模塊一 金屬的力學(xué)性能

金屬材料及熱處理馮英宇化學(xué)工業(yè)出版社模塊一金屬的力學(xué)性能

知識(shí)點(diǎn)1.理解金屬的常用力學(xué)性能指標(biāo)的含義及計(jì)算方法；2.理解金屬的常用力學(xué)性能對(duì)材料的應(yīng)用范圍和產(chǎn)品質(zhì)量及工藝性能的影響；3.了解常用物理性能和化學(xué)性能對(duì)材料的應(yīng)用范圍和產(chǎn)品質(zhì)量及工藝性能的影響。技能點(diǎn)1.掌握常用力學(xué)性能指標(biāo)硬度測(cè)試方法及其應(yīng)用；2．了解強(qiáng)度、塑性、沖擊韌度以疲勞極限等力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)試方法及其應(yīng)用；3．能根據(jù)機(jī)件或工具的工作條件，分析對(duì)其制造材料力學(xué)性能的要求。課題一強(qiáng)度與塑性

任務(wù)提出在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)制造中，金屬懸索橋和斜拉橋是最為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，它不僅具有用料省、自重輕的特點(diǎn)，而且，還可以實(shí)現(xiàn)其他橋梁無(wú)法達(dá)到的大跨度結(jié)構(gòu)。雖然我們現(xiàn)有的知識(shí)和能力，還不足以獨(dú)立完成一座橋梁的設(shè)計(jì)工作，但通過(guò)對(duì)金屬材料強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能的學(xué)習(xí)，可以使我們對(duì)其中金屬工作組件的力學(xué)性能要求有一些初步的了解。試分析設(shè)計(jì)人員是如何保證橋梁的承載安全的？圖1-1懸索橋結(jié)構(gòu)示意圖

任務(wù)分析從圖1-1中可以看出，懸索橋的橋體重量主要依靠“主索”(也稱懸索或大纜)和“吊索”(也稱吊桿)吊拉，主索和吊索的承載能力是關(guān)鍵因素，它們?cè)谑褂眠^(guò)程中不能產(chǎn)生變形，更不能發(fā)生斷裂。主索和吊索的截面尺寸過(guò)小不能滿足使用要求，截面尺寸過(guò)大又造成材料浪費(fèi)，必須進(jìn)行精確設(shè)計(jì)和計(jì)算，其設(shè)計(jì)依據(jù)就是所選用材料的強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能指標(biāo)。一、載荷、變形與應(yīng)力

1.載荷

金屬材料在使用和加工過(guò)程中所受到的各種外力統(tǒng)稱為載荷，用符號(hào)表示。載荷按其作用的性質(zhì)不同，可分為靜載荷、沖擊載荷及交變載荷三種。

2.變形

金屬材料受到載荷作用而產(chǎn)生的幾何變形和尺寸的變化稱為變形。變形分為彈性變形和塑性變形。3.變形金屬材料在受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部作用著與外力相對(duì)抗的力，稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力能夠準(zhǔn)確地反映金屬材料內(nèi)部的受力狀態(tài)。

二、金屬室溫靜拉伸試驗(yàn)

1.拉伸試樣

拉伸試樣的形狀和尺寸及取樣和制樣應(yīng)符合《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T228—2002），常用拉伸試樣如圖1-2a所示。圖中0是圓形截面試樣的直徑，為試樣的有效工作部分稱為原始標(biāo)距。根據(jù)原始標(biāo)距（）與圓形截面試樣直徑（0）之間的關(guān)系，試樣分長(zhǎng)比例試樣（0=100）和短比例試樣（0=50）兩種。拉伸試驗(yàn)時(shí)，一般優(yōu)先選用短比例試樣。

2．拉伸曲線

拉伸試驗(yàn)機(jī)一般用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)或電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

