1、材料在其他静载下的力学性能材料在其他静载下的力学性能化学与化学工程学院化学与化学工程学院帅帅 心心 涛涛2-1 应力状态软性系数应力状态软性系数n材料单向静拉伸试验材料单向静拉伸试验：材料的塑性变形和断裂材料的塑性变形和断裂方式主要与应力状态有关方式主要与应力状态有关n正应力容易导致脆性的解理断裂正应力容易导致脆性的解理断裂n切应人容易导致材料的塑性变形和韧性断裂，切应人容易导致材料的塑性变形和韧性断裂，n实际应用实际应用：材料材料变形和断裂方式主要决定于承载变形和断裂方式主要决定于承载条件下的应力状态条件下的应力状态 不同的应力状态对脆性正断起主要作用的最不同的应力状态对脆性正断起主要作用的
2、最大正力应力大正力应力max与对塑性变形和韧性断裂起主要作与对塑性变形和韧性断裂起主要作用的最大切应力用的最大切应力max的相对大小是不一样的的相对大小是不一样的 2-1 应力状态软性系数应力状态软性系数n材料力学表明：材料力学表明：任何复杂的应力状态都可用任何复杂的应力状态都可用3个个主应力主应力1、2和和3(123)来表示来表示n按照按照“最大切应力理论最大切应力理论”：最大切应力：最大切应力 max=(1-3)/2；n按照按照“相当最大正应力理论相当最大正应力理论”：最大正应力：最大正应力 max=1(2+3)。n应力状态软性系数应力状态软性系数：n越大，最大切应力分量越大，表示应力状态
3、越越大，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软，材料越易于产生塑性变形 n越小，最大正应力分量越大，表示应力状态越越小，最大正应力分量越大，表示应力状态越硬，则材料越容易产生脆性断裂硬，则材料越容易产生脆性断裂)(232131maxmax2-1 应力状态软性系数应力状态软性系数n典型加载方式的应力状态软性系数典型加载方式的应力状态软性系数 值值2-1 应力状态软性系数应力状态软性系数n三向等拉伸：三向等拉伸：应力状态最硬，因其切应力分量为零。在应力状态最硬，因其切应力分量为零。在这种应力状态下，材料最易发生脆性断裂，因此对于塑性这种应力状态下，材料最易发生脆性断裂，因此
4、对于塑性较好的金属材料，为了充分揭示其脆性倾向，往往采用应较好的金属材料，为了充分揭示其脆性倾向，往往采用应力状态硬的三向不等拉伸试验，防止其仅产生塑性断裂力状态硬的三向不等拉伸试验，防止其仅产生塑性断裂n单向拉伸：单向拉伸：正应力分量较大，切应力分量较小，应力状正应力分量较大，切应力分量较小，应力状态较硬，一般适用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓态较硬，一般适用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓塑性材料的试验。塑性材料的试验。n扭转和压缩：扭转和压缩：应力状态较软，材料易产生塑性变形，一应力状态较软，材料易产生塑性变形，一般适用于在单向拉伸时易发生脆断而不能充分反映其塑性般适用于在单向拉伸
5、时易发生脆断而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料性能的所谓脆性材料(如灰铸铁、淬火高碳钢和陶瓷等如灰铸铁、淬火高碳钢和陶瓷等)n硬度试验：硬度试验：属于三向不等压缩应力状态，应力状态非常属于三向不等压缩应力状态，应力状态非常软，因此硬度试验可在各种材料上进行软，因此硬度试验可在各种材料上进行2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n扭转试验一般采用圆柱形试样在扭转试验机上进行扭转扭转试验一般采用圆柱形试样在扭转试验机上进行扭转时试样表面的应力状态如图时试样表面的应力状态如图2 21(a)1(a)所示，在与试样轴线呈所示，在与试样轴线呈45方向上承受最大正应力，与试祥轴线平
6、行或垂直方向方向上承受最大正应力，与试祥轴线平行或垂直方向上承受最大切应力上承受最大切应力n在弹性变形阶段，试祥模截面上的切应力和切应变沿半径在弹性变形阶段，试祥模截面上的切应力和切应变沿半径方向呈线性分布方向呈线性分布 图图2 2l(bl(b)n当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，切应力则因塑性变形而呈非线性变化切应力则因塑性变形而呈非线性变化 图图2 2l(cl(c)2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n扭转图扭转图:在扭转试验过程中，根据每一时刻加于试在扭转试验过程中，根据每一时刻加于试样上的扭矩样上
