第二章 金屬在其它靜載荷作用下力學(xué)性能

1、第二章第二章 材料在其他靜載下材料在其他靜載下的力學(xué)性能的力學(xué)性能第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 第二節(jié)第二節(jié) 壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)性能壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)性能 第三節(jié)第三節(jié) 缺口試樣靜載荷試驗缺口試樣靜載荷試驗 第四節(jié)第四節(jié) 硬硬 度度 本章意義本章意義 金屬材料制成的各種機(jī)件，除了承受單向拉伸金屬材料制成的各種機(jī)件，除了承受單向拉伸以外，還承受壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等加載方式，以外，還承受壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等加載方式，不同不同的加載方式，其應(yīng)力狀態(tài)不同的加載方式，其應(yīng)力狀態(tài)不同。 本章將介紹金屬材料在壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和缺本章將介紹金屬材料在壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和缺口拉伸等試驗方法及其測定的力學(xué)

2、性能指標(biāo)?？诶斓仍囼灧椒捌錅y定的力學(xué)性能指標(biāo)。 本章將硬度試驗作為一種靜載荷試驗方法加以本章將硬度試驗作為一種靜載荷試驗方法加以介紹。介紹。最大強(qiáng)度理論最大強(qiáng)度理論 最大拉應(yīng)力理論（第一）最大拉應(yīng)力理論（第一） 最大拉應(yīng)變理論（第二）最大拉應(yīng)變理論（第二）nb1n為安全系數(shù)為安全系數(shù)Eb1最大強(qiáng)度理論最大強(qiáng)度理論 最大切應(yīng)力理論（第三）最大切應(yīng)力理論（第三） 最大剪切變形能理論（第四）最大剪切變形能理論（第四） 屈服條件：屈服條件：nsmaxn為安全系數(shù)為安全系數(shù)21323222121s2ss2-1 2-1 應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 一、問題的引出一、問題的引出 金屬材料在一定承載條件下金

3、屬材料在一定承載條件下產(chǎn)生何種失效形式，產(chǎn)生何種失效形式，除與載荷大小、材料性質(zhì)有關(guān)外，還與在承載條件除與載荷大小、材料性質(zhì)有關(guān)外，還與在承載條件下的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)下的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。 不同的應(yīng)力狀態(tài)，其最大正應(yīng)力不同的應(yīng)力狀態(tài)，其最大正應(yīng)力maxmax與最大切與最大切應(yīng)力應(yīng)力maxmax的相對大小是不同的，對金屬的變形和斷的相對大小是不同的，對金屬的變形和斷裂性質(zhì)將產(chǎn)生不同的影響。如：裂性質(zhì)將產(chǎn)生不同的影響。如：鑄鐵拉伸時呈脆性鑄鐵拉伸時呈脆性斷裂，但硬度試驗時，仍能形成壓痕斷裂，但硬度試驗時，仍能形成壓痕。 二、主應(yīng)力概念 對于任意應(yīng)力狀態(tài)，總可以找到這樣一對于任意應(yīng)力狀態(tài)，總可以找到這樣一組

4、互相垂直的平面，在這組平面上，組互相垂直的平面，在這組平面上，只只有正應(yīng)力有正應(yīng)力，沒有切應(yīng)力，這樣的平面叫，沒有切應(yīng)力，這樣的平面叫主平面主平面，主平面上的應(yīng)力叫，主平面上的應(yīng)力叫主應(yīng)力主應(yīng)力。321,用用 表示。表示。1 2 3根據(jù)這三個主應(yīng)力，根據(jù)這三個主應(yīng)力，按按最大切應(yīng)力最大切應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論），可以計算理論（第三強(qiáng)度理論），可以計算最大切應(yīng)力最大切應(yīng)力2/31max按相當(dāng)按相當(dāng)最大正應(yīng)力最大正應(yīng)力理論（第二強(qiáng)度理論），可理論（第二強(qiáng)度理論），可以計算最大正應(yīng)力以計算最大正應(yīng)力321max為泊松比三、應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)三、應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 在三向應(yīng)力狀態(tài)下，最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力

5、的比在三向應(yīng)力狀態(tài)下，最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值稱為應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，用值稱為應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，用 表示。表示。32131maxmax2 越大，最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，越大，最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，材料越易于產(chǎn)生塑性變形。反之，材料越易于產(chǎn)生塑性變形。反之， 越越小，表示應(yīng)小，表示應(yīng)力狀態(tài)越硬力狀態(tài)越硬 ，材料越容易產(chǎn)生脆性斷裂。，材料越容易產(chǎn)生脆性斷裂。 低塑性材料只有采用低塑性材料只有采用大的加載方式，才能表大的加載方式，才能表現(xiàn)出塑性?，F(xiàn)出塑性。對于對于塑性較好的材料塑性較好的材料只有采用只有采用小的加小的加載方式，使之在更硬的應(yīng)力狀態(tài)下顯示其脆性傾載方式，

6、使之在更硬的應(yīng)力狀態(tài)下顯示其脆性傾向。向。 四、不同的加載方式下的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)四、不同的加載方式下的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 不同的加載方式，其應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)不同的加載方式，其應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)不同，不同，詳如表所示：詳如表所示：加載加載方式方式三向三向等拉等拉伸伸三向三向不等不等拉伸拉伸單單向向拉拉伸伸扭扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)二二向向等等壓壓縮縮單單向向壓壓縮縮三向三向不等不等壓縮壓縮三向三向等壓等壓縮縮0 00.10.10.50.50.80.81 12 24 48 8表：不同的加載方式下的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)表：不同的加載方式下的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 五、力學(xué)狀態(tài)圖五、力學(xué)狀態(tài)圖 弗里德曼提出的力學(xué)狀態(tài)圖，較好地概弗

7、里德曼提出的力學(xué)狀態(tài)圖，較好地概括了應(yīng)力狀態(tài)對斷裂形式的影響。括了應(yīng)力狀態(tài)對斷裂形式的影響。 力學(xué)狀態(tài)圖力學(xué)狀態(tài)圖：縱坐標(biāo)為最大切應(yīng)力，橫坐：縱坐標(biāo)為最大切應(yīng)力，橫坐標(biāo)為最大正應(yīng)力，自原點作不同斜率的直線，標(biāo)為最大正應(yīng)力，自原點作不同斜率的直線，可代表應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)可代表應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) ，這些直線的位置反，這些直線的位置反映了應(yīng)力狀態(tài)對斷裂的影響。映了應(yīng)力狀態(tài)對斷裂的影響。( (圖圖) )max =2 =1 k 切斷區(qū)切斷區(qū) 塑性塑性 變形區(qū)變形區(qū) =0.8s =0.5 彈性變形區(qū)彈性變形區(qū) 正斷區(qū)正斷區(qū) O Sk max 圖圖1 某材料的力學(xué)狀態(tài)圖某材料的力學(xué)狀態(tài)圖 力學(xué)狀態(tài)圖簡單、明確地給出了