圖1-2拉伸試樣和低碳鋼曲線а)拉伸試樣b)低碳鋼曲線

3．應(yīng)力—應(yīng)變曲線

力-伸長(zhǎng)曲線只代表試樣的力學(xué)性質(zhì)，同一種材料的力-伸長(zhǎng)曲線中，橫、縱坐標(biāo)會(huì)因試樣尺寸不同而各異。為了使同一種材料不同尺寸試樣的拉伸過(guò)程及其特性點(diǎn)便于比較，以消除試樣幾何尺寸的影響，將力-伸長(zhǎng)曲線的橫、縱坐標(biāo)分別用拉伸試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0和原始橫截面積S0去除，則得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

三、金屬的彈性變形1．彈性模量金屬材料在彈性變形階段，其應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)懦烧壤P(guān)系，即σ＝Eε，其比例系數(shù)E稱為彈性模量。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，E就是直線（Op段）的斜率。彈性模量表示金屬材料對(duì)彈性變形的抵抗能力，E值越大，則產(chǎn)生相同的彈性變形量需要的外力越大，彈性變形越困難。2．彈性極限彈性極限是金屬材料在外力作用下，只發(fā)生彈性變形而不發(fā)生塑性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，彈性極限相當(dāng)于e點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，用σe表示。

3．彈性比功

彈性比功是表示金屬材料吸收彈性變形功的能力，一般用金屬開(kāi)始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功表示。金屬拉伸時(shí)的彈性比功可表示為：

式中αe

—彈性比功

—彈性極限

—彈性模量由上式可知，提高材料的彈性比功有兩種途徑：一是提高彈性極限，二是降低彈性模量。

四、強(qiáng)度與強(qiáng)度指標(biāo)

1．強(qiáng)度及其意義

強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力，是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)。根據(jù)載荷性質(zhì)不同，材料強(qiáng)度有靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等。材料強(qiáng)度的大小，通常用單位面積所受的力來(lái)表示，其單位為MPa。

2.屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度用符號(hào)σS表示，在《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T228—2002）中，用ReL（下屈服強(qiáng)度）選作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)。計(jì)算公式如下：

3.抗拉強(qiáng)度

試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，又稱強(qiáng)度極限，用符號(hào)σb表示，GB∕T2280—2002規(guī)定抗拉強(qiáng)度符號(hào)用表示，按下列公式計(jì)算：

式中σb

—抗拉強(qiáng)度（MPa）

—試樣承受的最大載荷（N）；

S0

—試樣原始橫截面積（mm2）

屈服強(qiáng)度與抗強(qiáng)度的比值（σS/σb或ReL／）稱為材料的屈強(qiáng)比。

五、塑性與塑性指標(biāo)1.塑性塑性是金屬材料斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。2.斷后伸長(zhǎng)率

斷后伸長(zhǎng)率是指試樣拉斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比。用符號(hào)δ表示，新標(biāo)準(zhǔn)GB∕T2280—2002規(guī)定用符號(hào)A表示，其計(jì)算方法如下：

δ=式中δ—斷后伸長(zhǎng)率（%）；L1—試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）；L0—試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）。3.斷面收縮率

斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)ψ表示，GB∕T2280—2002規(guī)定用符號(hào)Z表示。其計(jì)算方法如下：

ψ=式中ψ—斷面收縮率（%）；

S0—試樣的原始橫截面面積（mm2）；

S1—試樣拉斷處的最小截面面積（mm2）。任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長(zhǎng)率（δ）與斷面收縮率（ψ）越大，發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。任務(wù)實(shí)施

懸索橋承載安全分析

1．橋梁承載安全分析根據(jù)以上知識(shí)，為了保證懸索和吊索在使用過(guò)程中不產(chǎn)生塑性變形，設(shè)計(jì)人員要以屈服點(diǎn)σ或屈服強(qiáng)度σ為設(shè)計(jì)依據(jù)，根據(jù)各懸索、吊索的受力大小和所選用材料的屈服點(diǎn)σ或屈服強(qiáng)度σ，確定其尺寸。由于各種橋梁用金屬材料都具有良好的塑性，在受力過(guò)大時(shí)，首先產(chǎn)生塑性變形，其變形抗力(即強(qiáng)度)會(huì)因加工硬化而自然提高，不至于發(fā)生突然斷裂，保證橋梁安全可靠。