7、的扭矩M和扭转角和扭转角(在试样标距在试样标距l0上的两个截上的两个截面问的相对扭转角面问的相对扭转角)绘制成绘制成M-曲线曲线(图图2-2)n根据扭转图和有关根据扭转图和有关的材料力学公式便的材料力学公式便可计算出材料的扭可计算出材料的扭转强度、剪切弹性转强度、剪切弹性模量和剪切应变等模量和剪切应变等扭转力学性能指标扭转力学性能指标2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n规定非比例扭转应力规定非比例扭转应力:指当试件标距部分表面非指当试件标距部分表面非比例切应变比例切应变p达到规定值时，按弹性扭转公式算达到规定值时，按弹性扭转公式算出的应力，表示为出的应力，表示为p，即
8、材料对招转配件变形的即材料对招转配件变形的抗力抗力n式中，式中，W为试样截面系数，圆柱试样为为试样截面系数，圆柱试样为d03/16；Mp为扭转曲线上某一点对为扭转曲线上某一点对M轴的正切值较扭转曲轴的正切值较扭转曲线上直线部分线上直线部分ON正切值大正切值大50时该点对应的扭矩，时该点对应的扭矩，单位为单位为NmWMpp2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n扭转屈服强度扭转屈服强度:表示为表示为sn式中，式中，Ms为为残余扭转切应变为残余扭转切应变为0.3%（相当于拉伸相当于拉伸残余应变残余应变为为0.2%）时的扭矩时的扭矩(Nm)。n扭转强度极限扭转强度极限:表示为表
9、示为bn式中，式中，Mb为为试样断裂前的最大扭矩试样断裂前的最大扭矩(Nm)。WMssWMbbn条件强度极限：条件强度极限：上式中的上式中的b是按弹性力学公式是按弹性力学公式计算的，由图计算的，由图2-l(c)可知，由于试样表面层的塑性可知，由于试样表面层的塑性变形，使其切应力有所降低，这是因为形变强化变形，使其切应力有所降低，这是因为形变强化模数模数D较弹性模数较弹性模数G小，使应力曲线下降的结小，使应力曲线下降的结果所以，用上述弹性公式果所以，用上述弹性公式(2-3)计算的计算的b值与真值与真实情况不符，故称实情况不符，故称b为条件强度极限为条件强度极限。n除了松脆材料外，除了松脆材料外，
10、b不能代表真实扭转强度极限，不能代表真实扭转强度极限，只能用作标准试样条件下的相对比较为了求得只能用作标准试样条件下的相对比较为了求得真实扭转强度极限，应运用塑性力学理论，按圆真实扭转强度极限，应运用塑性力学理论，按圆柱形试样产生大量塑性变形条件下的扭转真应力柱形试样产生大量塑性变形条件下的扭转真应力来计算来计算2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n真实扭转强度极限真实扭转强度极限tf:n式中，式中，Mf为试样断裂时的最大扭矩为试样断裂时的最大扭矩(Nm)；f f为试为试样断裂时单位长度上的相对扭转角样断裂时单
11、位长度上的相对扭转角。)(3430ffffddMMdt)/(0mmraddldfn(dM/d)f为为M-扭转曲线上扭转曲线上f点处点处的切线相对于的切线相对于轴的夹角的正切值轴的夹角的正切值(Nm/rad)，可用图解微分法求出，可用图解微分法求出，即根据计算出的各即根据计算出的各及对应的各及对应的各M值，画出临近断裂部分的值，画出临近断裂部分的M-曲线，曲线，曲线上曲线上Mf处的斜率处的斜率tantan即为即为(dM/d)f，如图，如图2-3所示所示2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n当当(dM/d)f=0:n这是在完全理想塑性条件下的表达式这是在完全理想塑性条件下的
12、表达式。前。前式中的第式中的第二项则代表存在弹性变形和形变强化时应有的校正二项则代表存在弹性变形和形变强化时应有的校正。n剪切弹性模量剪切弹性模量:表示为表示为GnM、分别为弹性变形阶段的扭矩和相对扭转角分别为弹性变形阶段的扭矩和相对扭转角。3012dMtff40032dMlG2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n扭转相对残余切应变扭转相对残余切应变:表示为表示为fn对于塑性材料，因塑性变形很大，弹性切应变可以对于塑性材料，因塑性变形很大，弹性切应变可以忽略不计，用上式求出的总切应变可看作残余切应忽略不计，用上式求出的总切应变可看作残余切应变对脆性材料和低塑性材料，因塑