8、材料斷裂力學(xué)狀態(tài)圖簡單、明確地給出了材料斷裂形式與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系。對定性分析和討論有形式與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系。對定性分析和討論有關(guān)斷裂問題是很有用的，應(yīng)用也很方便。關(guān)斷裂問題是很有用的，應(yīng)用也很方便。 例如，對例如，對s s、k k和和S Sk k各不相同的各種金各不相同的各種金屬材料，只有選擇與應(yīng)力狀態(tài)相適應(yīng)的試驗方屬材料，只有選擇與應(yīng)力狀態(tài)相適應(yīng)的試驗方法進(jìn)行試驗時，才能顯示不同材料性能上的特法進(jìn)行試驗時，才能顯示不同材料性能上的特點，可將材料分為三種材料。點，可將材料分為三種材料。 max 側(cè)壓側(cè)壓 單向壓縮單向壓縮 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 單向拉伸單向拉伸 O max 圖圖 三種材料的力學(xué)狀態(tài)圖三種材料

9、的力學(xué)狀態(tài)圖 材料（材料（1）：）：除了在側(cè)壓（相當(dāng)于壓入法硬除了在側(cè)壓（相當(dāng)于壓入法硬度試驗時的應(yīng)力狀態(tài)）時表現(xiàn)為切斷式的韌性斷度試驗時的應(yīng)力狀態(tài)）時表現(xiàn)為切斷式的韌性斷裂外，在其它施力方式下均表現(xiàn)為正斷式的脆性裂外，在其它施力方式下均表現(xiàn)為正斷式的脆性斷裂。斷裂。 顯然對這種材料進(jìn)行拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)試驗顯然對這種材料進(jìn)行拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)試驗時，除了得到一個斷裂強(qiáng)度外，其它數(shù)據(jù)是無法時，除了得到一個斷裂強(qiáng)度外，其它數(shù)據(jù)是無法得知的。普通灰鑄鐵、淬火高碳鋼就相當(dāng)于這種得知的。普通灰鑄鐵、淬火高碳鋼就相當(dāng)于這種材料。材料。 材料（材料（2 2）：）：除了材料在單向拉伸時表現(xiàn)為除了材料在單向拉伸時

10、表現(xiàn)為正斷式的脆性斷裂外，其它較正斷式的脆性斷裂外，其它較“軟軟”的應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力狀態(tài)下均表現(xiàn)為切斷式的韌性斷裂。如圖所示下均表現(xiàn)為切斷式的韌性斷裂。如圖所示 顯然這種材料要知道它的除斷裂強(qiáng)度以外的顯然這種材料要知道它的除斷裂強(qiáng)度以外的其它性能指標(biāo)，就應(yīng)該進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗，而不能進(jìn)其它性能指標(biāo)，就應(yīng)該進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗，而不能進(jìn)行單純的拉伸試驗。淬火低溫回火高碳鋼和某些行單純的拉伸試驗。淬火低溫回火高碳鋼和某些結(jié)構(gòu)鋼就相當(dāng)于這種材料。結(jié)構(gòu)鋼就相當(dāng)于這種材料。 材料（材料（3）：）：在所有施力方式下，包括單向在所有施力方式下，包括單向拉伸都表現(xiàn)為切斷式韌性斷裂，顯然只要對這拉伸都表現(xiàn)為切斷式韌性斷裂，顯然

11、只要對這種材料進(jìn)行單向拉伸試驗，就可以獲得強(qiáng)度、種材料進(jìn)行單向拉伸試驗，就可以獲得強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)。塑性等力學(xué)性能指標(biāo)。 生產(chǎn)中大部分退火、正火、調(diào)質(zhì)的碳素結(jié)生產(chǎn)中大部分退火、正火、調(diào)質(zhì)的碳素結(jié)構(gòu)鋼和某些低合金結(jié)構(gòu)鋼都屬于這種情況。這構(gòu)鋼和某些低合金結(jié)構(gòu)鋼都屬于這種情況。這也正是單向拉伸試驗在生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用的也正是單向拉伸試驗在生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用的原因。原因。 應(yīng)力狀態(tài)圖的應(yīng)力狀態(tài)圖的不足之處不足之處主要是主要是s、k和和Sk不不是常數(shù)，而是隨應(yīng)力狀態(tài)、溫度、加載速率發(fā)生是常數(shù)，而是隨應(yīng)力狀態(tài)、溫度、加載速率發(fā)生變化，同時，外力發(fā)生變化時將引起變化，同時，外力發(fā)生變化時將引起max

12、、Smax的變化，應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)也不始終為常數(shù)。盡管如的變化，應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)也不始終為常數(shù)。盡管如此，利用該圖進(jìn)行定性分析還是可行的。此，利用該圖進(jìn)行定性分析還是可行的。2-2 2-2 壓壓 縮縮 一、壓縮試驗的特點一、壓縮試驗的特點 1 1、單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為2 2，比拉、，比拉、彎、扭更能充分顯示脆性材料的脆性差別，對脆性彎、扭更能充分顯示脆性材料的脆性差別，對脆性更大的材料或為更加充分地顯示脆性材料的脆性差更大的材料或為更加充分地顯示脆性材料的脆性差別，還可采用別，還可采用2的多向壓縮試驗。的多向壓縮試驗。 2、塑性較好材料（退火鋼、黃銅）只能被壓塑性較

13、好材料（退火鋼、黃銅）只能被壓扁，一般不會破壞，扁，一般不會破壞，除特殊需要外，一般不進(jìn)行壓除特殊需要外，一般不進(jìn)行壓縮試驗。縮試驗。低碳鋼的拉伸和壓縮比較和壓縮后的形狀低碳鋼的拉伸和壓縮比較和壓縮后的形狀 3 3、脆性材料壓縮破壞形式有剪壞和拉壞兩種形、脆性材料壓縮破壞形式有剪壞和拉壞兩種形式。式。 剪壞：斷裂面與底面夾角成剪壞：斷裂面與底面夾角成45角。角。 拉壞：纖維方向平行于壓應(yīng)力，壓縮時橫截面拉壞：纖維方向平行于壓應(yīng)力，壓縮時橫截面積增加，纖維組織橫向伸長率不足造成的。積增加，纖維組織橫向伸長率不足造成的。 4、壓縮試驗時，試樣端面存在很大的摩擦力，、壓縮試驗時，試樣端面存在很大的摩

14、擦力，這將阻礙試樣端面的橫向變形（這將阻礙試樣端面的橫向變形（試樣呈腰鼓狀試樣呈腰鼓狀），），影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，L/do 摩擦力摩擦力，試驗時盡，試驗時盡量減小摩擦力，但量減小摩擦力，但L/do太大易造成失穩(wěn)。太大易造成失穩(wěn)。 根據(jù)上述原因根據(jù)上述原因可以解釋薄而軟的銅鋁墊圈能承可以解釋薄而軟的銅鋁墊圈能承受很大的緊固力和軋制金屬薄板很費力的原因受很大的緊固力和軋制金屬薄板很費力的原因。 二、壓縮試驗方法二、壓縮試驗方法1、試樣試樣 分分 側(cè)向無約束試樣（圓柱體或正方體試樣）側(cè)向無約束試樣（圓柱體或正方體試樣） 板狀試樣（需夾在約束裝置內(nèi)進(jìn)行試驗）板狀試樣（需夾在約束

15、裝置內(nèi)進(jìn)行試驗） 要求要求： 保證試樣表面粗糙度，并涂以潤滑油或石墨保證試樣表面粗糙度，并涂以潤滑油或石墨粉，以降低摩擦系數(shù)。粉，以降低摩擦系數(shù)。 為保證試驗結(jié)果有可比性，需保證：為保證試驗結(jié)果有可比性，需保證： L/D0=(2.53.5)或（或（58）或（）或（12） 2、壓縮試驗、壓縮試驗 可分為：單向壓縮、雙向壓縮和三向壓縮。可分為：單向壓縮、雙向壓縮和三向壓縮。 工程中以單向壓縮最常見、也是最簡單的壓縮，工程中以單向壓縮最常見、也是最簡單的壓縮，簡稱壓縮試驗?？梢钥闯墒欠聪蚶?；壓縮曲線簡稱壓縮試驗。可以看成是反向拉伸；壓縮曲線（力變形曲線）如圖所示（力變形曲線）如圖所示 圖圖 金屬材