2．在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了確保橋梁使用安全，還應(yīng)適當(dāng)增大金屬材料的截面尺寸，具體辦法將在相關(guān)學(xué)科中詳細(xì)介紹。綜合訓(xùn)練

1．解釋下列名詞：（1）拉伸試驗(yàn)（2）剛度（3）彈性極限（4）屈服現(xiàn)象（5）強(qiáng)度（6）屈服強(qiáng)度（7）抗拉強(qiáng)度（8）塑性（9）斷后伸長(zhǎng)率（10）斷面收縮率2．說(shuō)明下列力學(xué)性能指標(biāo)的意義：（1）E（2）σe（RP）（3）σS（REl）（4）σb

（5）δ(6)ψ(7)σS/σb(ReL／)3．什么是金屬的力學(xué)性能?金屬的力學(xué)性能有哪些?4．簡(jiǎn)述低碳鋼拉伸試驗(yàn)的基本過(guò)程。5．彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度在工程上各有什么實(shí)際意義？6．什么是塑性?衡量塑性的指標(biāo)有哪些?分別用什么符號(hào)表示?在工程上有什么實(shí)際意義？課題二硬度任務(wù)提出

在機(jī)械制造中，各種機(jī)械金屬零件和工、模具等都要求有一定的硬度，根據(jù)工作條件對(duì)力學(xué)性能要求的不同，需要的硬度要求也不同。如軸承座、汽車半軸、傳動(dòng)齒輪、鉆頭、滾動(dòng)軸承和表面硬化齒輪等，需要進(jìn)行硬度測(cè)試，我們應(yīng)該用什么樣的方法進(jìn)行測(cè)試？

任務(wù)分析

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕、劃痕的能力，硬度較高的金屬材料具有較強(qiáng)的抗磨損能力。它在一定成度上反應(yīng)了材料的綜合力學(xué)性能指標(biāo)。硬度值的大小不僅取決材料本身的性能，而且還取決于測(cè)量方法和條件。用不同的方法測(cè)定的硬度值具有不同的意義。與拉伸試驗(yàn)相比，硬度試驗(yàn)簡(jiǎn)單，操作迅速方便，又可直接在零件上或工具上進(jìn)行試驗(yàn)而不破壞工件。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣的技術(shù)條件中，硬度是一項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)。硬度的測(cè)量方法較多，主要有壓入法、彈跳法和刻痕法三大類。在機(jī)械制造過(guò)程中，常用的測(cè)量硬度方法是壓入法，它是用一定幾何形狀的壓頭，在一定載荷下，壓入被測(cè)金屬表面，根據(jù)被壓入程度來(lái)測(cè)定其硬度值。生產(chǎn)中應(yīng)用最常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等三種試驗(yàn)方法。一、布氏硬度試驗(yàn)1.布氏硬度原理布氏硬度試驗(yàn)是在一定的載荷作用下，將一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭壓入到被測(cè)金屬表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除載荷，測(cè)量被測(cè)材料表面留下壓痕的平均直徑，根據(jù)計(jì)算出壓痕面積S，最后求出壓痕單位面積上承受的平均壓力，以此作為被測(cè)金屬材料的布氏硬度值，如圖1-3所示。

圖1-3布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖布氏硬度值的計(jì)算公式為：式中HBS（HBW）—淬火鋼球（硬質(zhì)合金球）試驗(yàn)時(shí)的布氏硬度值；F—載荷大?。∟）；D—球體直徑（mm）；d—壓痕平均直徑（mm）；