13、性变形很小，变对脆性材料和低塑性材料，因塑性变形很小，弹性变形不能忽略，须把从上式中所得的总切应变弹性变形不能忽略，须把从上式中所得的总切应变值减去弹性切应变值减去弹性切应变p才是残余切应变才是残余切应变n弹性切应变弹性切应变:表示为表示为p%100200ldff%100Gppn扭转试验应用：扭转试验应用：扭转试验及其测定的性能指标除扭转试验及其测定的性能指标除可作为扭转条件下服役的机件设计和选材的依据外，可作为扭转条件下服役的机件设计和选材的依据外，在材料的试验研究中，也是一种重要测试手段。在材料的试验研究中，也是一种重要测试手段。n扭转试验特点扭转试验特点1：扭转的应力状态软性系数扭转的应
14、力状态软性系数(=0.8)较拉伸的应力状态软性系数较拉伸的应力状态软性系数(=0.5)高，故可用来测高，故可用来测定那些在拉伸时呈现脆性的材料定那些在拉伸时呈现脆性的材料(ts/c=0.50.8)的强的强度和塑性度和塑性。n扭转试验特点扭转试验特点2：扭转试验时试样截面的应力分扭转试验时试样截面的应力分布为表面最大，愈往心部愈小故此法对材料表面布为表面最大，愈往心部愈小故此法对材料表面硬化及表面缺陷的反映十分敏感利用这一特性，硬化及表面缺陷的反映十分敏感利用这一特性，可对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理可对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验表面质量进行检验2-2
15、扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n扭转试验特点扭转试验特点3：圆柱形试样在扭转试验时，整圆柱形试样在扭转试验时，整个试样长度上始终不产生颈缩现象，塑性变形始个试样长度上始终不产生颈缩现象，塑性变形始终是均匀的，其截面及标距长度也基本上保持原终是均匀的，其截面及标距长度也基本上保持原尺寸不变，故可用来精确评定那些拉伸时出现颈尺寸不变，故可用来精确评定那些拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力n扭转试验特点扭转试验特点4：扭转试验时正应力与切应力大扭转试验时正应力与切应力大致相等，而生产中所使用的大部分金属结构材料致相等，而生产中所使用
16、的大部分金属结构材料的的ctf，所以扭转试验是测定这些材料的切断强，所以扭转试验是测定这些材料的切断强度的最可靠方法。根据试样的断口特征还可区分度的最可靠方法。根据试样的断口特征还可区分材料最终的断裂方式是正断还是切断材料最终的断裂方式是正断还是切断2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n扭转试验特点扭转试验特点4：切断断口、切断断口、断面和试样轴线断面和试样轴线垂直，有回旋状塑性变形痕迹，这是切应力作用垂直，有回旋状塑性变形痕迹，这是切应力作用的结果。塑性材料常为的结果。塑性材料常为 这种断口，如图这种断口，如图2-4(a)所示。正断断口，断面所示。正断断口，断面 和试
17、样轴线约成和试样轴线约成45角，角，呈螺旋状或斜劈状，这呈螺旋状或斜劈状，这 是正应力作用的结果，是正应力作用的结果，脆性材料常为这种断口，脆性材料常为这种断口，如图如图2-4(b)所示所示2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n弯曲试验用圆柱试样或方形试样在万能试验机上进弯曲试验用圆柱试样或方形试样在万能试验机上进行加载方式一般有两种：行加载方式一般有两种：n三点弯曲加载：三点弯曲加载：最大弯矩最大弯矩MmaxFL/4（图（图2-5(a)）n四点弯曲加载：四点弯曲加载：最大弯矩最大弯矩MmaxFK/2（图（图2
18、-5(b)），L L段为等弯矩。段为等弯矩。2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n弯曲图弯曲图:指记录指记录 载荷载荷F(或弯矩或弯矩M)与试样最大挠度与试样最大挠度 fmax之间的关系之间的关系 曲线（图曲线（图2-6），），可籍此来确定材可籍此来确定材 料在弯曲载荷下料在弯曲载荷下 的力学性能的力学性能2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n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:n式中，式中，W W为试样抗弯截面系数。为试样抗弯截面系数。n对于直径为对于直径为do的圆柱试样的圆柱试样n对于宽度为对于宽度为b
