金属在其它静载荷下的力学性能课件.ppt

1、2-1 应力状态软性系数应力状态软性系数一、强度理论：一、强度理论：n三向应力状态三向应力状态:主应力主应力:1 2 3n最大切应力与主应力面成最大切应力与主应力面成450角：角：max=(1-3)/2n广义虎克定律：广义虎克定律：=1-(2+3)/En第一强度理论：最大拉应力理论：第一强度理论：最大拉应力理论：n第二强度理论：最大拉应变理论：第二强度理论：最大拉应变理论：n第三强度理论：最大剪应力理论：第三强度理论：最大剪应力理论：n第四强度理论：最大变形能理论：第四强度理论：最大变形能理论：二、应力状态软性系数二、应力状态软性系数1 1、受力分析：、受力分析：正应力正应力导致脆性的解理断裂

2、；导致脆性的解理断裂；切应力切应力导致塑性变形和韧性断裂。导致塑性变形和韧性断裂。变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态。变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态。maxmax与与max max？2 2、应力状态软性系数、应力状态软性系数：(1)(1)任何应力都可用任何应力都可用3 3个主应力个主应力1 1、2 2、3 3 来表示。来表示。(2)(2)maxmax=(=(1 1-3 3)/2)/2；maxmax=1 1-(-(2 2+3 3)。(3)=(3)=maxmax/maxmax=(=(1 1-3 3)/2)/21 1-(-(2 2+3 3)2-1 应力状态应力状态二、应力状态

3、：二、应力状态：n正应力正应力脆断；脆断；n切应力切应力韧韧(塑塑)断、塑变断、塑变n对于一定的应力分布，其对于一定的应力分布，其max与与max应成正比应成正比且且比比值应为与应力的大小无关的常数。值应为与应力的大小无关的常数。n应力状态柔应力状态柔(软软)性系数性系数：n=max/max塑性断裂塑性断裂脆性断裂脆性断裂maxmax应力状态软性系数应力状态软性系数maxmax应力状态软性系数：越大，应力状态越“软”，易产生韧性断裂；越大，应力状态越“硬”，易产生脆性断裂。材料基本力学性能的测试不同加载方式下的应力状态柔度系数 加载方式主应力软性系数三向不等拉0.1单向拉伸000.5扭转00.

4、8二向等压01单向压缩0 02三向不等压412331989831n压缩力学性能指标?E压缩02.0sAF0bcbcAF脆性材料：弹性模量压缩屈服极限抗压强度韧性材料脆性材料的抗压能力强，且价格低廉，适合做抗压构件的材料！脆性材料的抗压能力强，且价格低廉，适合做抗压构件的材料！2-2 压缩压缩n1.试样：试样：n一一般为圆柱形（方形试样在热处理时易产生扭曲）；般为圆柱形（方形试样在热处理时易产生扭曲）；ndo=10、20、25mm；nh:do=1-3倍（倍（1.5-2）,h/do不不同时得到的数据不能比同时得到的数据不能比较；较；n 端面加工精度端面加工精度9以减小磨擦力以减小磨擦力n2.特点：

5、特点：n应力状态极软，应力状态极软，=2(单向压缩单向压缩)或或 2(多向压缩多向压缩)n适用于测试极脆材料、工作服役条件为压缩应力状态适用于测试极脆材料、工作服役条件为压缩应力状态的材料，并可使之沿的材料，并可使之沿45o角度断裂（最大应力方向角度断裂（最大应力方向)；n不适用于塑性材料的测试。不适用于塑性材料的测试。2-2 压缩压缩n3.压缩的性能指标：一般只测量抗压强度压缩的性能指标：一般只测量抗压强度cn因受压时试样的端面受到很大的摩擦力，使其端面因受压时试样的端面受到很大的摩擦力，使其端面的横向变形受阻，试样成为腰鼓形，故压缩时的变的横向变形受阻，试样成为腰鼓形，故压缩时的变形分布不

6、均匀。形分布不均匀。nh(h:do)越小受摩擦力的影响越大，故希望有高的越小受摩擦力的影响越大，故希望有高的h:do比值比值，但过高又会使试样纵向失稳，但过高又会使试样纵向失稳(弯曲弯曲)，所，所以一般取以一般取h:do=1-3倍倍152.32.3弯曲的力学性能弯曲的力学性能1 1、弯曲试验测定的力学性能指标：、弯曲试验测定的力学性能指标：(1)(1)弯曲试验：弯曲试验：圆柱试样或方形试祥；圆柱试样或方形试祥；万能试验机；万能试验机；加载方式一般有两种：加载方式一般有两种：三点弯曲加载和四点弯曲加载。三点弯曲加载和四点弯曲加载。(2)(2)载荷载荷F F与试样最大挠度与试样最大挠度f fmax

