样静载力学性能,缺口处应变速率提高现象,试验机夹头速率：,v = dl/dt,试样应变速率：, = d,/dt,，,d,= dl/l, = d,/dt = dl/l/dt = dl/dt1/l = v/l,如果光滑试样的工作长度,l,为,100mm,，缺口附近的工作长度,l,=1mm,，缺口附近的应变速率,提高了两个数量级。,第三节,缺口试样静载力学性能,缺口带来的危害（缺口效应）：,应力集中；应变集中；应变速率提高；引起两向或三向应力状态，使塑变困难，材料脆化。,第三节,缺口试样静载力学性能,二、缺口试样的静拉伸和静弯曲性能,1,缺口试样的静拉伸,与光滑试样拉伸时比较，缺口引起了加载的变化,-,缺口效应,不同材料缺口效应不同，,为了比较各种材料的缺口敏感程度,，常进行缺口静拉伸试验。,缺口静拉伸试验的目的，常用于评定高强度螺栓等零件的性能。,第三节,缺口试样静载力学性能,图中,(a),、,(b),分别表示用于缺口静拉伸试验的圆形截面试样和矩形截面试样。,(c),表示代表缺口形状的,3,个,主要参数,：,为缺口深度，,为缺口角，,为缺口曲率半径。,第三节,缺口试样静载力学性能,第三节,缺口试样静载力学性能,用缺口强度比,NSR,（缺口拉伸强度比光滑试样静拉伸强度）作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标。,NSR,与缺口敏感性成反比：,比值越大，缺口敏感性越小。,第三节,缺口试样静载力学性能,材料缺口敏感度影响因素,材料缺口敏感性除与材料本身性能、应力状态,(,加载方式,),有关外，还与缺口形状、尺寸、试验温度有关。,第三节,缺口试样静载力学性能,试验过程：,材料在进行缺口拉伸试验时，,断裂情况有三种：,（,1,）材料在制成缺口试样进行拉伸时，缺口根部只有弹性变形而失去了塑性变形能力，这时缺口截面上的应力分布如,图中的曲线,1,所示。,缺口试样变形时应力分布情况图,第三节,缺口试样静载力学性能,脆断， 断口为放射状，拉伸曲线为直线；,断口形貌如,图,(a),所示。,第三节,缺口试样静载力学性能,(2),在缺口根部可发生少量塑性变形，这时最大轴向应力,max,已不在缺口顶端的表面处，而是位于塑性变形区和弹性区的交界处，如,图的曲线,2,、,3,所示。,缺口试样变形时应力分布情况图,第三节,缺口试样静载力学性能,根部有微小塑性区，然后断裂，断口在缺口根部有一圈塑性断口，中部为放射状，拉伸曲线由直线开始改变，斜率微小下降；,断口形貌如,图,(b),所示。,第三节,缺口试样静载力学性能,缺口试样变形时应力分布情况图,(3),如果材料的断裂抗力远高于屈服强度，则随着载荷的增加。塑性区可以不断向试样中心扩展，位于弹塑性交界处的最大轴向应力,max,也相应地不断向中心移动，如塑性变形能扩展到试样中心，即出现沿缺口截面的全面屈服。此时,max,出现在试样中心位置，如右,图中曲线,6,所示。,第三节,缺口试样静载力学性能,断口为全部塑性特征，拉伸曲线上出现曲线部分,。,断口形貌如,图,(c),所示。,此时，,bn,b,第三节,缺口试样静载力学性能,缺口拉伸试样的标准,缺口张角,45,0,60,0,；,缺口根部截面直径,10mm,d,n,20mm,；,缺口根部曲率半径,0.1mm,；,（,d,0,2,-d,n,2,)/d,0,2,50%,第三节,缺口试样静载力学性能,无偏斜的缺口拉伸试验，往往显示不出组织与合金元素的影响。缺口偏斜拉伸试验就是在更苛刻的应力状态和试验条件下，来检验与对比不同材料或不同工艺所表现出的性能差异。,2,缺口试样的偏斜拉伸,第三节,缺口试样静载力学性能,第三节,缺口试样静载力学性能,3,缺口试样静弯曲,光滑试样的静弯曲试验的目的：,评定工具钢或脆性材料（陶瓷等）的力学性能。,缺口静弯曲试验的目的：,评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度。