1、1第二章 金屬在其他靜載荷下的力學(xué)性能 引言 2.1 應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) 2.2 壓縮 2.3 彎曲 2.4 扭轉(zhuǎn) 2.5 硬度 2.6 帶缺口試樣靜載荷試驗2前 言古時，利用固體互相刻劃來區(qū)分材料的軟硬硬度仍用來表示材料的軟硬程度硬度值大小取決于材料的性質(zhì)、成分和顯微組織，測量方法和條件不符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)就不能反映真實硬度。目前還沒有統(tǒng)一而確切的關(guān)于硬度的物理定義。硬度測定簡便，造成的表面損傷小，基本上屬于“無損”檢測的范疇。測定硬度的方法很多，主要有壓入法，回跳法和刻劃法三大類。32.5 硬度一、硬度及其意義 1、硬度： 定 義：材料在表面上不大體積內(nèi)抵抗塑性變形或破裂的能力，或軟硬程度。隨試驗方法

2、的不同，物理意義不同。 2、硬度的種類 壓入法：布氏硬度、洛氏、維氏、維氏、普氏等。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)最大，2，幾乎所有的材料都能產(chǎn)生塑性變形。 刻劃法：莫氏硬度。表征材料對切斷的抗力。 同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用 同一材料進行標(biāo)定。（都列入有關(guān)表中）4二、硬度試驗 1、布氏硬度（Brinell Hardness，1900年提出） （1）原理 用一定直徑D的鋼球或硬質(zhì)合金球為壓頭，施以一定的試驗力，將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力。試樣表面留下壓痕。力除以壓痕球形表面積的商就是布氏硬度。 d壓痕直徑公式表明，當(dāng)壓力和壓頭直

3、徑一定時，壓痕直徑越大，布氏硬度值越低，即變形抗力越??；反之，布氏硬度值越高。567由于不同材料的硬度不同，試件的厚度不同，測定布氏硬度時需選用不同直徑的壓頭和壓力。要在同一材料上測得相同的布氏硬度，或在不同的材料上測得的硬度可以相互比較，壓痕的形狀必須幾何相似，壓入角應(yīng)相等。布氏硬度相同時，要保證壓入角相等，則P/D2應(yīng)為常數(shù)。國標(biāo)GB231-84根據(jù)材料的種類及布氏硬度范圍，規(guī)定了7種P/D2之值。8（2）壓頭直徑選定:試件的厚度應(yīng)大于壓痕深度的10倍。盡可能選用大直徑的壓頭。根據(jù)材料及其硬度范圍，選擇P/D2。測試加載壓力與試件表面垂直，均勻平穩(wěn)，無沖擊。 壓力作用下的保持時間有規(guī)定：對

4、黑色金屬應(yīng)為10秒有色金屬為30秒對HB35的材料為60秒壓痕直徑d不在0.25 0.6 D 范圍無效。910（3）符號表示：壓頭為淬火鋼球，HBS；壓頭為硬質(zhì)合金球，HBWHBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，其后的數(shù)字依次為壓頭直徑、壓力和保持時間。例：150HBSl0300030表示用10mm直徑淬火鋼球，加壓3000kgf，保持30s，測得的布氏硬度值為150；500HBW5750，表示用硬質(zhì)合金球，壓頭直輕5mm，加壓750kgf，保持10-15秒(保持時間為10-15，不加標(biāo)注)，測得布氏硬度值為500。11（4）布氏硬度的優(yōu)缺點 優(yōu)點：1）壓痕面積大，能反映出較大范圍內(nèi)材料各組成相

5、的綜合平均性能，不受個別相和微區(qū)不均勻性的影響。 2）試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好，應(yīng)用廣泛。 3）適合于測定粗大晶?；虼执蠼M成相的材料的硬度，象灰鑄鐵和軸承合金等。 4）試驗證明，在一定的條件下，布氏硬度與抗拉強度存在如下的經(jīng)驗關(guān)系：b=k HB 式中k為經(jīng)驗常數(shù)，隨材料不同而異。缺點：1)壓痕大，不宜在產(chǎn)品上直接測量； 2)對不同硬度的材料，需換不同的壓頭，麻煩！ 3)鋼球本身的變形問題； 4)不宜于薄件測試。12為了克服布氏硬度的不足，1919年提出了洛氏硬度 （1）原理 以壓頭留下的壓痕深度來表示材料的硬度值。 壓痕深度h越大，硬度值越低。 規(guī)定： 不同的壓頭，k值不同；金剛石k=0.2；鋼

6、球k=0.26 錐頭又分成=120o的圓錐或四面錐。 壓痕深度（硬度值）可直接讀出 2、洛氏硬度（Rockwell Hardness）13初載荷： F1，壓入h1主載荷： F2，壓入h2去主載荷F2，只保留初載荷F1，由于彈性變形，使壓頭升高h3實際壓入深度：hh2h3試驗程序先加10kg預(yù)壓力，再加主壓力。預(yù)壓力+主壓力=總壓力，總壓力視材料的軟硬而定；不同壓頭和施加不同的總壓力，組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺。常用A、B和C三種標(biāo)尺，C標(biāo)尺最普遍。用這三種標(biāo)尺的硬度記為HRA、HRB和HRC。14（2）測定HRC步驟（采用金剛石壓頭）先加10kgf預(yù)載，壓入材料表面的深度為t0，此時表盤上的指針指