7、max弯曲图。弯曲图。162.32.3弯曲的力学性能弯曲的力学性能(3)(3)性能指标：性能指标：试样弯曲时，受拉一侧表面的最大正应力：试样弯曲时，受拉一侧表面的最大正应力：maxmax=M=Mmaxmax/W/W 抗弯强度抗弯强度(脆性材料脆性材料)bbbb：bbbb=M=Mb b/W/W 最大弯曲挠度、弯曲弹性模数、规定非比例弯曲应力、断裂挠度最大弯曲挠度、弯曲弹性模数、规定非比例弯曲应力、断裂挠度等。等。2 2弯曲试验的特点及应用弯曲试验的特点及应用 (1)(1)常用于测定那些由于常用于测定那些由于太硬难于加工成拉伸试样太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的的脆性材料的断裂强度，并能显示出它

8、们的塑性差别。断裂强度，并能显示出它们的塑性差别。(2)(2)用来用来比较和评定材料表面处理层比较和评定材料表面处理层的质量的质量 (3)(3)可测定规定非比例弯曲应力。可测定规定非比例弯曲应力。2-3 弯曲弯曲n3.特点：特点：n应力分布不均匀，应力分布不均匀，对表面较敏感，其相应的力学性能对表面较敏感，其相应的力学性能指标可以较敏感地反应构件的表面质量状态指标可以较敏感地反应构件的表面质量状态；n应力状态应力状态柔柔性系数性系数值较高；适用于脆性较大材料值较高；适用于脆性较大材料，不能测量优良塑性材料的，不能测量优良塑性材料的抗弯强度抗弯强度bbbb ：n塑性材料常不能使之断裂，而对脆性材

9、料可较好地观察塑性材料常不能使之断裂，而对脆性材料可较好地观察其断口，研究其断裂机制，其断口，研究其断裂机制，适于测试工具钢、铸钢；适于测试工具钢、铸钢；n用用挠度表示塑性挠度表示塑性，可显示低塑性材料的塑性；并可测，可显示低塑性材料的塑性；并可测得其塑性指标得其塑性指标-挠度挠度f f；n以拉应力为主；以拉应力为主；n与很多材料实际工作应力状态相同；与很多材料实际工作应力状态相同；n其试验结果受偏斜的影响小，简单、简便；其试验结果受偏斜的影响小，简单、简便；扭转扭转n扭转试验：对圆柱形试样施加扭矩T，标距l0之间两个横截面不断产生相对转动，其相对扭角以表示。铸铁的扭矩铸铁的扭矩-扭角曲线扭角

10、曲线TTbTT动画扭转扭转 45受力特征受力特征：圆轴扭转时，在圆轴扭转时，在横截面和纵截面上的切应力横截面和纵截面上的切应力为最大值；在方向角为最大值；在方向角 =45 的斜截面上作用有最大压应的斜截面上作用有最大压应力和最大拉应力。力和最大拉应力。变形特征变形特征：杆件的各横截：杆件的各横截面环绕轴线发生相对的转面环绕轴线发生相对的转动。动。扭转扭转试样的断口角度直接显示材料是正断还是切断，材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接地比较。低碳钢试件：沿横截面断开，低碳钢试件：沿横截面断开，为切断。为切断。铸铁试件：沿与轴线约成铸铁试件：沿与轴线约成45 的螺旋线断开，为正断。的螺旋线断开，

11、为正断。n扭转试验主要性能指标弹性阶段扭转扭转弹性变形时应力、应变分布400d32TLGWT002 Ldn扭转试验主要性能指标扭转试验主要性能指标塑性阶段塑性阶段扭转扭转塑性变形时应力、应变分布WTssWTbb扭转屈服极限扭转屈服极限抗扭强度抗扭强度扭转扭转n扭转试验的特点扭转试验的特点=0.8，易于显示金属的塑性行为；截面上应力分布不均匀，表面最大，愈往心部愈小；塑性变形均匀，没有颈缩现象；根据断口的宏观特征，区分断裂方式，由此直接地比较材料自身抗拉、抗剪能力的强弱。252.5 2.5 缺口试样静载力学性能缺口试样静载力学性能缺口包括轴间、螺纹、油孔、退刀槽、焊缝、不缺口包括轴间、螺纹、油孔

12、、退刀槽、焊缝、不均匀组织、夹杂物、第二相、晶界、亚晶界、均匀组织、夹杂物、第二相、晶界、亚晶界、以及裂纹等引起以及裂纹等引起形状改变形状改变的部位。的部位。以厚薄来分，包括以厚薄来分，包括薄板缺口薄板缺口和和厚板缺口厚板缺口。262.5 2.5 缺口试样静载力学性能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一、缺口处的应力分布特点及缺口效应二、缺口试样的静拉伸及静弯曲性能二、缺口试样的静拉伸及静弯曲性能三、材料缺口敏感度及其影响因素三、材料缺口敏感度及其影响因素27一、缺口处的应力分布特点及缺口效应一、缺口处的应力分布特点及缺口效应1 1弹性状态下的应力分布弹性状态下的应力分布(