,试样尺寸：,10660mm,或者,101055mm,，,缺口深度为,2mm,，夹角为,60,o,的,V,型或,U,型缺口。,第三节,缺口试样静载力学性能,静弯试验请看,动画演示,。,第三节,缺口试样静载力学性能,试验结果：,缺口静弯曲线,P,f,曲线图,材料,1,在曲线上升部分断裂，残余挠度很小，表示对缺口敏感；材料,2,在曲线下降部分断裂，残余挠度较大，表示缺口敏感度低；材料,3,弯曲不断，材料对缺口不敏感。,材料,1,材料,2,材料,3,第三节,缺口试样静载力学性能,缺口静弯曲线与静拉伸曲线相似，也分为三个阶 段：,I,弹性变形部分，弹性功,II,塑性变形部分，塑性功,III,断裂部分，断裂功,III,代表当裂纹产生后，材料阻碍裂纹继续扩展的能力，通常以,P,max,/P,的大小来表示裂纹敏感度。,第三节,缺口试样静载力学性能,曲线只有,I,表示材料对缺口极为敏感（脆化）；,曲线只有,I,II,表示材料对缺口敏感；,曲线有,I,II,III,表示材料对缺口不敏感，,III,区越大，缺口敏感性越小。,（定性分析）,（定量分析用材料的断裂韧性）,第 四 节,硬 度,一、硬度试验的意义,硬度的概念：,硬度是衡量材料软硬程度的一,种力学性能，物理意义是材料在表面上的不大,的体积内抵抗变形（压入法）或者破裂（刻划,法）的能力。,第 四 节,硬 度,试验方法,压入法,刻划法,维氏硬度和显微硬度,洛氏硬度,布氏硬度,里氏硬度法,超声波硬度法,肖氏硬度法,动载压入法,静载压入法,锉刀法,莫氏硬度顺序法,第 四 节,硬 度,压入法硬度试验的特点：,1),应力状态软性系数大,2,，适用于所有的材料。,2),试验（设备）简单（操作方便）易行，广泛应用于生产（检验产品质量）和材料研究。,3),压痕小，不损坏工件，属于无损（微损）检测。,4),与其他性能有关系，可估算其他性能。,所得到的硬度值的大小实质上是表示金属表面抵抗外物压入所引起的塑性变形的抗力大小。,第 四 节,硬 度,二、硬度试验的方法,1,布氏硬度,(Brinell Hardness),（,1,）布氏硬度试验原理,该法始于,1900,年，是应用得最久、最广泛的压入法硬度试验之一。,原 理：,在直径,D,的钢球上，加一负荷,F,，压入被测材料的表面，根据压痕的凹陷面积,S,凹,计算出应力值，以此值作为硬度值大小的计量指标。,第 四 节,硬 度,布氏硬度值的符号：,HBS,（淬火钢球压头）,HBW,（硬质合金压头）,布氏硬度值计算公式：,只要测量了,d,，查表即可得,HB,。,单位,kgf/mm,2,（或,MPa,，上式右端,0.102,）,第 四 节,硬 度,（,2,）布氏硬度试验规程,布氏硬度试验原理很简单，但实施时必须考虑几个实际问题：,选择什么材料的压头，直径大小如何？,所加载荷多大才能得到较合适的压痕？ （,0.24Dd0.60D,）（考虑材料厚度、保持时间）,采用不同载荷,F,、,D,能否得到相同的硬度值？,第 四 节,硬 度,根据压痕相似原理，为了保证不同载荷,F,、,D,能得到相同的硬度值，应使,F/D,2,保持常数。,试样的厚度应大于压痕深度的,10,倍。,压痕相似原理,第 四 节,硬 度,下表列出了不同材料,F,与,D,的选配原则，可使压入角限制在,28,o,74,o,，与此相应的,d,值在,0.24,0.60D,范围内。,材料,布氏硬度范围,F/D,2,材料,布氏硬度范围,F/D,2,钢和铸铁,140,10,轻金属及合金,35,1.25,2.5,140,30,3580,5,10,15,铜及铜合金,80,10,15,35130,10,铅、锡,1,1.25,130,30,布氏硬度的表示方法：,数字硬度符号,(HBS Or HBW),数字,/,数字,/,数字,第 四 节,硬 度,硬度值,钢球直径,载荷大小,载荷保持时间,280HBS10/3000/30,350HBW5/750/10,保持时间为,10,15s,时可不标注,布氏硬度试验时要求试样最小厚度不应小于压痕深度的,10,倍，试推导出试样最小厚度的公式。