19、b，高度为，高度为h h 的矩形试样的矩形试样WMmaxmax)(32303mdW63bhW 2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n脆性材料可根据弯曲图脆性材料可根据弯曲图2-6(c)计算抗弯计算抗弯强度强度:n式中，式中，M Mb b为试样断裂时的弯矩（为试样断裂时的弯矩（N Nm m）。）。n材料的塑性可用最大弯曲材料的塑性可用最大弯曲挠度挠度fmax表示表示 fmax值可值可由百分表或由百分表或挠度挠度计直接读出此外，从弯曲一挠度计直接读出此外，从弯曲一挠度曲线上还可测曲线上还可测算弯曲弹性模数算弯曲弹性模数Eb规定非比例弯曲规定非比例弯曲应力应力pb、断裂挠度、
20、断裂挠度fb、断裂能量、断裂能量等性能指标。等性能指标。WMbbbn弯曲试验特点弯曲试验特点1：弯曲加载时受拉一侧的应力状弯曲加载时受拉一侧的应力状态基本与静拉伸相同，但不存在所谓的试样偏斜影态基本与静拉伸相同，但不存在所谓的试样偏斜影响故常用于测定因太硬而难于加工成拉伸试样的响故常用于测定因太硬而难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度，并能显示它们的塑性差别脆性材料的断裂强度，并能显示它们的塑性差别n弯曲试验特点弯曲试验特点2：弯曲试验时截面上的应力分布弯曲试验时截面上的应力分布也是表面上应力最大，故可灵敏反映材料的表面缺也是表面上应力最大，故可灵敏反映材料的表面缺陷故常用来比较和评定材料表
21、面处理层的质量陷故常用来比较和评定材料表面处理层的质量n弯曲试验特点弯曲试验特点3：塑性材料塑性材料F-fmax曲线的最后部曲线的最后部分可任意延长分可任意延长 图图2-6(a)，表明弯曲试验不能使这，表明弯曲试验不能使这些材料断裂此时虽可测定规定非比例和弯曲应力，些材料断裂此时虽可测定规定非比例和弯曲应力，但实际上很少应用，应采用拉伸试验但实际上很少应用，应采用拉伸试验2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n压缩试验：压缩试验：指对试样施加轴向压力，在其变形和指对试样施加轴向压力，在其变形和断裂过程中测定材料的
22、强度和塑性等力学性能指标断裂过程中测定材料的强度和塑性等力学性能指标的试验方法。压缩试验用的试样通常为圆柱形的试验方法。压缩试验用的试样通常为圆柱形n压缩试验的影响因素：压缩试验的影响因素：n为防止试样的纵向失稳，脆性材料和低塑性材料的为防止试样的纵向失稳，脆性材料和低塑性材料的试样高度试样高度h0和直径和直径d0之比不应大于之比不应大于2，最好为，最好为12n由于试样端面摩擦的作用，试样尺寸由于试样端面摩擦的作用，试样尺寸h0/d0对压缩变对压缩变形量及其形变抗力有很大影响为排除这种影响，形量及其形变抗力有很大影响为排除这种影响，必须采用相同必须采用相同h0/d0的试样的试样n试样端部的摩擦
23、力不仅影响试验结果，而且会改变试样端部的摩擦力不仅影响试验结果，而且会改变断裂形式，因此应尽量设法减小。断裂形式，因此应尽量设法减小。2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n压缩曲线压缩曲线:压缩试验时，压缩试验时，材料抵抗外力变形和断材料抵抗外力变形和断裂情况也可用压力和变裂情况也可用压力和变形的关系曲线来表示形的关系曲线来表示（图（图2-7）。）。n1为脆性材料酌压缩曲线，为脆性材料酌压缩曲线，断裂点断裂点f的应力即为抗压的应力即为抗压强度强度bc；n2为塑性材料酌压缩曲线，为塑性材料酌压缩曲线，其上部虚线表示材料被其上部虚线表示材料被压扁但并不断裂。压扁但并不断裂。
24、2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n脆性材料的抗压强度及压缩塑性指标如下：脆性材料的抗压强度及压缩塑性指标如下：n规定非比例压缩应力规定非比例压缩应力:n抗压强度抗压强度:n相对压缩率相对压缩率:n相对断面扩展率相对断面扩展率:n式中，式中，Fbc为压缩断裂载荷；为压缩断裂载荷；ho、hf分别为试样原始分别为试样原始和断裂时的高度和断裂时的高度(m)；Ao、Af分别为试样原始和断分别为试样原始和断裂时的截面积裂时的截面积(m2)。0AFpcpc%10000hhhfc0AFbcbc%10000AAAfcn压缩试验特点压缩试验特点1：单向压缩的应力状态软性系数单向压缩的应