13、1)(1)薄板缺口：薄板缺口：薄板所受拉应力薄板所受拉应力低于低于弹性极限弹性极限，缺口轴向应力缺口轴向应力y y在缺口根部最大，在缺口根部最大，即在根部产生即在根部产生应力集中应力集中；根部应力根部应力y y达到的屈服强度达到的屈服强度s s时，时，便引起缺口根部附近区域的便引起缺口根部附近区域的塑性塑性交形。交形。即缺口造成应力应变集中，即缺口造成应力应变集中，这是缺口的这是缺口的第一个效应第一个效应。缺口根部内侧产生横向拉应力缺口根部内侧产生横向拉应力x x。薄板在垂直于板面方向上有薄板在垂直于板面方向上有z z0 0。薄板中心是两向拉伸的薄板中心是两向拉伸的平面应力平面应力状态。状态。

14、28一、缺口处的应力分布特点及缺口效应一、缺口处的应力分布特点及缺口效应(2)(2)厚板缺口：厚板缺口：垂直于板面方向的变形受到约束，垂直于板面方向的变形受到约束，z z0 0 缺口根部为两向应力状态，缺口根部为两向应力状态，缺口内侧为三向应力状态。缺口内侧为三向应力状态。缺口改变了缺口前方的应力状态，缺口改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来使平板中材料所受的应力由原来单向拉伸单向拉伸改变为改变为两向或三向拉伸两向或三向拉伸，这是缺口的这是缺口的第二个效应第二个效应。29塑性状态下的应力分布（厚板）塑性状态下的应力分布（厚板）(1)(1)已知：塑性区屈雷斯加判据已知：塑性区屈

15、雷斯加判据y y=x x+s s。(2)(2)缺口根部：缺口根部：x x0 0，故，故y y=s s。当外加载荷当外加载荷增加时，增加时，缺口根部最先满足缺口根部最先满足y y=s s 而开始屈服。而开始屈服。(3)(3)缺口内侧：包括塑性区和弹性区。缺口内侧：包括塑性区和弹性区。塑性区：塑性区：x x0 0，要满足要满足y y=x x+s s，需增加，需增加y y。即心部屈服要不断增加即心部屈服要不断增加y y。同时。同时z z也增加。也增加。增加到一定程度，达到极值。增加到一定程度，达到极值。弹性区：弹性区：x x、y y、z z是连续下降的。是连续下降的。(4)(4)在有缺口条件下，由于

16、出现了三向应力，试样的在有缺口条件下，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口“强化强化”现象。现象。缺口使塑性材料得到缺口使塑性材料得到“强化强化”，这是缺口的，这是缺口的第三个第三个效应。效应。30一、缺口处的应力分布特点及缺口效应一、缺口处的应力分布特点及缺口效应(3)(3)应力集中系数应力集中系数K Kt t：缺口造成应力集中的程度，决定于缺口几何参数，如形状、缺口造成应力集中的程度，决定于缺口几何参数，如形状、角度、深度及根部曲率半径等。角度、深度及根部曲率半径等。缺口引起的应力集中程度通常用应力集中系数缺口引起的

17、应力集中程度通常用应力集中系数K Kt t表示表示 K Kt t定义为缺口净截面上的最大应力定义为缺口净截面上的最大应力maxmax与平均应力与平均应力之比之比即即 K Kt t maxmax/31二、缺口试样的静拉伸及静弯曲性能二、缺口试样的静拉伸及静弯曲性能0 0缺口敏感性：缺口敏感性：材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。变集中而变脆的倾向。1 1缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸：缺口试样的静拉伸和偏斜拉伸：试样的缺口形状和尺寸应符合规定。试样的缺口形状和尺寸应符合规定。缺口偏斜拉伸试验缺口偏斜拉伸试验装置装置：在试样与试验机夹头之间有

18、一垫圈，垫圈的在试样与试验机夹头之间有一垫圈，垫圈的倾斜角有倾斜角有0 0、4 4、8 83 3种。种。测定测定抗拉强度抗拉强度bNbN。32二、缺口试样的静拉伸及静弯曲性能二、缺口试样的静拉伸及静弯曲性能2 2缺口试样静弯曲缺口试样静弯曲 V V型或型或U U型缺口试样型缺口试样 试验可在室温或低温下进行，试验可在室温或低温下进行，记下全部弯曲曲线为止。记下全部弯曲曲线为止。弹性变形区弹性变形区、塑性变形区、塑性变形区、和断、和断裂区裂区；各区所占面积分别为弹性功、塑性功各区所占面积分别为弹性功、塑性功和断裂功和断裂功 断裂功表示材料阻止裂纹扩展能力。断裂功表示材料阻止裂纹扩展能力。33三、

19、材料缺口敏感度及其影响因素三、材料缺口敏感度及其影响因素1 1、缺口敏感度、缺口敏感度 常用试样的抗拉强度常用试样的抗拉强度bNbN与等截面尺寸光滑试样的抗拉与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度强度b b的比值作为材料的缺口敏感性指标，并称为的比值作为材料的缺口敏感性指标，并称为缺缺口敏感度口敏感度，用，用q qe e或或NSRNSR表示：表示：q qe e=bNbN/b b2 2、影响因素：、影响因素：与材料本身性能、应力状态与材料本身性能、应力状态(加载方式加载方式)以及缺口形以及缺口形状、尺寸、试验温度有关。状、尺寸、试验温度有关。四、缺口试样静拉伸试验四、缺口试样静拉伸试验n用途：用途：n广