7、向零點(見圖(a)。然后再加上140kgf主載荷，壓頭壓入表面的深度為t1，表盤上的指針逆時針方向轉(zhuǎn)到相應(yīng)的刻度(見圖(b)。卸除主載荷以后，表面變形中的彈性部分將回復(fù)，壓頭將回升一段距離，即(t1-t)，表盤上的指針將相應(yīng)地回轉(zhuǎn)(見圖(c)。最后，在試件表面留下的殘余壓痕深度為t。為符合人的思維，即數(shù)值越大越硬，規(guī)定：t0.2mm時, HRC0；t0,HRC100，壓痕深度每增0.002mm, HRC降低1個單位。于是有 HRC(0.2-t)0.002（100-t）0.002 15（3）種類HRA、HRB、HRC 最常用，改變壓力和壓頭，可適用于不同的測試范圍。表面洛氏 HR15N，HR30

8、N， HR45N，HR15T用來測定極薄試樣及滲氮層的硬度。1617洛氏硬度的特點優(yōu)點：因為硬度值可從硬度機的表盤上直接讀出，故測定洛氏硬度更為簡便迅速,工效高，適用于大量的檢驗；對試件表面造成的損傷較小，可用于成品零件的質(zhì)量檢驗；因加有預(yù)載荷，可以消除表面輕微的不平度對試驗結(jié)果的影響。不存在壓頭的變形問題缺點：不同標(biāo)尺的洛氏硬度值無法相互比較由于壓痕小，所以洛氏硬度對材料組織不均勻性很敏感，測試結(jié)果比較分散，重復(fù)性差。183、維氏硬度（Vickers Hardness，1925年提出）測定的原理和方法基本上與布氏硬度的相同，根據(jù)單位壓痕表面積上所承受的壓力來定義硬度值所用的壓頭為金剛石制成的

9、四方角錐體，兩相對面間的夾角為1360，所加的載荷較小當(dāng)負荷改變時，壓入角不變，因此負荷可以任意選擇克服了布氏硬度中，F(xiàn)和D之間必須遵循F/D2為定值的約束關(guān)系。19已知載荷P，測得壓痕兩對角線長度后取平均值d，計算維氏硬度值，單位為kgf/mm2（一般不標(biāo)注）載荷為5kgf,10kgf，20kgf，30kgf，50kgf和100kgf等6種壓頭壓入試件表面，保持一定的時間后卸除壓力，試件表面上留下壓痕維氏硬度的表示方法與布氏硬度的相同，例：640HV3020，最前數(shù)字為硬度值，后面數(shù)字依次為載荷/保持時間。20維氏硬度可分為宏觀和顯微觀兩種：宏觀：F=49.03980.7N 六級 大載荷 F

10、=1.96149.03N 七級 小載荷顯微：F=98.0710-31.961N 五級通過測量對角線長度d計算出HV。2122優(yōu)點：維氏硬度測試采用了四方角錐體壓頭，各種載荷作用下所得的壓痕幾何相似，載荷大小任意選擇，所得硬度值均相同，不受布氏法那種載荷P和壓頭D的規(guī)定條件的約束。測量范圍較寬，軟硬材料都可測。壓痕為一輪廓清晰的正方形，對角線長度易于精確測量，故精度較布氏法的高?？梢詼y量薄試樣缺點：測量較煩瑣壓痕小，受不均勻性的影響較大維氏硬度的特點和應(yīng)用234、顯微硬度布、洛及維氏三種硬度試驗只能測得組織的平均硬度值測定極小范圍內(nèi)的硬度，需用顯微硬度試驗，例如某個晶粒，某個組成相或夾雜物的硬度

11、顯微硬度試驗一般是指測試載荷小于200g力的硬度試驗，常用的有顯微維氏硬度和努氏硬度24顯微維氏硬度顯微維氏硬度試驗實質(zhì)上就是小載荷的維氏硬度試驗，其測試原理和維氏硬度試驗相同，仍用HV表示測試載荷小，載荷與壓痕之間的關(guān)系不一定像維氏硬度試驗符合幾何相似原理，必須注明載荷大小，以便比較如340HV0.1表示用0.1kgf的載荷測得的維氏顯微硬度為340340HV0.05則是表示用0.05kgf的載荷測得的硬度為340252627285、努氏硬度（也屬顯微硬度） 采用四棱錐，對面角分別為172o30和130o。 力F除以壓痕投影面積之商。 它比四等角錐測量值精確。 試樣的表面不一定是很平整，而且組織不均勻，尤其是回旋體的表面。29肖氏硬度計305、肖氏硬度 一種動載荷試驗法。 將一定重量的帶有金剛石圓頭或鋼