16、料壓縮曲線金屬材料壓縮曲線第二章 3 、主要性能指標(biāo)： 1、規(guī)定非比例壓縮應(yīng)力pc 2、抗壓強(qiáng)度bc試樣壓至破壞過程中的最大應(yīng)力。 如果試驗時金屬材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象，還可測定壓縮屈服點sc.0AFpcpc0AFbcbc第二章 三、壓縮試驗的破壞特征三、壓縮試驗的破壞特征 在壓縮試驗時，試樣的破壞形式與材料的性在壓縮試驗時，試樣的破壞形式與材料的性質(zhì)及端面的支撐情況有關(guān)。質(zhì)及端面的支撐情況有關(guān)。 1、塑性材料塑性材料，在壓縮試驗過程中高度減小，在壓縮試驗過程中高度減小，橫截面增大形成腰鼓形，壓力繼續(xù)增加，軟鋼、橫截面增大形成腰鼓形，壓力繼續(xù)增加，軟鋼、黃銅可壓成圓板狀，而純鐵則向側(cè)面開裂，如圖黃銅

17、可壓成圓板狀，而純鐵則向側(cè)面開裂，如圖(a)(b)所示。所示。 2、低塑性與脆性金屬材料低塑性與脆性金屬材料如高碳鋼、鑄鐵等，如高碳鋼、鑄鐵等，壓縮時試樣的破壞形式如圖壓縮時試樣的破壞形式如圖(c)所示，試樣受壓時所示，試樣受壓時沿斜截面發(fā)生剪切錯動而破壞。破斷面與橫截面略沿斜截面發(fā)生剪切錯動而破壞。破斷面與橫截面略大于大于45，壓縮試樣實際角度常在，壓縮試樣實際角度常在55左右左右(大于大于45是由于兩破斷面間有摩擦作用的緣故是由于兩破斷面間有摩擦作用的緣故)。 3、其它脆性材料其它脆性材料如石料、混凝土等壓縮試驗如石料、混凝土等壓縮試驗時破壞形式如圖時破壞形式如圖(d)所示。在試樣端面涂油

18、，減小所示。在試樣端面涂油，減小端面受壓時的摩擦力，可使破壞載荷降低，破壞的端面受壓時的摩擦力，可使破壞載荷降低，破壞的形式可由剪壞變?yōu)槔瓑?。形式可由剪壞變?yōu)槔瓑摹?-3 2-3 彎曲試驗彎曲試驗 金屬桿狀試樣承受彎矩作用后，截面上的應(yīng)力分金屬桿狀試樣承受彎矩作用后，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)生變布不均勻，表面最大，中心為零，且應(yīng)力方向發(fā)生變化。化。 金屬在彎曲加載下所表現(xiàn)的力學(xué)性能與單純拉應(yīng)金屬在彎曲加載下所表現(xiàn)的力學(xué)性能與單純拉應(yīng)力或壓應(yīng)力下的不完全相同。如：力或壓應(yīng)力下的不完全相同。如：在拉伸或壓縮載荷在拉伸或壓縮載荷下產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的金屬，在彎曲載荷下顯示不

19、出來。下產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的金屬，在彎曲載荷下顯示不出來。 對于承受彎曲載荷的機(jī)件如軸、板狀彈簧等，常對于承受彎曲載荷的機(jī)件如軸、板狀彈簧等，常用彎曲試驗測定其力學(xué)性能，以作為設(shè)計或選材的依用彎曲試驗測定其力學(xué)性能，以作為設(shè)計或選材的依據(jù)。據(jù)。 2、彎曲試驗時，試樣表面應(yīng)力最大，、彎曲試驗時，試樣表面應(yīng)力最大，可可靈敏地反應(yīng)材料表面缺陷靈敏地反應(yīng)材料表面缺陷。因此，。因此，常用常用來比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面來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)量和性能熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。二、彎曲實驗及其性能指標(biāo)1 彎曲實驗彎曲實驗 方形方形 (高高寬，寬，57.5mm,3040mm)矩形矩

20、形 (55mm，3030mm)圓形圓形 (d=545mm)跨距跨距L為直徑為直徑d或高度或高度h的的16倍倍加載方式加載方式 四點彎曲加載四點彎曲加載三點彎曲加載三點彎曲加載彎曲試驗的試樣彎曲試驗的試樣q試驗結(jié)果：試驗結(jié)果：載荷載荷F與試樣最大撓度與試樣最大撓度fmax之間的關(guān)系圖之間的關(guān)系圖 典型的彎曲圖典型的彎曲圖（a）塑性材料塑性材料（b）中等塑性材料）中等塑性材料（c）脆性材料脆性材料 測得的力學(xué)性能：測得的力學(xué)性能：1）彎曲應(yīng)力（抗彎強(qiáng)度）彎曲應(yīng)力（抗彎強(qiáng)度） M最大彎矩，最大彎矩，W抗彎截面系數(shù)?？箯澖孛嫦禂?shù)。 三點彎曲試樣：三點彎曲試樣： （N.m） 四點彎曲試樣：四點彎曲試樣：

21、 （N.m） 直徑為直徑為d0的圓柱型試樣：的圓柱型試樣： （m3） 寬度為寬度為b，高度為，高度為h的矩型試樣：的矩型試樣： （m3）WM4maxFLMmax2FKM3230dW62bhW 第二章 二、二、彎曲試驗彎曲試驗1 1、彎曲試驗的特點、彎曲試驗的特點1） 彎曲試驗的試樣形狀簡單，操作方便。2） 彎曲試驗時不存在試樣偏斜對試驗結(jié)果的影響，可用試樣彎曲的撓度顯示材料的塑性。3） 彎曲試驗時，試樣的表面應(yīng)力最大，可較靈敏地反映材料的表面缺陷。 2 2、彎曲試驗的應(yīng)用、彎曲試驗的應(yīng)用1） 常用于測定鑄鐵、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。2） 常用來比較和

22、鑒定滲碳層和表面淬火層等化學(xué)熱處理及表面熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。2-4 2-4 扭扭 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 一、應(yīng)力應(yīng)變分析一、應(yīng)力應(yīng)變分析 1、圓柱體受到扭矩作用時，其應(yīng)力應(yīng)變分布、圓柱體受到扭矩作用時，其應(yīng)力應(yīng)變分布如圖所示。如圖所示。 在與試樣軸線呈在與試樣軸線呈4545的兩個斜截面上承受最的兩個斜截面上承受最大與最小正應(yīng)力大與最小正應(yīng)力1 1及及3 3； 在與試樣軸線平行和垂直的截面上承受最大切在與試樣軸線平行和垂直的截面上承受最大切應(yīng)力應(yīng)力。 兩者比值接近于兩者比值接近于1 1。 2、在、在彈性變形階段彈性變形階段，試樣橫截面上的，試樣橫截面上的切應(yīng)力和切應(yīng)變沿半徑方向的分布是線性切應(yīng)力和切應(yīng)變沿半