20、泛应用于高强度钢的力学性能、钢广泛应用于高强度钢的力学性能、钢和钛的氢脆以及研究高温合金的缺口和钛的氢脆以及研究高温合金的缺口敏感性等。敏感性等。2.62.6 材料材料硬度硬度的特点的特点测量方法不同，硬度的物理意义不同测量方法不同，硬度的物理意义不同不仅取决于材料的成分和显微组织，还取决于测量的方法不仅取决于材料的成分和显微组织，还取决于测量的方法和条件。和条件。硬度不是一个物理常数硬度不是一个物理常数 是材料弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及抗是材料弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的摩擦性能等一系列不同物理量的综合性能指标综合性能指标。硬度不是

21、硬度不是材料独立的力学性能材料独立的力学性能硬度硬度n硬度：衡量金属材料软硬程度的一种性能硬度：衡量金属材料软硬程度的一种性能n硬度试验：用来测量金属软硬程度的一种硬度试验：用来测量金属软硬程度的一种特定试验方法。特定试验方法。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度肖氏、锤击式布氏硬度、里氏动载压入法压入法静载压入法 刻划法刻划法（划痕法）（划痕法）材料的材料的硬度硬度试验试验静态压痕硬度静态压痕硬度通过球体、金刚石锥体或其通过球体、金刚石锥体或其它锥体将载荷施加在被测材它锥体将载荷施加在被测材料上，使材料产生压痕，再料上，使材料产生压痕，再根据施加载荷与所产生压痕根据施加载荷与所产生压痕面积

22、或深度之间的关系，给面积或深度之间的关系，给出其硬度值出其硬度值 静态压痕硬度反映了材料抵抗塑性变形的能力。静态压痕硬度反映了材料抵抗塑性变形的能力。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等度等材料的材料的硬度硬度试验试验动态压痕硬度动态压痕硬度一个具有标准重量与尺寸的一个具有标准重量与尺寸的物体从某一高度下落到被测物体从某一高度下落到被测物体的表面，并从其表面弹物体的表面，并从其表面弹起，根据其回弹高度来确定起，根据其回弹高度来确定被测物体的硬度值。被测物体的硬度值。动态压痕硬度反映了材料的弹性性质。动态压痕硬度反映了材料的弹性性质。肖氏硬度等肖氏硬度等材料的材料的硬度硬度试

23、验试验划痕硬度划痕硬度在小曲率半径的硬质压头上施在小曲率半径的硬质压头上施加一定的法向载荷，并使压头加一定的法向载荷，并使压头沿试样表面刻划，通过试样表沿试样表面刻划，通过试样表面的划痕来评价其硬度面的划痕来评价其硬度。划痕硬度反映了材料的弹性性质。划痕硬度反映了材料的弹性性质。莫氏硬度、马尔顿斯划痕硬度等莫氏硬度、马尔顿斯划痕硬度等材料的材料的硬度硬度试验试验宏观硬度：宏观硬度：10N或或2N以上；以上；显微硬度：显微硬度：10mN以上，以上，10N或或2N以下；以下；纳米硬度：纳米硬度：700mN以下。以下。按照压头压力的大小，可以将硬度分为：按照压头压力的大小，可以将硬度分为：材料材料硬

24、度试验硬度试验的特点的特点综上所述：综上所述：硬度没有科学的定义；硬度不是一个物理常数；硬度硬度没有科学的定义；硬度不是一个物理常数；硬度不是一个独立的力学性能指标；而且各种方法测量的不是一个独立的力学性能指标；而且各种方法测量的硬度也不能直接比较。硬度也不能直接比较。但是：但是：硬度试验却是力学性能试验中最常用的一种方法！硬度试验却是力学性能试验中最常用的一种方法！？A留在工件表面上的试验痕迹很小，试验后工件不被破坏留在工件表面上的试验痕迹很小，试验后工件不被破坏A试样不需要加工成特殊形状，不论大小、厚薄及形状，试样不需要加工成特殊形状，不论大小、厚薄及形状，其硬度都可以由不同的方法来测定其

25、硬度都可以由不同的方法来测定 A硬度试验方法简单、迅速硬度试验方法简单、迅速A材料硬度与其它力学性能有一定的关系。如硬度和强度材料硬度与其它力学性能有一定的关系。如硬度和强度的关系较为密切，一般说来，硬度越高，强度也越大的关系较为密切，一般说来，硬度越高，强度也越大材料材料硬度试验硬度试验的特点的特点材料材料硬度试验硬度试验的特点的特点宏观宏观介观介观微观微观10-8 10-6 m10-7 10-4 m10-3 10-2 m现代材料的发展趋势：现代材料的发展趋势：力学性能是一个与力学性能是一个与尺寸无关的常数尺寸无关的常数力学性能与尺寸有力学性能与尺寸有很大的关系，如尺很大的关系，如尺寸越小，

