材料硬度、疲勞

1、硬度硬度( hardness )( hardness )1.1.定義定義： 是指材料抵抗其它更硬物體是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。壓入其表面的能力。 ASME SA370-2001給出各種給出各種不同試驗結(jié)果的對照表以及相應(yīng)不同試驗結(jié)果的對照表以及相應(yīng)的大致抗拉強度。的大致抗拉強度。2.2.硬度試驗方法：硬度試驗方法：（1 1）壓入法）壓入法（2 2）劃痕法）劃痕法（3 3）回跳法）回跳法 布氏硬度布氏硬度HBHB：ASTM E10 ASTM E10 洛氏硬度洛氏硬度HRHR：ASTM E18 ASTM E18 維氏硬度維氏硬度HVHV：ASTM EASTM E壓入法壓入法( (一

2、一) )布氏硬度布氏硬度HB(Brinell-hardness)HB(Brinell-hardness)布氏硬度計布氏硬度計 觀看布氏硬度觀看布氏硬度1.1.壓頭：壓頭：淬火鋼球淬火鋼球 HBSHBS硬質(zhì)合金鋼球硬質(zhì)合金鋼球 HBWHBW2.2.試驗原理：試驗原理： 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。 F F HB= = S Dh D h = 2 D d 2 2 22布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 選用選用淬火鋼球淬火鋼球壓頭壓頭例如：例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS布氏硬度

3、值布氏硬度值450450650650的材料的材料 選用選用硬質(zhì)合金球壓頭壓頭例如：例如：550HBW550HBW 600HBW 600HBW3.3.標注：標注： 符號符號HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。載荷及載荷保持時間。如如: :120HBS10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm的鋼的鋼球在球在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120。4. 特點：優(yōu)點：測量誤差小（因壓痕大），數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性

4、強。缺點：壓痕面積較大，測量費時。應(yīng)用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測量成品零件或薄件的硬度。( (二二) )洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )HR ( Rockwll hardness )1.1.壓頭：壓頭：120120金剛石圓錐體鋼球金剛石圓錐體鋼球鋼球鋼球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2.2.試驗原理：試驗原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值。00112332h1h2h3h1-1 1-1

5、初載初載10kg h110kg h12-2 2-2 總載總載150kg h2150kg h23-3 3-3 卸載卸載140kg h3140kg h3最后測得：最后測得：殘余壓痕深度增量 h hHR=C-h/0.002h=h3-h1h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度值的表示：洛氏硬度值的表示：7085HRA25100HRB2070HRCHRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小例如：例如： 50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 3.3.特點：特點：優(yōu)點優(yōu)點：測量操作簡單，方便快捷，壓痕小；測量范圍大，能測較薄工件。缺點缺點：測量精度較低，可比性差，

6、不同標尺的硬度值不能比較。應(yīng)用：( (三三) )維氏硬度維氏硬度 HVHV ( diamond penetrator hardness ) ( diamond penetrator hardness )維1.1.壓頭：壓頭： 錐面夾角為錐面夾角為136136的金剛石的金剛石正四棱錐體正四棱錐體2.2.試驗原理：試驗原理： 與布氏硬度試驗原理基本相同。 只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。 以一定的試驗力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時間卸載后，在試樣表面留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值。2.2.試驗原理：試驗原理：用壓痕兩對角線的平均長度來計算。H V=F/Saad3.3

7、.標注：標注： 與布氏硬度基本相同，在后面要標注試驗條件試驗力和保持時間（1015S不標）。 例：580HV30表示用30kgf (294.2N)試驗力保持1015S測定的維氏硬度值為580。4.4.特點：特點：優(yōu)點優(yōu)點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；能測較薄工件。缺點缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。應(yīng)用應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗。不適于大批生產(chǎn)和測量組織不均勻材料。韌性(toughness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。的能力。沖擊試驗ASTM E231.1.定義：定義：沖擊試驗機沖擊試驗機沖擊試

8、樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖2.2.金屬的夏比沖擊試驗金屬的夏比沖擊試驗: :試樣沖斷時所消耗的沖擊功試樣沖斷時所消耗的沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J)g g 沖擊韌度沖擊韌度a ak k 就是試樣缺口處單位截面積上所消就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。耗的沖擊吸收功。 AK a k = (J/cm) S03.3.韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度: :-40-20020204060akT(c)TT，a ak k急劇急劇韌性韌性脆性脆性脆性轉(zhuǎn)變溫度 FATT50 金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，材，材料的低溫沖擊韌性愈好。料的低溫沖擊