若某棒料的布氏硬度值为,280HBS10/3000,，问试验用棒料的允许最小厚度是多少？,假设试样的厚度和压痕的深度分别为,t,和,h,，压头直径为,D,，压痕直径为,d,根据布氏硬度原理有,要满足试样的最小厚度为压痕深度的,10,倍，故有,由题意知，该材料采用,10mm,直径的淬火钢球，加,3000kgf,保持,10,15s,时测得的布氏硬度为,280,，根据布氏硬度原理有,故,第 四 节,硬 度,试验规程及步骤：,1),所测材料的成分及组织确定；,2),厚度测定；,3),选载荷、钢球直径、加载时间；,4),测量硬度，打压痕，测,d,值；,5),查表得,HB,，或者直接从表盘或显示屏得出,HB,值。,GB/T231-1984,和,GB/T6270-86,第 四 节,硬 度,（,3,）布氏硬度试验特点及应用,优点：,压痕大，可反映材料较大区域内的平均性能，而且试验数据稳定，重复性好。最适合测定灰铸铁、轴承合金等材料的硬度。,缺点：,压痕大，不易检验成品；不同材料需更换,F,和,D,；压痕直径测量麻烦；钢球本身变形问题。,第 四 节,硬 度,布氏硬度计,第 四 节,硬 度,2,洛氏硬度,(Rockwell hardness),洛氏硬度试验原理：,克服布氏硬度存在的缺点，直接用压痕深度大小表示硬度。（,1919,年）,原理：,根据压痕的深度作为硬度值大小的计量指标，,0.002mm,为一个硬度单位。,洛氏硬度值的符号：,HRA,、,HRC,（金刚石圆锥压头,60kgf, 150kgf,），,HRB,（钢球压头,100kgf,）,第 四 节,硬 度,洛氏硬度试验过程示意图,a),加初始试验力,F,0,b),加主试验力,F,1,c),卸除主试验力,第 四 节,硬 度,洛氏硬度值计算公式：,金刚石压头,k,0.2,，钢球,k,0.26,。,k,的意义：使读数和硬度值成正比。,第 四 节,硬 度,规定有效范围：,HRA,（,20,88,）、,HRC,（,20,70,），,HRB,（,20,100,）避免,h,太大或太小造成硬度值不准确。,各种洛氏硬度和表面洛氏硬度的试验规范和应用见表,2-3,和,2-4,。,表面洛氏硬度的预载荷为,30N,，总载荷为,150N,、,300N,和,450N,，以,0.001mm,为一个硬度单位。,第 四 节,硬 度,1),根据所测材料的成分及组织确定压头和负荷，一般为,HRC,；,2),为保证压头与试样表面接触良好，首先加一预负荷,10kgf,，定位，并调零；,3),加主载荷,140kgf,，压头压入深度,h,1,；,4),静置，卸载，压头弹性变形恢复,h,2,，残留变 形为,h,h,1,h,2,；,5),直接从表盘或显示屏得出,HRC,值。,试验规程及步骤：,GB/T230-91,第 四 节,硬 度,优点：,1,、压痕小，易检验成品，操作简便迅速，可测定软硬不同和厚薄不均的材料硬度。,2,、因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。,缺点：,1,、压痕小，对材料组织的不均匀性很敏感，试验数据分散，重复性差。,2,、用不同标尺测得的硬度值不能直接进行比较，又不能彼此互换。,洛氏硬度试验特点及应用,第 四 节,硬 度,第 四 节,硬 度,维氏硬度的特点：,1,）,压头为四方角锥，锥角,136,，由于压入角,不随负荷变化，因此负荷可任意选择，不受,F/D,2,的限制（比,HB,的优越性）。,2,）,原理与,HB,相同，通过测量压痕对角线计算,压痕表面积。同种材料在不同载荷下满足显,示相似原理，所得硬度值能完全相等。,3,维氏硬度,(Vickers hardness),1925,年,第 四 节,硬 度,为了所测数据与,HB,值能得到最好的配合。