S—壓痕的面積（㎜2）；布氏硬度值的單位為kgf/㎜2或N/㎜2，習(xí)慣上布氏硬度是不標(biāo)單位的。2．布氏硬度規(guī)范

目前金屬布氏硬度試驗(yàn)方法執(zhí)行《金屬布氏硬度試驗(yàn)第一部分：試驗(yàn)方法》（GB/T231．1—2002），用符號(hào)HBW表示。布氏硬度的表示方法為：硬度值﹢硬度符號(hào)﹢試驗(yàn)條件。在進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)力與壓頭直徑平方的比值（0.102/2）應(yīng)為30、15、10、5、2.5、1中的一個(gè)。根據(jù)金屬材料的種類、試樣厚度及試樣的硬度范圍。按照表1-1的規(guī)范選擇合適的試驗(yàn)條件，在試樣尺寸允許時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用直徑為10㎜的球壓頭。3．布氏硬度試驗(yàn)過(guò)程（1）試樣制備試樣過(guò)程中不得使試樣因冷、熱加工影響試樣面原來(lái)的硬度，試樣面應(yīng)為光滑的平面，不應(yīng)有氧化皮和污物。試樣厚度至少應(yīng)為壓痕深度8倍，試驗(yàn)后，試樣背面如出現(xiàn)可見(jiàn)變形，則表明試樣太薄。（2）試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備，即布氏硬度計(jì)必須滿足《金屬布氏硬度試驗(yàn)第2部分：硬度計(jì)》（GB/T231．2—2002）的要求，能施加預(yù)定試驗(yàn)力或9.807N～29.42kN范圍內(nèi)的試驗(yàn)力。常用HB—3000B型數(shù)顯布氏硬度計(jì)。（3）試驗(yàn)過(guò)程布氏硬度試驗(yàn)一般在10℃～35℃的室溫進(jìn)行。將被測(cè)試樣放置在樣品臺(tái)中央，順時(shí)針平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)手輪，使樣品臺(tái)慢慢上升，試樣與壓頭緊密接觸，直至手輪與螺母產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。此時(shí)按下“開(kāi)始”鍵，試驗(yàn)開(kāi)始自動(dòng)進(jìn)行，以此自動(dòng)完成以下過(guò)程：試驗(yàn)力加載，試驗(yàn)力完全加上后開(kāi)始按設(shè)定的保持時(shí)間保持該試驗(yàn)力，時(shí)間到后即開(kāi)始卸載，完成卸載后恢復(fù)初始狀態(tài)。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪，樣品臺(tái)下降，取下試樣，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量表面的壓痕直徑，并取下試樣，從專門(mén)的硬度表中查出相應(yīng)的硬度值。二、洛氏硬度試驗(yàn)

1.洛氏硬度原理洛氏硬度試驗(yàn)是采用頂角為1200的金剛石圓錐體或一定直徑的鋼球?yàn)閴侯^，以規(guī)定的試驗(yàn)力將其壓入試樣表面。

圖1-4洛氏硬度試驗(yàn)原理示意圖洛氏硬度值是以殘余壓痕深度大小確定，壓痕深度越大，硬度越低；反之則硬度越高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值越大，硬度越高的概念，一般用一個(gè)常數(shù)減去壓入深度作為硬度值，并以0.002mm的壓痕深度為一個(gè)硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號(hào)HR表示。計(jì)數(shù)公式如下：

式中HR—洛氏硬度值；

k—常數(shù)，用金剛石圓錐體作壓頭時(shí)=100；用鋼球作壓頭時(shí)=130；

h—?dú)堄鄩汉凵疃龋╩m）。布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，一般均由硬度計(jì)的指示器上直接讀出。2.洛氏硬度規(guī)范