23、徑方向的分布是線性的。如圖所示的。如圖所示 3、當(dāng)、當(dāng)表層產(chǎn)生塑性變形后表層產(chǎn)生塑性變形后，切應(yīng)變的，切應(yīng)變的分布仍保持線性關(guān)系，但切應(yīng)力則因塑分布仍保持線性關(guān)系，但切應(yīng)力則因塑性變形而有所降低，不再呈線性分布。性變形而有所降低，不再呈線性分布。如圖所示如圖所示 二、扭轉(zhuǎn)試驗的特點二、扭轉(zhuǎn)試驗的特點 1、扭轉(zhuǎn)試驗的、扭轉(zhuǎn)試驗的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)為0.80.8，比拉，比拉伸的大，易于顯示金屬的塑性行為，特別是那些在伸的大，易于顯示金屬的塑性行為，特別是那些在拉伸時呈現(xiàn)脆性的金屬材料的塑性性能。拉伸時呈現(xiàn)脆性的金屬材料的塑性性能。 2、圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時，、圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時，整個長度

24、上塑性變形整個長度上塑性變形是均勻的，沒有頸縮現(xiàn)象是均勻的，沒有頸縮現(xiàn)象。所以能精確地反應(yīng)出高所以能精確地反應(yīng)出高塑性材料直至斷裂前的變形能力和強(qiáng)度。塑性材料直至斷裂前的變形能力和強(qiáng)度。 3、較靈敏地反映出金屬表面缺陷及表面硬化較靈敏地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能層的性能。因此，可利用扭轉(zhuǎn)試驗研究或檢測工件因此，可利用扭轉(zhuǎn)試驗研究或檢測工件熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果。熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果。 4、根據(jù)扭轉(zhuǎn)試樣的宏觀斷口特征，還可明確、根據(jù)扭轉(zhuǎn)試樣的宏觀斷口特征，還可明確區(qū)分金屬材料最終斷裂方式是區(qū)分金屬材料最終斷裂方式是正斷正斷還是還是切斷切斷。 塑性材

25、料塑性材料的斷裂面與試樣軸線垂直，斷口平整，的斷裂面與試樣軸線垂直，斷口平整，有回旋狀塑性變形痕跡（圖有回旋狀塑性變形痕跡（圖a）這是由切應(yīng)力造成）這是由切應(yīng)力造成的切斷；的切斷； 脆性材料脆性材料的斷裂面與試樣的軸線成的斷裂面與試樣的軸線成45角，成角，成螺旋狀（圖螺旋狀（圖b），這是在正應(yīng)力作用下的正斷。），這是在正應(yīng)力作用下的正斷。 圖圖c為為木紋狀斷口木紋狀斷口（變態(tài)切斷），斷裂面順著（變態(tài)切斷），斷裂面順著試樣軸線形成縱向剝層或裂紋。這是因為金屬中存試樣軸線形成縱向剝層或裂紋。這是因為金屬中存在較多的非金屬夾雜物或偏析，并在軋制過程中使在較多的非金屬夾雜物或偏析，并在軋制過程中使其沿

26、軸向分布，從而降低了試樣軸向的切斷抗力造其沿軸向分布，從而降低了試樣軸向的切斷抗力造成的。成的。 三、扭轉(zhuǎn)試驗及測定的力學(xué)性能三、扭轉(zhuǎn)試驗及測定的力學(xué)性能 1、扭轉(zhuǎn)試驗按照、扭轉(zhuǎn)試驗按照GB/T10128-88金屬室金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法溫扭轉(zhuǎn)試驗方法進(jìn)行。進(jìn)行。 2、扭轉(zhuǎn)試樣與拉伸試樣相似，夾持部分、扭轉(zhuǎn)試樣與拉伸試樣相似，夾持部分不同。不同。(d010mm、標(biāo)距長度為、標(biāo)距長度為L0分別為分別為50mm或或100mm的圓柱形試樣的圓柱形試樣) 3、扭轉(zhuǎn)曲線（扭轉(zhuǎn)圖）：、扭轉(zhuǎn)曲線（扭轉(zhuǎn)圖）：T-4、扭轉(zhuǎn)試驗時可測得的力學(xué)性能指標(biāo)主要有：、扭轉(zhuǎn)試驗時可測得的力學(xué)性能指標(biāo)主要有： 切變模量切變模量

27、G：上屈服強(qiáng)度上屈服強(qiáng)度eH：下屈服強(qiáng)度下屈服強(qiáng)度eL：規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力p：抗扭強(qiáng)度抗扭強(qiáng)度m： GWTeHeHWTPPWTmm40032/dTLGWTeLeL2-5 2-5 缺口試樣靜載荷試驗缺口試樣靜載荷試驗 大多數(shù)機(jī)件或構(gòu)件都含有缺口，如鍵槽、油孔、大多數(shù)機(jī)件或構(gòu)件都含有缺口，如鍵槽、油孔、臺階、螺紋等，必須考慮缺口對材料的性能影響。臺階、螺紋等，必須考慮缺口對材料的性能影響。 一、缺口效應(yīng)一、缺口效應(yīng) （一）缺口試樣在彈性狀態(tài)的應(yīng)力分布（一）缺口試樣在彈性狀態(tài)的應(yīng)力分布 缺口最大的影響是應(yīng)力集中缺口最大的影響是應(yīng)力集中,如圖所示。因缺口如圖所示。因缺口部分不能承受外

28、力，這一部分外力要由缺口前方的部分不能承受外力，這一部分外力要由缺口前方的部分材料來承擔(dān)，因而缺口根部的應(yīng)力最大，離開部分材料來承擔(dān)，因而缺口根部的應(yīng)力最大，離開缺口根部，應(yīng)力逐漸減小，一直減小到某一恒定數(shù)缺口根部，應(yīng)力逐漸減小，一直減小到某一恒定數(shù)值，這時缺口的影響便消失了值，這時缺口的影響便消失了。理論應(yīng)力集中系數(shù)：理論應(yīng)力集中系數(shù)：maxtKK Kt t值與材料性質(zhì)無關(guān)，只取決于缺口的幾何形值與材料性質(zhì)無關(guān)，只取決于缺口的幾何形狀狀與尺寸與尺寸 。薄板缺口拉伸時彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布薄板缺口拉伸時彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布 圖圖厚板缺口拉伸時彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布厚板缺口拉伸時彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布

29、 圖圖缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)：因缺口的存在，在靜載荷作用下，：因缺口的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象。缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象。平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài) 缺口的第一個效應(yīng)缺口的第一個效應(yīng)： 產(chǎn)生應(yīng)力集中或局部應(yīng)力升高；產(chǎn)生應(yīng)力集中或局部應(yīng)力升高； 改變了缺口前方（附近局部區(qū)域）的應(yīng)力改變了缺口前方（附近局部區(qū)域）的應(yīng)力狀態(tài)，使缺口試樣所受應(yīng)力狀態(tài)由原來的單向應(yīng)狀態(tài)，使缺口試樣所受應(yīng)力狀態(tài)由原來的單向應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)或三向應(yīng)力狀態(tài)（視力狀態(tài)改變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)或三向應(yīng)力狀態(tài)（視板厚決定）。板厚決定）。 應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致缺口附近應(yīng)力狀