25、力状态软性系数=2因此，压缩试验主要用于脆性材料，以显示因此，压缩试验主要用于脆性材料，以显示其在静拉伸时韧性状态下所不能反映的力学行其在静拉伸时韧性状态下所不能反映的力学行为例如绝大多数无机非金属材料和铸铁等脆性材为例如绝大多数无机非金属材料和铸铁等脆性材料在拉伸时为脆性正断，而在压缩时则发生一定塑料在拉伸时为脆性正断，而在压缩时则发生一定塑性变形，并有沿着与轴线成性变形，并有沿着与轴线成45的切断特征。的切断特征。n压缩试验特点压缩试验特点2：压缩与拉伸的受力方向相反，压缩与拉伸的受力方向相反，且所得的载荷一变形曲线、塑性及断裂形态也存在且所得的载荷一变形曲线、塑性及断裂形态也存在较大差别
26、，特别是压缩试验不能使塑性材料断较大差别，特别是压缩试验不能使塑性材料断裂故塑性材料一般不采用压缩方法检验裂故塑性材料一般不采用压缩方法检验n压缩试验特点压缩试验特点3：多向不等压缩试验的应力状态多向不等压缩试验的应力状态软性系数软性系数2 此方法适用于脆性更大的材料，此方法适用于脆性更大的材料，它可以反映此类材料的微小塑性差异。它可以反映此类材料的微小塑性差异。2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n硬度：硬度：衡量材料软硬程度的一种力学性能。其值衡量材料软硬程度的一种力学性能。其值表征材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力表征材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力
27、n硬度试验方法按加载方式可分为：硬度试验方法按加载方式可分为：n压入法：压入法：其值表征材料表面抵抗另一物体局部压其值表征材料表面抵抗另一物体局部压入时所引起的塑性变形能力，由加载速率不同分为入时所引起的塑性变形能力，由加载速率不同分为n动载压入法：动载压入法：包括超声波硬度、肖氏硬度和锤击式包括超声波硬度、肖氏硬度和锤击式布氏硬度布氏硬度n静载压入法：静载压入法：包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度和显微硬度n刻划法：刻划法：其值表征材料表面对局部切断破坏的抗其值表征材料表面对局部切断破坏的抗力，包括莫氏硬度顺序法和挫刀法等力，包括莫氏硬度顺序法和挫刀法
28、等2-3 硬度硬度2-3 硬度硬度n布氏硬度试验的原理布氏硬度试验的原理:用一定大小的载荷用一定大小的载荷F(kgf)，把直径为把直径为D(mm)的淬火的淬火钢球或硬质合金球压入钢球或硬质合金球压入试样表面试样表面(图图2-17)，保，保持规定时间后卸除载荷，持规定时间后卸除载荷，测量试样表面的残留压测量试样表面的残留压痕直径痕直径d，求压痕的表面，求压痕的表面积积S将单位压痕面积承将单位压痕面积承受的平均压力受的平均压力(F/S)定义定义为布氏硬度，为布氏硬度，用用HB表示表示)(222dDDDFSFHBn布氏硬度值的符号：布氏硬度值的符号：n当压头为硬质合金球时，用符号当压头为硬质合金球时
29、，用符号HBW表示，适用表示，适用于布氏硬度值为于布氏硬度值为450650的材料；的材料；n当压头为淬火钢球时，用符号当压头为淬火钢球时，用符号HBS表示，适用于布表示，适用于布氏硬度值低于氏硬度值低于450的材料的材料n布氏硬度值的表示方法：布氏硬度值的表示方法：一般记为一般记为“数字数字+硬度硬度符号符号(HBS或或HBW)+)+数字数字/数字数字/数字数字”的形式，符的形式，符号前面的数字为硬度值，符号后面的数字依次表示号前面的数字为硬度值，符号后面的数字依次表示钢球直径、载荷大小及载荷保持时间等试验条钢球直径、载荷大小及载荷保持时间等试验条件当保持时间为件当保持时间为1015s时可不标
30、注时可不标注n用用10mm淬火钢球，在淬火钢球，在3000kgf载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的硬度值为测得的硬度值为280，则记为，则记为280 HBS10/3000/302-3 硬度硬度2-3 硬度硬度n在实际生产中进行布氏硬度检验时，需要使用大在实际生产中进行布氏硬度检验时，需要使用大小不同的载荷小不同的载荷F和压头直径和压头直径D那么当对同一种材那么当对同一种材料采用不同的料采用不同的F和和D进行试验时能否得到同一布氏进行试验时能否得到同一布氏硬度值？硬度值？n压痕相似原理：压痕相似原理：从图中从图中 可以看出可以看出d和压入角和压入角的的 关系，即关系，即n代入布氏硬度公式可