目前，金屬洛氏硬度試驗(yàn)方法執(zhí)行《金屬洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》（GB/T231．1—2004）。為了能用同一硬度計(jì)測(cè)量從軟到硬或薄厚試樣的材料硬度，需要采用有不同的壓頭和載荷組成的A、B、C、D、E、F、G、H、K等9種洛氏硬度標(biāo)尺，此外還有6種表面洛氏硬度，共15種。最常用的是A、B、C三種標(biāo)尺，分別記作HRA、HRB、HRC，其中洛氏硬度C標(biāo)尺應(yīng)用最廣。洛氏硬度不標(biāo)單位，是一個(gè)無(wú)量綱的力學(xué)性能指標(biāo)，表示方法是將硬度值寫(xiě)在硬度符號(hào)前面。例如，50HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為50。洛氏硬度各標(biāo)尺之間沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，洛氏硬度試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍見(jiàn)表1-2。洛氏硬度試驗(yàn)方法是目前應(yīng)用最廣泛的硬度測(cè)試方法，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量迅速簡(jiǎn)便，壓痕較小，可用于測(cè)量產(chǎn)品件；同樣由于壓痕較小，測(cè)得的硬度不夠準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重復(fù)性差。因此，在測(cè)試金屬的洛氏硬度時(shí)，需要選取不同部位測(cè)定三次，取其平均值為該材料的硬度值。3．洛氏硬度試驗(yàn)過(guò)程（1）試樣試樣表面應(yīng)盡可能是平面，不應(yīng)有氧化皮及其他污物，一般表面粗糙度Ra≤0.8μm。（2）試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備，即洛氏硬度計(jì)是應(yīng)用最廣的一種硬度計(jì)。洛氏硬度計(jì)必須滿足《金屬洛氏硬度試驗(yàn)第2部分：硬度計(jì)》（GB/T230．2—2004）的要求，常用的是HR—150型洛氏硬度計(jì)。（3）試驗(yàn)過(guò)程洛氏硬度試驗(yàn)一般也是在10℃～35℃的室溫進(jìn)行。以HR—150型洛氏硬度計(jì)為例簡(jiǎn)單敘述其過(guò)程。三、維氏硬度試驗(yàn)

1.維氏硬度原理

維氏硬度試驗(yàn)原理與布氏硬度試驗(yàn)原理相似，也是根據(jù)壓痕單位表面積上的試驗(yàn)力大小來(lái)計(jì)算硬度值，不同的是維氏硬度采用相對(duì)面夾角為136o的正四棱錐體金剛石作壓頭，試驗(yàn)原理如圖1–5所示。圖1–5維氏硬度的試驗(yàn)原理示意圖計(jì)算公式如下：式中HV—維氏硬度，不標(biāo)單位；

F—試驗(yàn)力（N）；

S—壓痕面積（㎜2）；

d—壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度平均值（mm）。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，維氏硬度值不用計(jì)算，而是用測(cè)微計(jì)測(cè)出壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度，計(jì)算出平均值后，再根據(jù)的大小查GB/T4340.1—1999附表，即可求出所測(cè)硬度值。

2．維氏硬度規(guī)范

維氏硬度試驗(yàn)所用的試驗(yàn)力根據(jù)試件的大小、薄厚及其他條件選擇，常用試驗(yàn)力在49.03～980.7N范圍內(nèi)。維氏硬度的表示方法與布氏硬度相同，在符號(hào)HV的前面寫(xiě)硬度值，試驗(yàn)條件寫(xiě)在符號(hào)的后面，若試驗(yàn)力保持時(shí)間為10～15s時(shí)，可以不標(biāo)出。如640HV30/20表示在30kgf（294.2N）試驗(yàn)力作用下，保持20s測(cè)得的維氏硬度值為640。維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)載荷小，壓痕較淺，適用范圍寬，測(cè)試范圍在5～3000HV，可以測(cè)定從極軟到極硬的各種金屬材料，尤其適于測(cè)量零件表面淬火層及化學(xué)熱處理的表面層等。同時(shí)維氏硬度只用一種標(biāo)尺，材料的硬度可以直接通過(guò)維氏硬度值比較大小，不存在布氏硬度試驗(yàn)力與球體直徑D之間關(guān)系的約束，也不存在洛氏硬度那樣不同標(biāo)尺的硬度無(wú)法統(tǒng)一的問(wèn)題。維氏硬度的缺點(diǎn)是對(duì)試樣表面要求高，壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度測(cè)量比較麻煩，不適于大批測(cè)試。3．維氏硬度試驗(yàn)過(guò)程（1）試樣維氏硬度試驗(yàn)，特別是小載荷維氏硬度試驗(yàn)，由于試驗(yàn)力較小，所以壓痕尺寸很小。為保證清晰地測(cè)量出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，因而對(duì)試樣表面質(zhì)量要求較高。試樣面應(yīng)平坦光滑，無(wú)氧化皮及污物。試樣或試驗(yàn)層的最小厚度應(yīng)滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)后，試樣背面不應(yīng)出現(xiàn)可見(jiàn)的變形痕跡，從而保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。表面粗糙度Ra≤0.4μm；小載荷維氏硬度試樣粗糙度Ra≤0.2μm。（2）試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備，即維氏硬度計(jì)是測(cè)量維氏硬度的精密計(jì)量?jī)x器，維氏硬度計(jì)配有測(cè)微目鏡，用于加載后測(cè)讀壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，使用方便，測(cè)量精度高。（3）試驗(yàn)過(guò)程維氏硬度試驗(yàn)與布氏硬度試驗(yàn)基本相同。先對(duì)試樣進(jìn)行加載，載荷保持規(guī)定時(shí)間后卸除載荷。用測(cè)微目鏡測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，查表或直接輸入硬度計(jì)得到試樣的維氏硬度值。任務(wù)實(shí)施