30、態(tài)軟性應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致缺口附近應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)下降。導(dǎo)致了材料的脆化。系數(shù)下降。導(dǎo)致了材料的脆化。 直接的后果導(dǎo)致在缺口根部最大縱向應(yīng)力的直接的后果導(dǎo)致在缺口根部最大縱向應(yīng)力的作用下斷裂，低于光滑試樣的抗拉強(qiáng)度。作用下斷裂，低于光滑試樣的抗拉強(qiáng)度。 （二）缺口試樣在塑性狀態(tài)的應(yīng)力分布（二）缺口試樣在塑性狀態(tài)的應(yīng)力分布 如圖所示如圖所示 缺口的第二個效應(yīng)缺口的第二個效應(yīng)： 缺口強(qiáng)化缺口強(qiáng)化：在缺口前方出現(xiàn)了三向應(yīng)力狀態(tài)，并：在缺口前方出現(xiàn)了三向應(yīng)力狀態(tài)，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時高。產(chǎn)生應(yīng)力集中，試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時高。 缺口強(qiáng)化并不是金屬內(nèi)在性能發(fā)生變化缺口強(qiáng)化并不是金

31、屬內(nèi)在性能發(fā)生變化，純粹是，純粹是由于三向拉伸應(yīng)力約束了塑性變形所致，因此，由于三向拉伸應(yīng)力約束了塑性變形所致，因此，不能不能把缺口強(qiáng)化看成是強(qiáng)化金屬材料的手段把缺口強(qiáng)化看成是強(qiáng)化金屬材料的手段，塑性材料的，塑性材料的抗拉強(qiáng)度也因塑性變形受約束而增加了?？估瓘?qiáng)度也因塑性變形受約束而增加了。 知識拓展知識拓展 對塑性好的材料對塑性好的材料，缺口使材料的屈服強(qiáng)度或抗，缺口使材料的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度升高，塑性降低，稱拉強(qiáng)度升高，塑性降低，稱“缺口強(qiáng)化缺口強(qiáng)化”。但這種。但這種強(qiáng)化是以缺口的凈截面積計算的并與同樣截面的光強(qiáng)化是以缺口的凈截面積計算的并與同樣截面的光滑試樣相比較，如果與包括缺口深度的原始

32、總面積滑試樣相比較，如果與包括缺口深度的原始總面積的光滑試樣比較，斷裂載荷總是較低的。缺口試樣的光滑試樣比較，斷裂載荷總是較低的。缺口試樣的強(qiáng)度不會超過光滑試樣強(qiáng)度的三倍。的強(qiáng)度不會超過光滑試樣強(qiáng)度的三倍。 對于脆性材料對于脆性材料，由于缺口造成的應(yīng)力集中，不，由于缺口造成的應(yīng)力集中，不會因塑性變形而使應(yīng)力重新分布，因此缺口試樣的會因塑性變形而使應(yīng)力重新分布，因此缺口試樣的強(qiáng)度只會低于光滑試樣強(qiáng)度只會低于光滑試樣 。如圖所示。如圖所示 二、缺口試樣靜拉伸試驗二、缺口試樣靜拉伸試驗 通常用缺口強(qiáng)度比通常用缺口強(qiáng)度比NSR(Notch Strength Ratio) （又稱（又稱缺口敏感度缺口敏感

33、度）作為衡量靜拉伸下缺）作為衡量靜拉伸下缺口敏感度指標(biāo)：口敏感度指標(biāo)： NSR越大缺口敏感度越小，脆性材料（如鑄越大缺口敏感度越小，脆性材料（如鑄鐵、高碳鋼）及高強(qiáng)度材料的鐵、高碳鋼）及高強(qiáng)度材料的NSR小于小于1，塑性材，塑性材料的料的NSR一般大于一般大于1。 缺口試樣靜拉伸試驗廣泛應(yīng)用于研究高強(qiáng)度缺口試樣靜拉伸試驗廣泛應(yīng)用于研究高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能，鋼的力學(xué)性能，NSR與塑性指標(biāo)一樣也是安全性與塑性指標(biāo)一樣也是安全性指標(biāo)，但不能定量計算。指標(biāo)，但不能定量計算。 知識拓展知識拓展bbnNSR 缺口試樣進(jìn)行拉伸試驗時，有以下缺口試樣進(jìn)行拉伸試驗時，有以下3種情況種情況(如如圖所示圖所示)： (

34、1) 缺口根部只有彈性變形缺口根部只有彈性變形。斷口形貌如圖。斷口形貌如圖(a)所示。所示。 (2)在缺口根部可在缺口根部可發(fā)生少量塑性變形發(fā)生少量塑性變形，最大軸向，最大軸向應(yīng)力已不在缺口頂端的表面處，而是位于塑性變形應(yīng)力已不在缺口頂端的表面處，而是位于塑性變形區(qū)和彈性區(qū)的交界處。斷口形貌如圖區(qū)和彈性區(qū)的交界處。斷口形貌如圖(b)所示。所示。 (3)斷裂抗力遠(yuǎn)高于屈服強(qiáng)度斷裂抗力遠(yuǎn)高于屈服強(qiáng)度。塑性區(qū)不斷向試。塑性區(qū)不斷向試樣中心擴(kuò)展，位于彈塑性交界處的最大軸向應(yīng)力不樣中心擴(kuò)展，位于彈塑性交界處的最大軸向應(yīng)力不斷向中心移動，如塑性變形能擴(kuò)展到試樣中心，即斷向中心移動，如塑性變形能擴(kuò)展到試樣中

35、心，即出現(xiàn)沿缺口截面的全面屈服。此時最大軸向應(yīng)力出出現(xiàn)沿缺口截面的全面屈服。此時最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在試樣中心位置。斷口形貌如圖現(xiàn)在試樣中心位置。斷口形貌如圖(c)所示。所示。 三、缺口偏斜拉伸試驗三、缺口偏斜拉伸試驗 無偏斜的缺口拉伸試驗無偏斜的缺口拉伸試驗往往顯示不出組織與往往顯示不出組織與合金元素的影響，合金元素的影響，不能保證帶尖銳缺口的零件不能保證帶尖銳缺口的零件（如高強(qiáng)度螺栓）在實際使用中的安全可靠性。（如高強(qiáng)度螺栓）在實際使用中的安全可靠性。 缺口偏斜拉伸試驗就是在更苛刻的應(yīng)力狀態(tài)缺口偏斜拉伸試驗就是在更苛刻的應(yīng)力狀態(tài)和試驗條件下，來檢驗與對比不同材料或不同工和試驗條件下，來檢驗與對

36、比不同材料或不同工藝所表現(xiàn)出的性能差異。（如圖所示）藝所表現(xiàn)出的性能差異。（如圖所示）最常用偏斜角最常用偏斜角度 為 ：度 為 ： 4 4 或或8 8，相應(yīng)的缺，相應(yīng)的缺口拉伸強(qiáng)度以口拉伸強(qiáng)度以 或或 表示。表示。 4bn8bn 四、缺口試樣靜彎曲試驗四、缺口試樣靜彎曲試驗 光滑試樣的靜彎試驗主要用來評定光滑試樣的靜彎試驗主要用來評定工具鋼或工具鋼或一些脆性材料一些脆性材料的力學(xué)性能，而缺口試樣的靜彎試的力學(xué)性能，而缺口試樣的靜彎試驗則驗則用來用來評定或比較評定或比較結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼的缺口敏感度和裂紋的缺口敏感度和裂紋敏感度。敏感度。 曲線（如圖）下所包圍的面積表示試樣從變曲線（如圖）下所包圍的面