26、强度越大寸越小，强度越大材料材料在纳在纳米尺米尺度下度下表现表现出强出强烈的烈的的尺的尺度效度效应应硬度硬度n压入法的物理意义压入法的物理意义：综合反映了压痕附：综合反映了压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑性变近局部体积内金属的弹性、微量塑性变形抗力、形变强化能力以及大量塑性变形抗力、形变强化能力以及大量塑性变形抗力等物理量的大小形抗力等物理量的大小。n压入硬度的特点压入硬度的特点a2，属于极，属于极“软软”性的应力状态性的应力状态；设备简单，操作迅速方便；设备简单，操作迅速方便；无损检测，不需特殊加工试样无损检测，不需特殊加工试样。用一定直径的淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，用一定直

27、径的淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，并在规定载荷下保持一定的时间后卸除压力，于是在试件并在规定载荷下保持一定的时间后卸除压力，于是在试件表面留下压痕，测量压痕的直径或是压痕深度则可以计算表面留下压痕，测量压痕的直径或是压痕深度则可以计算出压痕面积，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义出压痕面积，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，单位为千克力毫米为布氏硬度值，单位为千克力毫米2 布氏硬度布氏硬度PDdh布氏硬度的计算公式布氏硬度的计算公式球冠面积：球冠面积：dhA2221dDDh222dDDDPDhPAPHB步骤三：卸载，测量压痕直径和宽度步骤三：卸载，测量压痕直径和宽

28、度步骤四：计算出压痕的面积得出材料的布氏硬度值步骤四：计算出压痕的面积得出材料的布氏硬度值步骤一：选择压头，压力并加载步骤一：选择压头，压力并加载步骤二：保载一定的时间步骤二：保载一定的时间30/3000/10150WHBS布氏硬度值布氏硬度值S淬火钢球淬火钢球W硬质合金球硬质合金球压头直径压头直径mm载荷大小载荷大小kgf载荷作用时载荷作用时间间,为为10101515s s时，不时，不进行标注进行标注上式表示用上式表示用10mm10mm的淬火钢球压头，的淬火钢球压头，3000kgf3000kgf的载荷的载荷作用作用30s30s时，测得的布氏硬度为时，测得的布氏硬度为150150布氏硬度的表示

29、方法布氏硬度的表示方法布氏硬度试验方法测定材料硬度的理想情况：布氏硬度试验方法测定材料硬度的理想情况：使用同一压头压入同一试样，当变换载荷时，压痕面积使用同一压头压入同一试样，当变换载荷时，压痕面积会有变化，但单位面积上的抗力应是相同的，即布氏硬会有变化，但单位面积上的抗力应是相同的，即布氏硬度值应为常数。度值应为常数。PP or nPDnDd是变是变化的化的布氏硬度的相似原理布氏硬度的相似原理对于不同材料的试样，当变换钢球和载荷时，应该有对于不同材料的试样，当变换钢球和载荷时，应该有相同的差值，保证不同材料间的相互可比性。相同的差值，保证不同材料间的相互可比性。布氏硬度试验方法测定材料硬度的

30、理想情况：布氏硬度试验方法测定材料硬度的理想情况：PnP1CHB 2CHB 21CC 布氏硬度的相似原理布氏硬度的相似原理随载荷增大测量出的硬度随载荷增大测量出的硬度值经历了微小增大、不变、值经历了微小增大、不变、再变小的过程再变小的过程布氏硬度试验方法测定同一材料硬度的实际情况：布氏硬度试验方法测定同一材料硬度的实际情况：这一现象使得布氏硬度测这一现象使得布氏硬度测量造成了：量造成了：情况情况1 1：同一材料，压头直径和载荷变化时硬度值不为定值：同一材料，压头直径和载荷变化时硬度值不为定值 情况情况2 2：不同材料，压头直径和载荷变换时，硬度差值也：不同材料，压头直径和载荷变换时，硬度差值也

31、不为定值，使得不同材料具有可比性不为定值，使得不同材料具有可比性布氏硬度的相似原理布氏硬度的相似原理应取硬度值不随载荷变化而变化的区域，应取硬度值不随载荷变化而变化的区域，这样变化载荷时，硬度值不变。这样变化载荷时，硬度值不变。DdD6.025.0布氏硬度的相似原理布氏硬度的相似原理解决办法：解决办法：在这段区域，压头的直径和压痕直径满足关系式在这段区域，压头的直径和压痕直径满足关系式Dd375.0一般我们选择中间值一般我们选择中间值此时此时 压入角压入角 44布氏硬度的相似原理布氏硬度的相似原理现在，我们在保证硬度不变的区域对同一种材料，此时现在，我们在保证硬度不变的区域对同一种材料，此时选