典型零件硬度測(cè)試方法與硬度大小比較一、測(cè)量硬度值1．測(cè)量軸承座的硬度值軸承座通常用灰鑄鐵制造，一般直接在鑄態(tài)下使用，本身硬度不高，且組織不均勻，應(yīng)采用布氏硬度測(cè)量其硬度值。一般情況下，該材料的硬度值在200HBS左右。2．測(cè)量傳動(dòng)齒輪和汽車半軸的硬度值傳動(dòng)齒輪和汽車半軸常采用中碳鋼制造，組織均勻致密，經(jīng)最終熱處理后硬度相對(duì)較高，應(yīng)采用洛氏硬度HRC測(cè)量其硬度值。成品零件的硬度值一般在50HRC左右。3．測(cè)量滾動(dòng)軸承的硬度值滾動(dòng)軸承(內(nèi)外套圈)用含碳量較高的專用鋼制造，組織致密，硬度較高，其硬度值同樣采用洛氏硬度HRC測(cè)量。成品硬度應(yīng)在60HRC以上。4.測(cè)量鉆頭的硬度值鉆頭一般用含碳量較高的專用鋼制造，組織致密，硬度很高，應(yīng)采用洛氏硬度HRC測(cè)量其硬度值。成品硬度應(yīng)在65HRC左右。5.測(cè)量表面硬化齒輪的硬度分布有的齒輪常用低碳鋼制造，采用表面硬化的熱處理方法，使齒輪表面一層得到較高的硬度，而心部仍保持較低的硬度，以滿足其使用性能的要求?？捎镁S氏硬度測(cè)量其表面硬化層的硬度值，具體硬度值取決于表面硬化方法。

二、比較硬度大小

幾種工件的硬度測(cè)量方法并不是完全相同的，應(yīng)換算成同一種硬度和標(biāo)尺。以上實(shí)例中，可將軸承座的布氏硬度HB換算成洛氏硬度HRC，按經(jīng)驗(yàn)法：同一種材料的三種硬度HB、HRC、HV值，在數(shù)字上大致呈現(xiàn)下列關(guān)系：HRC≈1／10HB，HB≈HV。在進(jìn)行材料間硬度比較時(shí)，若硬度相差較大，可直接近似換算比較。如以上實(shí)例就能滿足這一條件，即軸承座的硬度值大致為20HRC。比較結(jié)果為：軸承座硬度<齒輪硬度<滾動(dòng)軸承硬度<鉆頭硬度。綜合訓(xùn)練1．解釋下列名詞：（1）布氏硬度（2）洛氏硬度（3）維氏硬度2．試說(shuō)明布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度的試驗(yàn)原理，并比較布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。3．現(xiàn)有如下零件和材料等需測(cè)定硬度，試說(shuō)明選用何種硬度試驗(yàn)方法為宜。（1）高速鋼刀具（2）淬火鋼（3）灰鑄鐵（4）儀表小黃銅齒輪（5）硬質(zhì)合金（6）退火態(tài)低碳鋼課題三沖擊韌性與疲勞極限