37、積表示試樣從變形到斷裂的總功?？偣τ扇糠纸M成：形到斷裂的總功。總功由三部分組成： (1)只發(fā)生彈性變形的彈性功，以面積表示只發(fā)生彈性變形的彈性功，以面積表示; (2)發(fā)生塑性變形的變形功，以面積發(fā)生塑性變形的變形功，以面積表示；表示； (3)在達(dá)到最大載荷在達(dá)到最大載荷Fmax時試樣即出現(xiàn)裂紋，如時試樣即出現(xiàn)裂紋，如果裂紋是緩慢擴(kuò)展至斷裂，則靜彎曲線沿圖中虛線果裂紋是緩慢擴(kuò)展至斷裂，則靜彎曲線沿圖中虛線變化；如果裂紋到載荷變化；如果裂紋到載荷F1點時開始迅速擴(kuò)展，則引點時開始迅速擴(kuò)展，則引起載荷急劇降低，隨后相繼有一些小的臺階出現(xiàn)，起載荷急劇降低，隨后相繼有一些小的臺階出現(xiàn)，直至試樣完全破斷

38、。這一部分功以面積直至試樣完全破斷。這一部分功以面積表示，一表示，一般叫作般叫作撕裂功撕裂功。 在這在這3部分功中以撕裂功最為重要，通常以撕裂部分功中以撕裂功最為重要，通常以撕裂功的大小或者以功的大小或者以Fmax/F1的大小來表示裂紋敏感度。的大小來表示裂紋敏感度。 缺口靜彎曲試驗的試樣及裝置缺口靜彎曲試驗的試樣及裝置 如圖所示如圖所示722-6 2-6 金屬的硬度金屬的硬度 一、硬度的意義和試驗特點一、硬度的意義和試驗特點 1 1、定義定義：表征金屬材料軟硬程度的性能指標(biāo)。表征金屬材料軟硬程度的性能指標(biāo)。（隨試驗方法的不同，物理意義不同，目前沒有統(tǒng)（隨試驗方法的不同，物理意義不同，目前沒有

39、統(tǒng)一而確切的定義）一而確切的定義） 2 2、特點特點 設(shè)備簡單，操作方便，迅速。能敏感反映出材設(shè)備簡單，操作方便，迅速。能敏感反映出材料內(nèi)部成分和組織結(jié)構(gòu)的差異。料內(nèi)部成分和組織結(jié)構(gòu)的差異。 對表面損傷小，可在成品（零件）上直接測定。對表面損傷小，可在成品（零件）上直接測定。 與其它力學(xué)性能之間存在一定的關(guān)系。與其它力學(xué)性能之間存在一定的關(guān)系。73 3、測定方法、測定方法分類分類： 壓入法壓入法：布氏、洛氏、維氏、努氏硬度。：布氏、洛氏、維氏、努氏硬度。表征材料的塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力表征材料的塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力。 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)2，幾乎所有的材料都，幾乎所有的材

40、料都能產(chǎn)生塑性變形。能產(chǎn)生塑性變形。 彈性回跳法彈性回跳法：肖氏硬度、里氏硬度。：肖氏硬度、里氏硬度。表征表征金屬彈性變形功的大小金屬彈性變形功的大小。 劃痕法（刻劃法）：劃痕法（刻劃法）：銼刀硬度、莫氏硬度。銼刀硬度、莫氏硬度。表征金屬對切斷的抗力表征金屬對切斷的抗力。74 二、硬度試驗二、硬度試驗 （一）布氏硬度（一）布氏硬度 1、原理、原理 用直徑為用直徑為D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金球的壓頭，）的鋼球或硬質(zhì)合金球的壓頭，加一定的試驗力加一定的試驗力F（N），將其壓入試樣表面，經(jīng)過），將其壓入試樣表面，經(jīng)過規(guī)定的保持時間規(guī)定的保持時間t（s）后卸除試驗力，試樣表面將殘）后卸除試驗力，試樣表

41、面將殘留壓痕，然后測量壓痕的平均直徑留壓痕，然后測量壓痕的平均直徑d（mm），求得），求得壓痕的球形面積壓痕的球形面積A（mm2）。）。 （圖）（圖）7576 布氏硬度值布氏硬度值(HB)就是試驗力就是試驗力F除以壓痕球除以壓痕球形面積形面積A所得的商，其計算公式為：所得的商，其計算公式為： 22204. 0102. 0dDDDFAFHB 通常，布氏硬度值不標(biāo)出單位。通常，布氏硬度值不標(biāo)出單位。 GB/T231.1-2002金屬布氏硬度試驗金屬布氏硬度試驗 第第1部分：試驗方法部分：試驗方法77 2 2、壓頭材料的選擇及符號、壓頭材料的選擇及符號 選用不同的壓頭材料，應(yīng)用不同的符號表示，選用不

42、同的壓頭材料，應(yīng)用不同的符號表示，以示區(qū)別。以示區(qū)別。 當(dāng)壓頭為淬火鋼球時，其符號為當(dāng)壓頭為淬火鋼球時，其符號為HBS（適用于（適用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料）；以下的材料）； 當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金球時，其符號為當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金球時，其符號為HBW（適（適用于布氏硬度值為用于布氏硬度值為450650的材料）。的材料）。 按照最新國家標(biāo)準(zhǔn)：按照最新國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T231.1-2002金屬金屬布氏硬度試驗布氏硬度試驗 第第1部分：試驗方法部分：試驗方法規(guī)定，規(guī)定，壓頭壓頭統(tǒng)一使用硬質(zhì)合金球。統(tǒng)一使用硬質(zhì)合金球。78 22204. 0dDDDFHBsin*Dd2DF2sin204. 0

43、 3 3、壓痕相似原理、壓痕相似原理 對于材料相同而厚薄不同的工件，為測得相對于材料相同而厚薄不同的工件，為測得相同的布氏硬度值，在選配壓頭直徑同的布氏硬度值，在選配壓頭直徑D及試驗力及試驗力F時，時，應(yīng)保證得到幾何相似的壓痕（即壓痕的壓入角應(yīng)保證得到幾何相似的壓痕（即壓痕的壓入角保保持不變。如圖所示持不變。如圖所示 推導(dǎo)公式為：推導(dǎo)公式為： 7980 由上式可見，若相同由上式可見，若相同HB硬度值的一塊試件用硬度值的一塊試件用不同不同F(xiàn)、D測量硬度，只要保證：測量硬度，只要保證： 為常數(shù)。為常數(shù)。F、D可以改變?？梢愿淖?。 值不變，限制在一定范圍內(nèi)（值不變，限制在一定范圍內(nèi)（2874，實踐證

44、明，實踐證明，在這一范圍內(nèi)時，試驗力的變化對布在這一范圍內(nèi)時，試驗力的變化對布氏硬度值不會產(chǎn)生太大的影響，與此相對應(yīng)的壓氏硬度值不會產(chǎn)生太大的影響，與此相對應(yīng)的壓痕直徑痕直徑d應(yīng)控制在應(yīng)控制在d/D0.240.6之間。之間。d/D =0.375最理想。）就能保證所測得的硬度值不變。最理想。）就能保證所測得的硬度值不變。2DF81 4 4、試驗時注意的事項、試驗時注意的事項 壓頭直徑的選擇壓頭直徑的選擇 壓頭直徑壓頭直徑D有有10、5、2.5和和1mm四種，主四種，主要根據(jù)試樣厚度來選擇，應(yīng)使壓痕深度要根據(jù)試樣厚度來選擇，應(yīng)使壓痕深度h小于試小于試樣厚度的樣厚度的1/10。當(dāng)試樣厚度足夠時，應(yīng)盡