9、韌性愈好。沖擊試驗中的側(cè)向膨脹量“側(cè)向膨脹值按照ASTM A370的技術(shù)要求”。測微儀的讀數(shù)也應(yīng)得到認可，并應(yīng)該預(yù)先注意以下事項： eL=（ee1）mm 其中eL=側(cè)向膨脹值；試樣兩個平分段的A和B面，必須處于精確的同一平面（P）中。側(cè)向膨脹值應(yīng)取3次不同測量結(jié)果的平均值。 Pellini 落錘試驗（TNDT溫度的確定）試樣制備及試驗條件應(yīng)符合ASTM E208標準規(guī)定的要求。在進行每組試驗前應(yīng)確保重錘是從正確的高度（在+10%到0%的誤差范圍內(nèi)）自由墜落的。所用重錘的重量也是已知的。采用P3型試樣，其尺寸如圖MC1230.1所示。如果技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的RTNDT0，則按表MC1230.1所列溫

10、度進行試驗；如果技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的RTNDT16，則按表MC1230.2所列溫度進行試驗。圖圖437 落錘試驗裝置落錘試驗裝置1底座；2限位塊，3缺口；4落錘；6脆性焊道，6試樣ASTM E208 規(guī)定的一些技術(shù)條件 1.試樣形狀（其中一種見下頁） 2.打擊能量（按照材料屈服強度決定） 3.彎曲限度（由試樣形狀確定） 4.判斷標準（一邊或雙邊裂紋到邊）落錘試驗試樣基準無延性轉(zhuǎn)變溫度的確定RTNDT的溫度應(yīng)通過Pellini落錘試驗和KV沖擊試驗兩者確定。試驗溫度應(yīng)根據(jù)TNDT溫度確定。試驗應(yīng)按下列方法進行（關(guān)于KV試樣）：a） 以3個試樣為1組，其中每一個試樣在給定的溫度下同時滿足下列要求， 則

11、認為試驗有效：斷裂吸收能量68J；側(cè)向膨脹值0.9mm。b） 第一組試樣沖擊的溫度為： TCV1=TNDT+33如果滿足上述a）的條件，則： RTNDT=TNDT如果結(jié)果不能滿足上述a）的條件，則第二組試驗按照下列c）的規(guī)定進行試驗。c） 如果進行第二組試驗，第二組試樣的試驗溫度規(guī)定如下： TCV2= TCV1+5如果滿足上述a）的條件，則： RTNDT=TCV33d） 如果c）條規(guī)定溫度下的試驗，結(jié)果不能滿足上述a）的條件，則另外一些試驗應(yīng)在5的間隔溫度下進行試驗。直到求得滿足上述a）的條件的溫度TCV。則認為： RTNDT=TCV33斷裂韌度1 1、低應(yīng)力脆斷、低應(yīng)力脆斷 有些零件在工作應(yīng)

12、力遠遠低于屈服點時就會發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。式中：Y_裂紋的幾何形狀因子; _外加應(yīng)力（N/mm2）； a_裂紋的半長（mm）； K1_ 強度因子（MPam1/2或MNm-3/2）當K1達到臨界值K1C時，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展失穩(wěn)擴展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時，零件安全可靠。K K1 1= =YaYa2 2、應(yīng)力場強度因子、應(yīng)力場強度因子當K1達到臨界值K1C時，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)失穩(wěn)擴展擴展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時，零件安全可靠。3 3、斷裂韌度、斷裂韌度K K1C1C材料抵抗裂紋擴展的能力斷裂韌度表示。材料抵抗裂紋擴展

13、的能力斷裂韌度表示。 反應(yīng)材料有裂紋存在時，抵抗脆性斷裂的能力。 K1c可通過試驗來測定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。 為安全設(shè)計提供了一個重要的力學(xué)性能指標常見工程材料的斷裂韌度常見工程材料的斷裂韌度K1C值（值（MNm-3/2） 根據(jù)K1=Ya K1C的臨界判據(jù)知： 為使零件不發(fā)生脆斷，設(shè)計者可以控制三個參數(shù)：材料的斷裂韌度K1C 、名義工作應(yīng)力和零件內(nèi)的裂紋長度a，它們之間的定量關(guān)系能直接用于設(shè)計計算，可以解決以下三方面的工程實際問題： 1）根據(jù)零件的實際工作應(yīng)力和其內(nèi)可能的裂紋尺寸a，確定材料應(yīng)有的斷裂韌度K1C，為正確選材提供依據(jù)；2）根據(jù)零件所使用的材料斷裂韌度K1C及已探傷出的零件內(nèi)存在的裂紋尺寸a，確定零件的臨界斷裂應(yīng)力C，為零件最大承載能力設(shè)計提供依據(jù)；3）根據(jù)已知材料的斷裂韌度K1C和零件的實際工作應(yīng)力，估算斷裂時的臨界裂紋長度aC，為零件的裂紋探傷提供依據(jù)。 1、疲勞現(xiàn)象 零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時承受的應(yīng)力低于材料的屈服點或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞（ ）2、疲勞極限-1: 表示金屬材料在無數(shù)次交變載荷作表