因为一般布氏硬度试验时，压痕直径,d,多半在,0.25D,到,0.5D,之间，当 时，通过此压痕直径作钢球的切线，切线的夹角正好等于,136,，如图所示。,为什么四方角锥要选取,136,第 四 节,硬 度,维氏硬度四方角锥压头锥面夹角的确定,第 四 节,硬 度,3,）,压痕为正方形，轮廓清晰，测得的对角线误,差小（比,HB,测量方便精确）,4,）,采用了金刚石压头，适合于任何材料，硬度,值完全统一（比,HR,优越性），负荷可任意,选择,，,尽量使压痕大一些,，,易测量,，,误差小。,5,）,唯一的,缺点,，硬度值需要通过测量对角线后,才能得出（查表）效率不如,HRC,高。,第 四 节,硬 度,当载荷单位为,kgf,，,当载荷单位为,N,，,选择的载荷应保证试验层厚度大于,1.5d,第 四 节,硬 度,试验规程及步骤：,GB/T4340.1-1999,1),所测材料的成分及组织确定；,2),厚度测定；,3),选载荷、加载时间；,4),测量硬度，打压痕，测,d,1,和,d,2,值；,5),查表得,HV,。,表示式：数字,HV,数字,(,载荷,)/,数字,(,载荷持续时间,),如：,640HV30/20,第 四 节,硬 度,第 四 节,硬 度,5,显微硬度：,（,1,）试验原理同维氏硬度，压头有两种,维氏压头,努氏压头（菱形金刚石锥体）,长短对角线之比,7.11:1,，深长比,1:30,试样尺寸很小或很薄、陶瓷等脆性材料,（,2,）测量对象,各种显微组织,载荷,2N,第 四 节,硬 度,显微维氏硬度，载荷以,gf,计量，压痕对角线长度以,m,计量,。,国标,GB4342,84,第 四 节,硬 度,（显微）维氏硬度压痕,第 四 节,硬 度,（,3,）努氏,（,Knoop,）,压头硬度试验的,优点：,测量点紧凑，压痕体积小，能测出硬度微小变化区域；也可测薄层硬度。,在相同的对角线长度下，努氏压痕的深度与面积只有维氏压痕的,15,第 四 节,硬 度,A:,压痕投影面积；,l,：长对角线长度,载荷通常为,0.49,19.61N,。,国标,GB/T18449.1-2001,第 四 节,硬 度,5,其他硬度,肖氏硬度试验：,将具有一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表征材料的硬度值，用,HS,表示。,HS,K(h/h,0,),K:,肖氏硬度系数,h,：回跳高度,h,0,：原始高度,弹性模量相同才可进行比较,C,型肖氏硬度计,K=10,4,/65 D,型肖氏硬度计,K=140,。,第 四 节,硬 度,莫氏硬度,(,一种相对硬度,),。莫氏硬度是以常见的十种矿物来作为标准用相互刮擦以区分孰硬孰软，习惯上矿物材料常用莫氏硬度。它只表示硬度从大到小的顺序，不表示软硬的程度。,滑石,(talc)1,（硬度最小），石膏,(gypsum)2,，方解石,(calcite)3,，萤石,(fluorite)4,，磷灰石,(apatite)5,，正长石,(feldspar)6,，石英,(quartz)7,，黄玉,(topaz)8,，刚玉,(corundum)9,，金刚石,(diamond)10,。,第 四 节,硬 度,第 四 节,硬 度,三、硬度的影响因素,1,、化学键：共价键离子键,金属键,氢键,范氏键；,2,、聚集结构：结构越密，硬度越高；,高度交联,未交联,3,、温度,第 四 节,硬 度,四、硬度与其他力学性能的关系,试验证明，金属的布氏硬度与抗拉强度之间成,正比关系，即,疲劳强度与抗拉强度的关系式为,k,和,m,为比例系数，不同的材料,k,和,m,值不同。,下表列出了常用退火金属的,k,值。,第 四 节,硬 度,退火金属的,HB,与,b,，,-1,的关系,第二章 小结,本章小节,扭转、弯曲、压缩、剪切的力学性能指标及测量方法及应用；,缺口试样静载力学性能；,硬度的几种测定方法的测量原理、特点及应用范围。,