任務(wù)提出以下是我們所認(rèn)知的兩個(gè)實(shí)例：

1．普通鑄鐵結(jié)構(gòu)件，在靜載荷作用下并不容易破壞，而一旦受到碰撞或沖擊，很容易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，而鋼就不易產(chǎn)生裂紋和斷裂。

2．一條普通鋼絲，在一點(diǎn)附近的兩側(cè)用手捏緊，經(jīng)少量次彎曲是不會(huì)斷裂的，但經(jīng)反復(fù)多次彎繞，最后是可以折斷的。這些現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)題?金屬材料在不同性質(zhì)載荷作用下有哪些不同的性能表現(xiàn)?在機(jī)械設(shè)計(jì)、加工和使用過(guò)程中如何正確運(yùn)用？

任務(wù)分析以上兩個(gè)實(shí)例反映了同一個(gè)問(wèn)題，即金屬材料在不同性質(zhì)載荷作用下的抵抗能力是不同的，也就是說(shuō)表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。金屬材料在使用和加工過(guò)程中所承受的載荷往往是比較復(fù)雜的，不僅有靜載荷，也有沖擊載荷或交變載荷，也可能同時(shí)受到多種載荷的作用。因此，必須研究金屬材料在不同性質(zhì)載荷作用下的力學(xué)性能和評(píng)價(jià)方法。拉伸試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)都屬于靜載荷試驗(yàn)，以下研究沖擊載荷試驗(yàn)和疲勞載荷試驗(yàn)及其相應(yīng)的性能指標(biāo)。一、沖擊韌性1．沖擊載荷和沖擊韌性在很短時(shí)間內(nèi)作用金屬材料上的載荷稱為沖擊載荷。沖床的沖頭、錘鍛桿、風(fēng)動(dòng)工具、錘子等，它們是利用沖擊載荷工作的；而在其他很多情況下，則要盡量避免受到?jīng)_擊載荷的作用，如在刀具的切削過(guò)程中以及汽車行駛通過(guò)凹坑等。沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時(shí)間短，加載速率高，應(yīng)力集中，使金屬材料的變脆傾向增大，因此沖擊載荷對(duì)材料的破壞效應(yīng)大于靜載荷。金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，或者說(shuō)在斷裂前變形吸收能量的能力叫沖擊韌性，它是金屬材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。常用沖擊韌度來(lái)衡量金屬材料沖擊韌性的好壞，但習(xí)慣上，韌性和韌度不加嚴(yán)格區(qū)分。2．沖擊試驗(yàn)工程上常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料抵抗沖擊載荷的能力，即測(cè)定試樣在沖擊載荷作用下被折斷而消耗的沖擊吸收能量（新標(biāo)準(zhǔn)用K），單位為J（焦耳）。一次擺錘沖擊試驗(yàn)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》（GB/T229—2007）進(jìn)行。（1）沖擊試樣標(biāo)準(zhǔn)中沖擊試樣有夏比U型缺口和夏比V型缺口兩種試樣類型。選擇試樣類型的原則應(yīng)根據(jù)使用材料的產(chǎn)品技術(shù)條件、材料的服役狀態(tài)和力學(xué)特性，一般情況下，尖銳缺口和深缺口試樣適用于韌性較好的材料。鑄鐵或工具鋼等脆性材料常采用無(wú)缺口沖擊試樣。（2）沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)有手動(dòng)和半自動(dòng)兩種。通過(guò)更換擺錘，沖擊試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)打擊能量300J和150J，打擊瞬間擺錘的沖擊速度應(yīng)為5.0～5.5m/s。根據(jù)需要，也可使用其他沖擊能量試驗(yàn)機(jī)。（3）一次擺錘沖擊試驗(yàn)一次擺錘沖擊試驗(yàn)原理如圖1-6所示，試驗(yàn)時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)試樣置于試驗(yàn)機(jī)支座上（缺口背向擺錘沖擊方向），然后把質(zhì)量為的擺錘抬升到一定高度1，然后釋放擺錘、沖斷試樣，擺錘沖斷試樣后由于慣性繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到H2。沖擊過(guò)程中如果忽略各種能力損失（空氣阻力及摩擦等），擺錘的位能損失mgH1-mgH2=mg(H1－H2)就是沖斷試樣所需要的能量，即是試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊能量，即＝mg((H1－H2)圖1-6一次擺錘沖擊試驗(yàn)原理（4）小能量多次沖擊試驗(yàn)在工程實(shí)際中，承受到?jīng)_擊載荷的機(jī)件,除了彈殼、裝甲板、石油射孔槍等外，很少因?yàn)橐淮未竽芰繘_擊而遭破壞,絕大多數(shù)是在小能量多次沖擊作用下而破壞的,如鑿巖機(jī)風(fēng)鎬上的活塞、沖模的沖頭等。在小能量多次沖擊條件下，材料的破壞是由于多次沖擊損失的積累，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展的結(jié)果不同于一次沖擊的破壞過(guò)程。小能量多次沖擊的脆斷主要取決于材料的強(qiáng)度，塑性、韌性處于次要地位。雖然高強(qiáng)度球墨鑄鐵沖擊時(shí)吸收能量很低，但卻用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件曲軸，原因是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸工作時(shí)承受的是小能量多次沖擊，球墨鑄鐵的高強(qiáng)度保證了材料的抗破壞能力。因此，對(duì)于金屬材料進(jìn)行小能量多次沖擊試驗(yàn)和研究具有很重要的實(shí)用意義。二、疲勞極限