45、可能。當(dāng)試樣厚度足夠時，應(yīng)盡可能選用直徑為選用直徑為10mm的壓頭。的壓頭。 布氏硬度計設(shè)備及相關(guān)圖片布氏硬度計設(shè)備及相關(guān)圖片8283 的選擇的選擇 其比值有其比值有30、15、10、5、2.5和和1六種。主要六種。主要根據(jù)所測試材料的種類及硬度范圍，再按照表的規(guī)根據(jù)所測試材料的種類及硬度范圍，再按照表的規(guī)定來選擇。定來選擇。 當(dāng)壓頭直徑當(dāng)壓頭直徑D及及 的比值選定后，試驗力的比值選定后，試驗力F也就也就隨之確定了。隨之確定了。 試驗力保持時間試驗力保持時間 為保證在試驗力的作用下，保證所測試的金屬為保證在試驗力的作用下，保證所測試的金屬材料產(chǎn)生足夠的塑性變形，規(guī)定：黑色金屬，材料產(chǎn)生足夠的塑

46、性變形，規(guī)定：黑色金屬，1015s；有色金屬，；有色金屬，30s；對于；對于35HBS的材料為的材料為60s。2DF2DF84表表 不同材料的試驗力不同材料的試驗力壓頭直徑平方的比率壓頭直徑平方的比率材料材料HBW0.102F/D2鋼、鎳合金、鈦合金鋼、鎳合金、鈦合金30鑄鑄 鐵鐵1401014030銅及銅合金銅及銅合金20030輕金屬及合金輕金屬及合金801015鉛、錫鉛、錫185 5 5、布氏硬度的表示方法、布氏硬度的表示方法HBWHBW（S S）/ / / 載荷保持時間載荷保持時間 （1015s不標(biāo)注）不標(biāo)注） 載荷載荷kgf(kN) 壓頭直徑壓頭直徑（mm） 布氏硬度符號布氏硬度符號，

47、s淬火鋼球；淬火鋼球；w硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球 布氏硬度值布氏硬度值 如如:160HBW10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm的硬質(zhì)合金球在的硬質(zhì)合金球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為160。86 6、錘擊式布氏硬度、錘擊式布氏硬度 如圖所示如圖所示877、布氏硬度試驗方法的優(yōu)缺點、布氏硬度試驗方法的優(yōu)缺點 優(yōu)點：因一般采用直徑較大的壓頭，壓痕面積優(yōu)點：因一般采用直徑較大的壓頭，壓痕面積大，其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的大，其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，而不受個別組成相及微小不均勻性

48、的影平均性能，而不受個別組成相及微小不均勻性的影響，響，數(shù)值穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)數(shù)值穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。因此，布氏硬度試驗。因此，布氏硬度試驗特特別適用于測定鑄鐵、軸承合金以及低碳鋼、銅合金、別適用于測定鑄鐵、軸承合金以及低碳鋼、銅合金、鋁合金的硬度鋁合金的硬度。 布氏硬度值與強(qiáng)度之間有穩(wěn)定的換算關(guān)系。布氏硬度值與強(qiáng)度之間有穩(wěn)定的換算關(guān)系。88缺點缺點： 對不同材料需要更換壓頭直徑和改變對不同材料需要更換壓頭直徑和改變試驗力，壓頭直徑的測量也比較麻煩，因試驗力，壓頭直徑的測量也比較麻煩，因而用于自動檢測時受到限制。而用于自動檢測時受到限制。 當(dāng)壓痕直徑較大時，不易在成品上進(jìn)當(dāng)壓痕直徑較大時，不易在成品上

49、進(jìn)行試驗。行試驗。 不能測量布氏硬度值超過不能測量布氏硬度值超過650以上材以上材料的硬度。料的硬度。89 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度 布氏硬度不能測量從極軟到極硬材料的硬度，布氏硬度不能測量從極軟到極硬材料的硬度，從而出現(xiàn)了洛氏硬度。從而出現(xiàn)了洛氏硬度。 1、原理原理 與布氏硬度不同，它不是一測定壓痕的面積與布氏硬度不同，它不是一測定壓痕的面積來計算硬度值，而是以測量壓痕深度來表示材料來計算硬度值，而是以測量壓痕深度來表示材料的硬度值。的硬度值。 洛氏硬度壓頭：洛氏硬度壓頭： 有兩種有兩種 圓錐角圓錐角120的金剛石圓錐體；的金剛石圓錐體； 一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球（一定直徑的淬火鋼

50、球或硬質(zhì)合金球（1.588mm，即，即1/16）90 試驗力：試驗力： 初始試驗力初始試驗力F0：10kg(98.1N)，目的是目的是保證保證壓頭與試樣表面緊密接觸。壓頭與試樣表面緊密接觸。 主試驗力主試驗力F1：目的是形成壓痕目的是形成壓痕。A（50kg）、）、B（90kg）、）、C（140kg）。）。 試驗過程：如圖所示試驗過程：如圖所示9192 2、衡量衡量 洛氏硬度值是以壓痕深度洛氏硬度值是以壓痕深度h來計算的。來計算的。h越大，越大，硬度值越低，反之則越高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值越硬度值越低，反之則越高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，引入常數(shù)大硬度越高的概念，引入常數(shù)N減去減去h

51、/s來計算硬度來計算硬度值。洛氏硬度值的計算式為：值。洛氏硬度值的計算式為：shNHR93式中：式中： HR洛氏硬度值的符號；洛氏硬度值的符號； N 給定標(biāo)尺的硬度數(shù)（壓頭為金剛石錐體給定標(biāo)尺的硬度數(shù)（壓頭為金剛石錐體時時N100，壓頭為球體時，壓頭為球體時N130）；）； h 卸除主試驗力后，在初試驗力下壓痕殘卸除主試驗力后，在初試驗力下壓痕殘留的深度（殘余壓痕深度）；留的深度（殘余壓痕深度）； S 給定標(biāo)尺的單位（給定標(biāo)尺的單位（0.002mm為一個洛氏，為一個洛氏， 0.001mm為一個表面洛氏單位）。為一個表面洛氏單位）。94 實際測定洛氏硬度時，由于由于硬度計上方測量壓痕深實際測定洛

52、氏硬度時，由于由于硬度計上方測量壓痕深度的百分表表盤上的刻度已按上式換算為相應(yīng)的硬度值，因度的百分表表盤上的刻度已按上式換算為相應(yīng)的硬度值，因此，可以直接從表盤上指針的指示值讀出硬度值。如圖所示此，可以直接從表盤上指針的指示值讀出硬度值。如圖所示 為了能在一臺硬度計上測定不同軟、硬或厚、薄試樣的為了能在一臺硬度計上測定不同軟、硬或厚、薄試樣的硬度，可采用不同的壓頭和試驗力，組合成幾種不同的洛氏硬度，可采用不同的壓頭和試驗力，組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，以字母硬度標(biāo)尺，以字母A、B、C等表示。用不同標(biāo)尺測定的硬等表示。用不同標(biāo)尺測定的硬度值，用在度值，用在HR前面加數(shù)值來表示。我國規(guī)定（前面加