31、得代入布氏硬度公式可得)2/sin11(222DFHB2/sinDd n压痕相似原理：压痕相似原理：由上式可知，要保持在不同试验由上式可知，要保持在不同试验条件下同一材料测得的布氏硬度值相同，必须满足条件下同一材料测得的布氏硬度值相同，必须满足n压入角压入角为常数为常数:即获得几何形状相似的压痕；即获得几何形状相似的压痕；nF/D2为常数为常数:试验表明，当试验表明，当F/D2等于常数时所得压等于常数时所得压痕的压入角痕的压入角保持不变因此，为了使同一材料用保持不变因此，为了使同一材料用不同不同F和和D测得的测得的HB值相同，应使值相同，应使F/D2保持常数保持常数n布氏硬度值的布氏硬度值的F
32、/D2比值：比值：有有30、15、10、5、2.5、1.25和和1共共7种对软硬不同的材料，为了获得种对软硬不同的材料，为了获得统一的、可比较的硬度值，应选用不同的统一的、可比较的硬度值，应选用不同的F/D2比值，比值，以便将压入角以便将压入角限制在限制在2874范围内，压痕直范围内，压痕直径径d控制在控制在(0.240.6)D之间之间2-3 硬度硬度n布氏硬度试验的布氏硬度试验的F/D2比值的选择比值的选择n布氏硬度试验的具体操作及试验规范可按布氏硬度试验的具体操作及试验规范可按GB 6270-86的规定进行的规定进行2-3 硬度硬度n布氏硬度试验的优点：布氏硬度试验的优点：布氏硬度试验的优
33、点是布氏硬度试验的优点是压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区域内压痕面积较大，其硬度值能反映材料在较大区域内各组成相的平均性能因此，布氏硬度检验最适合各组成相的平均性能因此，布氏硬度检验最适合测定灰铸铁、轴承合金等材料的硬度压痕大的另测定灰铸铁、轴承合金等材料的硬度压痕大的另一优点是试验数据稳定，重复性高一优点是试验数据稳定，重复性高n布氏硬度试验的缺点：布氏硬度试验的缺点：布氏硬度试验的缺点是布氏硬度试验的缺点是因压痕直径较大，一般不宜在成品件上直接进行检因压痕直径较大，一般不宜在成品件上直接进行检验；此外，对硬度不同的材料需要更换压头直径验；此外，对硬度不同的材料需要更换压头直径D和载
34、荷和载荷F，同时压痕直径的测量也比较麻烦，同时压痕直径的测量也比较麻烦2-3 硬度硬度2-3 硬度硬度n洛氏硬度测定原理洛氏硬度测定原理:洛氏硬度也是一种压入硬洛氏硬度也是一种压入硬度试验方法但其原理不是通过测压痕面积求度试验方法但其原理不是通过测压痕面积求得硬度值，而是以测量压痕深度值的大小来表得硬度值，而是以测量压痕深度值的大小来表示材料的硬度值示材料的硬度值n试验所用的压头为圆锥角试验所用的压头为圆锥角=120的金刚石圆锥的金刚石圆锥或直径为或直径为1.588mm、3.175mm的淬火钢球载的淬火钢球载荷分先后两次施加，先加初载荷荷分先后两次施加，先加初载荷F1，再加主载，再加主载荷荷F
35、2，其总载荷为，其总载荷为F(FF1+F2)2-3 硬度硬度n洛氏硬度试验的原理洛氏硬度试验的原理:图图2-19中中0-0为金刚石压头为金刚石压头没有和试样接触时的位置；没有和试样接触时的位置；1-1为压头受到初载荷为压头受到初载荷 F1后压人试样深度为后压人试样深度为h1的位置；的位置；2-2为压头受到主载为压头受到主载荷荷F2后压入试样深度后压入试样深度 为为h2的位置；的位置；3-3为为 压头卸除主载荷压头卸除主载荷F2，且只保留初载荷且只保留初载荷F1时时 的位置由于试样弹的位置由于试样弹 性变形部分的恢复，性变形部分的恢复，使压头提高了使压头提高了h3，此，此 时压头受主载荷作用时压
36、头受主载荷作用 实际压人的深度为实际压人的深度为h2-3 硬度硬度n洛氏硬度测定原理洛氏硬度测定原理:以以h的大小计算硬度值的大小计算硬度值h h值值越大，硬度愈低越大，硬度愈低.为了适应习惯上数值愈大硬度越为了适应习惯上数值愈大硬度越高的概念，故用一常数高的概念，故用一常数k减去减去h来表示硬度值，并规来表示硬度值，并规定每定每0.002mm为一个硬度单位为一个硬度单位,用符号用符号HR表示：表示：nk当压头为金刚石时为当压头为金刚石时为0.2，为淬火钢球时为，为淬火钢球时为0.26n洛氏硬度标尺：洛氏硬度标尺：为了能用一种硬度计测定不同软为了能用一种硬度计测定不同软硬材料的硬度，常采用不同
37、的压头与总载荷组合成硬材料的硬度，常采用不同的压头与总载荷组合成几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号在洛氏硬度符号HR后注明，有后注明，有9种之多。常用种之多。常用HRA、HRB及及HRC 3种种.002.0/)(hkHR2-3 硬度硬度n洛氏硬度的试验规范洛氏硬度的试验规范n洛氏硬度的试验规范参考国标洛氏硬度的试验规范参考国标GB/T230-91n洛氏硬度试验的特点：洛氏硬度试验的特点：优点是操作简便迅速，压痕小，优点是操作简便迅速，压痕小，可进行直接检验；依据不同标尺可测定软硬不同和薄厚不一可进行直接检验；依据不同标尺可测定