32、择：选择：则有：则有：44D/2d/22/用不同直径的压头并施加不同的载荷来进行布氏硬度测试，用不同直径的压头并施加不同的载荷来进行布氏硬度测试，得到如右图的两个具有相同压入角和不同直径的压痕，因得到如右图的两个具有相同压入角和不同直径的压痕，因为压入角相同，这两个为压入角相同，这两个压痕几何相似压痕几何相似。DDd375.02sin根据布氏硬度值的定义：根据布氏硬度值的定义：2sin11222222DPdDDDPAPHB布氏硬度的相似原理布氏硬度的相似原理2sin11222111DPHB2sin11222222DPHB两种情况下的布氏硬度值为两种情况下的布氏硬度值为对于对于同一种材料同一种材

33、料，布氏硬度值应该，布氏硬度值应该相等相等即即21HBHB 则有则有KDPDPDP2222211为保证不同硬度的材料能得到为保证不同硬度的材料能得到相同的压入角相同的压入角，满足，满足DdD6.025.084231GB规定了规定了7 7种不同的种不同的K 值值布氏硬度的相似原理布氏硬度的相似原理布氏硬度的布氏硬度的K K值选择表值选择表材料材料布氏硬度布氏硬度K K钢及铸件钢及铸件 1401401403030铜及其合金铜及其合金351301303030轻金属及其合金轻金属及其合金3580801 1铅、锡铅、锡1.251.25布氏硬度的测定方法布氏硬度的测定方法用布氏硬度方法测定材料的硬度时：用

34、布氏硬度方法测定材料的硬度时：1.首先应根据试样的厚度选择合适的压头和载荷。首先应根据试样的厚度选择合适的压头和载荷。试件的厚度至少应为压痕深度的试件的厚度至少应为压痕深度的10倍。当试样厚度足够时，倍。当试样厚度足够时，应尽可能选择直径应尽可能选择直径10mm的压头。然后再根据材料及其硬度的压头。然后再根据材料及其硬度值范围根据值范围根据K表选择合适的表选择合适的K值。从而算出载荷值。值。从而算出载荷值。试验后，应该校核试验后，应该校核是否满足关系式。是否满足关系式。如果不满足，应该如果不满足，应该重新选择载荷重做重新选择载荷重做试验。试验。DdD6.025.0黑色金属黑色金属s30有色金属

35、有色金属s10维氏硬度小于维氏硬度小于3535的材料的材料s60布氏硬度的测定方法布氏硬度的测定方法2.对试件施加载荷。对试件施加载荷。此时应保证载荷与材料表面垂直，载荷应均匀，不得有冲击此时应保证载荷与材料表面垂直，载荷应均匀，不得有冲击和振动。和振动。3.在载荷作用下保持一定的时间。在载荷作用下保持一定的时间。不同材料类型，载荷保持时间不一样，原则是软材料因为发不同材料类型，载荷保持时间不一样，原则是软材料因为发生长时间的塑性变形，其保载时间应该长。一般规定：生长时间的塑性变形，其保载时间应该长。一般规定：压头压头直径大、施加载荷大、直径大、施加载荷大、压痕面积大。压痕面积大。能反映出较大

36、范围内材料能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能各组成相的综合平均性能不受个别相和微区不均匀不受个别相和微区不均匀性的影响。性的影响。布氏硬度的特点和应用布氏硬度的特点和应用布氏硬度的特点：布氏硬度的特点：布氏硬度布氏硬度n布氏硬度试验的优缺点布氏硬度试验的优缺点优点优点：结果具有普遍性；试验数据稳定，：结果具有普遍性；试验数据稳定，重复性强。重复性强。缺点缺点：钢球本身变形问题钢球本身变形问题，对，对HB450以以上的太硬材料不能使用；不宜于某些表面上的太硬材料不能使用；不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于薄件试验薄件试验；不同材料要换

37、球体和载荷，；不同材料要换球体和载荷，d的测量也比较麻烦。的测量也比较麻烦。将压头在一定压力下压入被测材料的表面，直接将压头在一定压力下压入被测材料的表面，直接测量压痕深度，根据压痕深度定出材料的硬度测量压痕深度，根据压痕深度定出材料的硬度 。压痕越深则硬度值越低，反之则硬度值越高压痕越深则硬度值越低，反之则硬度值越高。洛氏硬度的测量原理和方法洛氏硬度的测量原理和方法压头：金刚石圆锥体压头：金刚石圆锥体,钢球钢球采用不同压头并施加不同的压力，可以组成不同的洛氏硬采用不同压头并施加不同的压力，可以组成不同的洛氏硬度标尺。度标尺。洛氏硬度的不同标尺及应用洛氏硬度的不同标尺及应用标标尺尺硬度硬度符号

38、符号压头类型压头类型初始初始载荷载荷(N)主载主载荷荷(N)总载总载荷荷(N)测量硬测量硬度范围度范围应用举例应用举例AHRA顶角为顶角为120120的的金刚石圆锥体金刚石圆锥体 98.07490.3588.42288硬质合金、硬质合金、硬化薄钢板硬化薄钢板、表面薄层、表面薄层硬化钢硬化钢 BHRB直径为直径为1.588mm 的的钢球钢球 882.6980.720100低碳钢、铜低碳钢、铜合金、铁素合金、铁素体可锻铸铁体可锻铸铁 CHRC顶角为顶角为120120的金的金刚石圆锥体刚石圆锥体588.414712070淬火钢、高淬火钢、高硬度铸件、硬度铸件、珠光体可锻珠光体可锻铸铁铸铁 洛氏硬度的