53、數(shù)值來表示。我國規(guī)定（GB/T230.1-2009金屬洛氏硬度試驗金屬洛氏硬度試驗）的洛氏硬度標(biāo)尺有九種，各標(biāo)）的洛氏硬度標(biāo)尺有九種，各標(biāo)尺的試驗規(guī)范、測量硬度范圍及應(yīng)用。其中以尺的試驗規(guī)范、測量硬度范圍及應(yīng)用。其中以HRA、HRB、HRC三種洛氏硬度最為常用，如表所示。三種洛氏硬度最為常用，如表所示。959697 3、表面洛氏硬度表面洛氏硬度 由于洛氏硬度試驗所用試驗力較大，不宜用由于洛氏硬度試驗所用試驗力較大，不宜用來測定極薄試樣及滲氮層、金屬鍍層等的硬度，來測定極薄試樣及滲氮層、金屬鍍層等的硬度，為此，人們應(yīng)用洛氏硬度試驗的原理，減小試驗為此，人們應(yīng)用洛氏硬度試驗的原理，減小試驗力，提出

54、了表面洛氏硬度試驗方法。（力，提出了表面洛氏硬度試驗方法。（GB1818-79 金屬表面洛氏硬度試驗方法金屬表面洛氏硬度試驗方法，表示方法見，表示方法見表所示?，F(xiàn)已合并到表所示。現(xiàn)已合并到GB/T230.1-2009中。中。 4、修正修正：對柱面和球面，因壓頭所受阻力：對柱面和球面，因壓頭所受阻力小，硬度值偏低，要進(jìn)行修正。小，硬度值偏低，要進(jìn)行修正。 9899 5、表示方法表示方法 HRA(B、C) 舊標(biāo)準(zhǔn)用舊標(biāo)準(zhǔn)用HRA(B、C) 洛氏硬度洛氏硬度用硬度值、符號用硬度值、符號HRHR和標(biāo)尺的字母和標(biāo)尺的字母表示表示。如。如60HRC表示用表示用C標(biāo)尺測得洛氏硬度值為標(biāo)尺測得洛氏硬度值為60

55、。 表面洛氏硬度用表面洛氏硬度用硬度值、標(biāo)尺符號硬度值、標(biāo)尺符號（金剛（金剛石圓錐為石圓錐為N，硬質(zhì)合金球為，硬質(zhì)合金球為T）的字母表示。如）的字母表示。如60HR30N表示用金剛石圓錐壓頭在表示用金剛石圓錐壓頭在30N30N標(biāo)尺上測標(biāo)尺上測得的洛氏硬度值為得的洛氏硬度值為6060。100 6 6、洛氏硬度試驗方法的優(yōu)缺點洛氏硬度試驗方法的優(yōu)缺點 操作簡便迅速，硬度值可直接讀出；操作簡便迅速，硬度值可直接讀出； 壓痕較小，可在工件上進(jìn)行試驗；壓痕較小，可在工件上進(jìn)行試驗； 采用不同標(biāo)尺，可測定各種軟硬不同的金屬采用不同標(biāo)尺，可測定各種軟硬不同的金屬和厚薄不一的試樣的硬度；和厚薄不一的試樣的硬度

56、； 因壓痕小，代表性差，由于材料中有偏析及因壓痕小，代表性差，由于材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，致使所測硬度值重復(fù)性差、組織不均勻等缺陷，致使所測硬度值重復(fù)性差、分散度大；（至少測量四次，第一次不計）分散度大；（至少測量四次，第一次不計） 用不同標(biāo)尺測得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不用不同標(biāo)尺測得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能直接進(jìn)行比較。能直接進(jìn)行比較。101 （三）維氏硬度（三）維氏硬度 布氏硬度布氏硬度僅適用于硬度值小于僅適用于硬度值小于650的材料（過的材料（過高將導(dǎo)致鋼球發(fā)生塑性變形或硬質(zhì)合金球變形量高將導(dǎo)致鋼球發(fā)生塑性變形或硬質(zhì)合金球變形量大）；大）； 洛氏硬度洛氏硬度可以測量從極軟到極硬

57、材料的硬度，可以測量從極軟到極硬材料的硬度，但是不同標(biāo)尺之間測得的硬度值沒有直接聯(lián)系，但是不同標(biāo)尺之間測得的硬度值沒有直接聯(lián)系，也不能直接換算或相互比較。也不能直接換算或相互比較。 為了從極軟到極硬的各種金屬材料用一個壓為了從極軟到極硬的各種金屬材料用一個壓頭測得一個連續(xù)一致的硬度標(biāo)度，從而制定了維頭測得一個連續(xù)一致的硬度標(biāo)度，從而制定了維氏硬度法。氏硬度法。102 1 1、原理原理 基本與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積基本與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積上的載荷來計量硬度值。上的載荷來計量硬度值。 壓頭壓頭：兩相對面間夾角為：兩相對面間夾角為136的正四棱錐的正四棱錐金剛石壓頭，見圖

58、。金剛石壓頭，見圖。 采用正四棱錐體壓頭，是為了當(dāng)改變試驗力時，采用正四棱錐體壓頭，是為了當(dāng)改變試驗力時，壓痕的幾何形狀總保持相似（布氏硬度理想的壓壓痕的幾何形狀總保持相似（布氏硬度理想的壓入角為入角為44，推導(dǎo)出壓頭兩相對面間夾角為，推導(dǎo)出壓頭兩相對面間夾角為136），而不致影響硬度值。在較低硬度時，其），而不致影響硬度值。在較低硬度時，其硬度值與布氏硬度值相等或接近。硬度值與布氏硬度值相等或接近。103104 衡量衡量：在載荷：在載荷F的作用下，試樣表面上壓的作用下，試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕，測量壓痕對角線長度出一個四方錐形的壓痕，測量壓痕對角線長度d，用來計算壓痕的表面積。用用來

59、計算壓痕的表面積。用HV表示。表示。2201891. 0)2/136sin(204. 0102. 0dFdFAFHV 2 2、表示、表示 HV/ 載荷保持時間（載荷保持時間（1015s不標(biāo)注）不標(biāo)注） 載荷載荷kg(kN) 維氏硬度符號維氏硬度符號 維氏硬度值維氏硬度值 符號與試驗力見表符號與試驗力見表 105 例例：580HV30表示用表示用30kgf (294.2N)試驗力試驗力保持保持1015S測定的維氏硬度值為測定的維氏硬度值為580。106 3、標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)材料的軟硬、厚薄及所測部位的特性不同，需要在根據(jù)材料的軟硬、厚薄及所測部位的特性不同，需要在不同試驗力范圍內(nèi)測定維氏硬度。為此

60、，我國制定了三個維不同試驗力范圍內(nèi)測定維氏硬度。為此，我國制定了三個維氏硬度試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)：氏硬度試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)： GB4340.1-1999金屬維氏硬度試驗金屬維氏硬度試驗 第第1部分：試驗部分：試驗方法方法 GB4340.1-1999金屬維氏硬度試驗金屬維氏硬度試驗 第第1部分：試驗部分：試驗方法方法試驗力范圍為試驗力范圍為49.03980.7N，共分六級。主要用于測，共分六級。主要用于測定較大工件和較深表面層的硬度。定較大工件和較深表面層的硬度。 GB5030-85金屬小負(fù)荷維氏硬度試驗方法金屬小負(fù)荷維氏硬度試驗方法試驗力試驗力范圍為范圍為1.96149.03N，共分七級。主要用于測