38、软硬不同和薄厚不一的试样硬度缺点是因压痕较小，以及材料中的偏析及组织的试样硬度缺点是因压痕较小，以及材料中的偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度大，用不不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度大，用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较又不能彼此互换同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较又不能彼此互换2-3 硬度硬度2-3 硬度硬度n维氏硬度试验的原理维氏硬度试验的原理:用一定大小的载荷用一定大小的载荷F(kgf)，把两相对面夹角把两相对面夹角为为136的金刚石四棱锥体的金刚石四棱锥体压入试样表面压入试样表面(图图2-20)，保持规定时间后卸除载保持规定时间后卸除载荷，测量
39、压痕的对角线荷，测量压痕的对角线长度分别为长度分别为d1和和d2，取其，取其平均值平均值d，用以计算压痕，用以计算压痕的表面积的表面积S，F/S即为试即为试样的硬度值（样的硬度值（HV）2-2 扭转、弯曲与压缩的力学性能扭转、弯曲与压缩的力学性能n当载荷单位为当载荷单位为kgf，压痕对角线长度单位为，压痕对角线长度单位为mm时，时，n当载荷的单位为当载荷的单位为N时，时，n维氏硬度值的表示方法：维氏硬度值的表示方法：为为“数字数字+HV+数字数字/数字数字”的形式，的形式，HV前面的数字为硬度值，前面的数字为硬度值，HV后面后面的数字表示试验所用载荷和载荷持续时间。当载荷的数字表示试验所用载荷
40、和载荷持续时间。当载荷持续时间为持续时间为1015s时可不标注时可不标注n例如，例如，640HV30/20640HV30/20表明在载荷表明在载荷30kgf30kgf昨用下，持续昨用下，持续20s20s测得的维氏硬度为测得的维氏硬度为640640228544.12136sin2dFdFHV221891.02136sin2102.0dFdFHV2-3 硬度硬度n维氏硬度试验的载荷维氏硬度试验的载荷:有有49.1(5)、98.1(10)、196.2(20)、294.3(30)、490.5(50)、981(100)N(kgf)共共6种。根据硬化层深度、材料的厚度和预期的硬度，种。根据硬化层深度、材料
41、的厚度和预期的硬度，尽可能选用较大栽荷，以减少测量压痕对角线长度尽可能选用较大栽荷，以减少测量压痕对角线长度的误差。当测定薄件或表面硬化层硬度时所选择的误差。当测定薄件或表面硬化层硬度时所选择的载荷应保证试验层厚度大于的载荷应保证试验层厚度大于1.5dn显微维氏硬度试验显微维氏硬度试验:其其试验原理一样，所不同的试验原理一样，所不同的是负荷以是负荷以gf计量，压痕对角线长度以计量，压痕对角线长度以m计量主计量主要用来测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成要用来测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成分、组织状态与性能的分、组织状态与性能的 关系关系,符号仍用符号仍用HV表示表示)/(4.1854
42、22mmgfdFHR 2-3 硬度硬度n显微硬度试验的载荷显微硬度试验的载荷:一般为一般为2、5、10、50、100及及200gf，由于压痕微小，试样必须制成金相，由于压痕微小，试样必须制成金相样品，在磨制与抛光试样时应注意，不能产生较样品，在磨制与抛光试样时应注意，不能产生较厚的金属扰乱层和表面形变硬化层，以免影响试厚的金属扰乱层和表面形变硬化层，以免影响试验结果验结果 在可能范围内，尽量选用较大的负荷，在可能范围内，尽量选用较大的负荷，以减少因磨制试样时所产生的表面硬化层的影响，以减少因磨制试样时所产生的表面硬化层的影响，从而提高测量的精确度。从而提高测量的精确度。n维氏硬度及显微硬度的试