39、测量原理和方法洛氏硬度的测量原理和方法a)a)加预载荷，如图加预载荷，如图a a，此时测得压入表面的深此时测得压入表面的深度为度为h h2 2b)b)加主载荷，测得压加主载荷，测得压入表面的深度为入表面的深度为h h3 3c)c)卸除主载荷但保留预卸除主载荷但保留预载荷，测得压入表面的载荷，测得压入表面的深度为深度为h h1 1残余深度残余深度h=hh=h1 1-h-h2 2，代入代入002.0hkHR即可求出洛氏硬度值即可求出洛氏硬度值洛氏硬度的测量过程洛氏硬度的测量过程以以C标尺为例：标尺为例：式中式中0.0020.002表示一个洛氏硬度单位，表示一个洛氏硬度单位，K K是一个与压头类型有

40、关是一个与压头类型有关的无量纲常数的无量纲常数(为金刚石圆锥压头时为金刚石圆锥压头时k k100100，为，为淬火钢球压淬火钢球压头时头时k k130)130)。洛氏硬度洛氏硬度思考题思考题：为什么用金刚石圆锥和钢球压头时，为什么用金刚石圆锥和钢球压头时，K K值分别取值分别取100100或或130130答：当压头为金刚石圆锥体时，因为规定用于测量较硬的材料，一般不会出现压入深度为0.2mm，而使硬度值为零。mmhHRB002.0130当压头为钢球，多用于测量较软的金属，压入深度较深，有当压头为钢球，多用于测量较软的金属，压入深度较深，有时可能达到时可能达到0.2mm ，甚至更多。若，甚至更多

41、。若K K值定为值定为100时，硬度值时，硬度值会等于零或甚至出现负值。会等于零或甚至出现负值。为避免出现上述情况，将用钢球压头的洛氏标尺值定为为避免出现上述情况，将用钢球压头的洛氏标尺值定为130130。故此时的洛氏硬度值为故此时的洛氏硬度值为洛氏硬度洛氏硬度n洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点适于各种不同硬质材料的检验，不存在适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题；压头变形问题；压痕小，不伤工件表面，可在工件上直压痕小，不伤工件表面，可在工件上直接实验；接实验；操作迅速，立即得出数据，生产效率高操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。，适用于大量生产中的成品检验。

42、洛氏硬度洛氏硬度n洛氏硬度的缺点洛氏硬度的缺点压痕小，代表性差，硬度值分散度大；压痕小，代表性差，硬度值分散度大；用不同硬度级测得的硬度值无法统一起用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。来，无法进行比较。特点特点：原理与洛氏硬度相同原理与洛氏硬度相同 预载荷减小为预载荷减小为3 3kgfkgf 硬度单位由硬度单位由0.0020.002mmmm改为改为0.0010.001mmmm 压头类型与洛氏硬度相同压头类型与洛氏硬度相同 总载荷减小总载荷减小001.0hkHR表面洛氏硬度计算表达式表面洛氏硬度计算表达式：其中其中K K=100=100表面洛氏硬度表面洛氏硬度1.洛氏硬度洛氏硬度

43、 45表示硬度值；表示硬度值；45HRA HR表示洛氏硬度；表示洛氏硬度；A表示标尺。表示标尺。2.表面洛氏硬度表面洛氏硬度 45表示硬度值；表示硬度值；45HR30N HR表示洛氏硬度；表示洛氏硬度；30表示总载荷表示总载荷(kgf)；N表示压头类型。表示压头类型。表面洛氏硬度表面洛氏硬度维氏硬度的测定原理和方法维氏硬度的测定原理和方法实验原理实验原理:维氏硬度试验法是用面角为维氏硬度试验法是用面角为136度的金刚石角锥体作度的金刚石角锥体作压头，在一定的静载荷作用下，压入试样的表面，保压头，在一定的静载荷作用下，压入试样的表面，保持一定时间后卸除载荷，测量恢复后的压痕对角线长持一定时间后卸

44、除载荷，测量恢复后的压痕对角线长度，计算出压痕凹印面积，求出单位面积上承受的载度，计算出压痕凹印面积，求出单位面积上承受的载荷大小，即为维氏硬度值。荷大小，即为维氏硬度值。维氏硬度的计算表达式：维氏硬度的计算表达式：22854.168sin2dPdPSPHV压痕P20/30640HV维氏维氏硬度值硬度值载荷大小载荷大小kgf载荷作用时间载荷作用时间s维氏硬度符号维氏硬度符号注意：注意：维氏维氏硬度的载荷不是任意的，一般是硬度的载荷不是任意的，一般是5kgf，10kgf，20kgf，30kgf，50kgf，100kgf共共6种。种。当硬度值当硬度值500HV时，不采用时，不采用50kgf以上的载