1．金屬疲勞現(xiàn)象（1）交變載荷和循環(huán)應(yīng)力工程中許多零件和構(gòu)件都是在交變載荷下工作的，如曲軸、連桿、齒輪及彈簧等。交變載荷是指大小，甚至方向隨時(shí)間變化的載荷，其在單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。交變應(yīng)力可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）和無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。生產(chǎn)中工件正常工作時(shí)其變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力，循環(huán)應(yīng)力中大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力，只有大小變化而方向不變的循環(huán)應(yīng)力稱為重復(fù)循環(huán)應(yīng)力。（2）金屬疲勞概念金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是金屬零件或構(gòu)件在交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力長(zhǎng)期作用下由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)在失效機(jī)械零件或構(gòu)件中，大約有80%以上屬于疲勞破壞。疲勞斷裂與靜載荷和沖擊載荷斷裂相比，具有以下特點(diǎn)：

1)疲勞是一種低應(yīng)力斷裂。其斷裂應(yīng)力常低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至屈服強(qiáng)度。斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化，應(yīng)力高則壽命短，應(yīng)力低則壽命長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)力低于某一臨界值時(shí)，壽命可達(dá)無(wú)限長(zhǎng)。

2)疲勞是脆性斷裂。由于疲勞的應(yīng)力比屈服強(qiáng)度低，所以不論是韌性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂前，均沒(méi)有明顯的塑性變形，它是在長(zhǎng)期累積損傷過(guò)程中，經(jīng)裂紋萌生和緩慢擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)突然發(fā)生的。由于斷裂前沒(méi)有明顯的預(yù)兆，使疲勞斷裂危險(xiǎn)性極大。

3)宏觀斷口一般可明顯地分為三個(gè)區(qū)域，即疲勞源，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。疲勞源多在機(jī)件的表面處。2．疲勞曲線和疲勞極限金屬承受的循環(huán)應(yīng)力和斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)周次之間的關(guān)系通常用疲勞曲線來(lái)描述，疲勞曲線是疲勞應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線，如圖1-7所示。它是確定疲勞極限，確定疲勞應(yīng)力判據(jù)的基礎(chǔ)。

圖1-7疲勞曲線曲線表面，金屬材料所受循環(huán)應(yīng)力的最大值σmax越大，則疲勞斷裂前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)周次越低，反之，金屬材料所受循環(huán)應(yīng)力的最大值σmax越小，則疲勞斷裂前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)周次越大。當(dāng)應(yīng)力低于某值時(shí)，材料經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)應(yīng)力也不發(fā)生