43、验规范参考维氏硬度及显微硬度的试验规范参考GB 4340-84和和GB 4342-84n维氏硬度试验的特点：维氏硬度试验的特点：n优点：优点：由于角锥压痕清晰，采用对角线长度计量，由于角锥压痕清晰，采用对角线长度计量，精确可靠；压头为四棱锥体，当载荷改变时，压精确可靠；压头为四棱锥体，当载荷改变时，压入角恒定不变，因此可以任意选择载荷，而不存入角恒定不变，因此可以任意选择载荷，而不存在布氏硬度那种载荷在布氏硬度那种载荷F与压球直径与压球直径D之间之间 的关系约束。的关系约束。n优点：优点：不存在洛氏硬度那种不同标尺的硬度无法不存在洛氏硬度那种不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度所测试件
44、厚度更薄。统一的问题，而且比洛氏硬度所测试件厚度更薄。n缺点：缺点：其测定方法比较麻烦，工作效率低，压痕其测定方法比较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，所以不宜用于成批生产的常面积小，代表性差，所以不宜用于成批生产的常规检验规检验2-3 硬度硬度2-3 硬度硬度n努氏硬度试验的原理努氏硬度试验的原理:努氏硬度也是一种显微硬度试验努氏硬度也是一种显微硬度试验方法。不同之处在于：使用的是两个对面角不等的四棱锥方法。不同之处在于：使用的是两个对面角不等的四棱锥金刚石压头金刚石压头(其对面角分别为其对面角分别为17230和和130)，因此在试，因此在试样上得到的是长、短对角线长度比为样上得到的是
45、长、短对角线长度比为7.11的棱形压痕；硬度的棱形压痕；硬度值是试验力除以压痕投影面积之商值故测量出压痕长对值是试验力除以压痕投影面积之商值故测量出压痕长对角线的长度角线的长度l(m)，就可算出努氏硬度值，就可算出努氏硬度值(HK)：n式中式中F为试验力，其值在为试验力，其值在O.490319.6l N范围内范围内n努氏硬度试验的特点：努氏硬度试验的特点：努氏硬度压痕细长，努氏硬度压痕细长，且且只测量长只测量长对角线长度对角线长度，故精确度较高故精确度较高，适于测定表面渗层、镀层及适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，还可测定渗层截面上的硬度分布等淬硬层的硬度，还可测定渗层截面上的硬度分布等2
46、2451.123.14102.0lFlFHK2-3 硬度硬度n肖氏硬度试验的原理肖氏硬度试验的原理:肖氏硬度试验是一种动载肖氏硬度试验是一种动载试验法，其原理是将具有一定质量的带有金刚石或试验法，其原理是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硬度值大小，重锤回跳得锤回跳的高度来表征材料硬度值大小，重锤回跳得越高表明材料越硬，其符号用越高表明材料越硬，其符号用KS表示表示n肖氏硬度试验的特点：肖氏硬度试验的特点：肖氏硬度计一肖氏硬度计一般般为手提为手提式，使用方便，便于携带可测现场大型工件的仅式，
47、使用方便，便于携带可测现场大型工件的仅区其缺点足试验结果的准确性受人为因素影响较区其缺点足试验结果的准确性受人为因素影响较大，测量精度较低大，测量精度较低。2-3 硬度硬度n莫氏硬度莫氏硬度:指陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度，指陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度，它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度，它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度，后面的材料可以划破前面材料的表面后面的材料可以划破前面材料的表面2-3 硬度硬度n硬度与其它力学性能的关系硬度与其它力学性能的关系:n试验证明，金属的布氏硬度试验证明，金属的布氏硬度 与抗拉强度成正比关系与抗拉强度成正比关系n式中式中k为比例系数，不同
48、的金属材料其为比例系数，不同的金属材料其k k值不同；同值不同；同一类金属经不同热处理后，尽管强度和硬度发生变一类金属经不同热处理后，尽管强度和硬度发生变化，其化，其k k值仍基本保持不变。通过冷变形提高硬度时，值仍基本保持不变。通过冷变形提高硬度时，k值不再是常数。值不再是常数。n疲劳极限与抗拉强度值的疲劳极限与抗拉强度值的 关系为关系为n式中式中m为比例系数，材料不同试验条件不同，为比例系数，材料不同试验条件不同，m值值也不同。通常也不同。通常m0.40.6，平均为，平均为0.5，即，即-1大致大致为为 b的一半。的一半。kHBbbm12-3 硬度硬度注：由表可见，黑色金属基本上满足上述关系注：由表可见，黑色金属基本上满足上述关系