45、荷，以防损坏压头以上的载荷，以防损坏压头维氏硬度的表示方法维氏硬度的表示方法要求要求：试件的厚度为压痕试件的厚度为压痕 平均直径的平均直径的1.51.5倍倍选择方法：选择方法：a.a.已知试件厚度和预期硬度参考右图已知试件厚度和预期硬度参考右图b.b.厚度未知厚度未知 按从小到大加载，若载荷增加，硬按从小到大加载，若载荷增加，硬度明显降低，则采取较小的载荷，度明显降低，则采取较小的载荷，直到两相邻载荷得出相同结果为止直到两相邻载荷得出相同结果为止c.c.厚度较厚厚度较厚 尽可能的选择大载荷尽可能的选择大载荷d.d.薄试件薄试件 选用小载荷选用小载荷维氏硬度的试验方法维氏硬度的试验方法维氏硬度与

46、布氏硬度的比较维氏硬度与布氏硬度的比较试验原理相同试验原理相同，都是在一定的载荷作用下将压头压入材料，都是在一定的载荷作用下将压头压入材料表面，保持一定的时间，用载荷与压痕面积的比值表示其表面，保持一定的时间，用载荷与压痕面积的比值表示其硬度值。硬度值。当材料的硬度小于当材料的硬度小于450450HVHV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 1.1.采用四方角锥体压头，不同载荷作用下的压痕几何相似采用四方角锥体压头，不同载荷作用下的压痕几何相似 硬度值均相同，不受布氏法中载荷硬度值均相同，不受布氏法中载荷P P和压头和压头D D条件的约束条件的约束 2.2.测量

47、范围较宽，也不存在洛氏硬度法中不同标尺的硬度测量范围较宽，也不存在洛氏硬度法中不同标尺的硬度 无法统一的问题无法统一的问题 3.3.压痕为一轮廓清晰的正方形，其对角线长度易于精确压痕为一轮廓清晰的正方形，其对角线长度易于精确测量，故精度较布氏法的高测量，故精度较布氏法的高 维氏硬度的特点维氏硬度的特点压头加工难度大压头加工难度大,压头材料金刚石较昂贵压头材料金刚石较昂贵 缺点：缺点：需要通过印痕测量后才可以计算或查表得到硬度值，其效率需要通过印痕测量后才可以计算或查表得到硬度值，其效率较洛氏硬度法低较洛氏硬度法低 维氏硬度的缺点和不适用范围维氏硬度的缺点和不适用范围动力法测材料的硬度动力法测材

48、料的硬度肖氏硬度肖氏硬度 锤击式布氏硬度锤击式布氏硬度 动力法测材料的硬度是指测试时，以具有一定动能的压动力法测材料的硬度是指测试时，以具有一定动能的压头压到材料表面上，通过回跳高度或压痕面积来计算材头压到材料表面上，通过回跳高度或压痕面积来计算材料的硬度。料的硬度。动力法测定的硬度反映了材料的弹性变形的能力。动力法测定的硬度反映了材料的弹性变形的能力。以一定重量的以一定重量的冲头冲头，从一定高度，从一定高度自由下落自由下落到到试样表面试样表面，冲头回跳，将冲头回跳，将回跳高度回跳高度作为作为硬度的量度硬度的量度。肖氏硬度的试验原理和测量方法肖氏硬度的试验原理和测量方法h自由落下自由落下h回跳

49、回跳冲头类型：冲头类型：镶金刚石圆柱体、钢球镶金刚石圆柱体、钢球自由落下回跳hhKHS 65/104K140KC C型肖氏硬度计，即带刻度标尺型肖氏硬度计，即带刻度标尺 属目测型属目测型 D D型肖氏硬度计，即带圆盘刻度，属指示型型肖氏硬度计，即带圆盘刻度，属指示型 肖氏硬度的试验原理和测量方法肖氏硬度的试验原理和测量方法硬度计算表达式硬度计算表达式:肖氏硬度的试验原理和测量方法肖氏硬度的试验原理和测量方法肖氏硬度试验时，要求试件表面光洁度不小于肖氏硬度试验时，要求试件表面光洁度不小于8。试件的试验面应为平面，两面平行。试件的试验面应为平面，两面平行。试样的厚度不应小于试样的厚度不应小于2mm

50、，否则会因试件整体的弹性，否则会因试件整体的弹性或塑性变形等因素影响测量的准确性。或塑性变形等因素影响测量的准确性。对于较薄的试件，可以用沥青或焊锡等将试件固定在对于较薄的试件，可以用沥青或焊锡等将试件固定在质量为质量为400克以上的钢块上进行试验克以上的钢块上进行试验 肖氏硬度试验条件和方法肖氏硬度试验条件和方法:不足不足：与静态试验法相比准确性较差，数值波动幅度较大；与静态试验法相比准确性较差，数值波动幅度较大；对弹性系数相差大的材料其结果不能相互比较。对弹性系数相差大的材料其结果不能相互比较。对大型制件，因难于保证制件的光洁度和冲头的垂直对大型制件，因难于保证制件的光洁度和冲头的垂直 下