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1、材料力学性能实验本讲稿第一页，共十六页硬度材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。早在1822年，Friedrichmohs提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体，这是所谓的摩氏硬度计。硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。本讲稿第二页，共十六页摩氏硬度计矿物的硬度矿物的软硬程度叫硬度。一般用两种不同的矿物互相刻划，
2、来比较矿物的相对硬度，德国矿物学家摩氏用这种互相刻划的方法，挑选了十种矿物作为衡量矿物硬度的标准，叫摩氏硬度计。如有一种未知硬度的矿物，用它能刻划正长石，但不能刻划石英，则此矿物的硬度可定为6.5度。其他可依此类推。本讲稿第三页，共十六页硬度分类1.划痕硬度：主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。本讲稿第四页，共十六页硬度分类2.压入硬度。主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以
3、及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。本讲稿第五页，共十六页硬度分类3.回跳硬度。主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。本讲稿第六页，共十六页布氏硬度布氏硬度范围为8650HBW布氏硬度的测定原理是用一定大小的试验力F(N),把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径d(mm)，然后按公式求出布氏硬度HB值，或者根据d 从已备好的布氏硬度表中查出
4、HB值。HBS（HBW）=F/S=2F/DD-(D2-d2)1/2HBS表示用淬火钢球压头测量的布氏硬度值。适用范围：小于450；HBW表示用硬质合金压头测量的布氏硬度值。适用范围：450650本讲稿第七页，共十六页本讲稿第八页，共十六页布氏硬度的特点及测量范围布氏硬度的特点及测量范围布氏硬度特点：布氏硬度特点：优点：测量数值稳定，准确，能较真实地反映材料的平均硬度；缺点：压痕较大，操作慢，不适用批量生产的成品件和薄形件布氏硬度测量范围：布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）本讲稿第九页，共十六页布氏硬度表
5、示方法布氏硬度表示方法符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120本讲稿第十页，共十六页洛氏硬度洛氏硬度用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F的作用下，将压头压入材料表面，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。HR=K-h/0.002K常数，金刚石压头取值100，球形压头取值130本讲稿第十一页，共十六页常用洛氏
6、硬度的试验条件和应用范围常用洛氏硬度的试验条件和应用范围洛氏硬度测量条件：洛氏硬度测量条件：洛氏硬度可以测量从软到硬较大范围的硬度值，根据被测对象硬度值大小不同，可用不同的压头和试验力，如下表。本讲稿第十二页，共十六页洛氏硬度特点及测量范围洛氏硬度特点及测量范围洛氏硬度特点：洛氏硬度特点：优点：测量迅速、简便、压痕小、硬度测量范围大，缺点：数据准确性、稳定性、重复性不如布氏硬度洛氏硬度测量范围：洛氏硬度测量范围：可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材料（如上表所示）本讲稿第十三页，共十六页维氏硬度：维氏硬度：HV维氏硬度测量原理：维氏硬度测量原理：与布氏硬度相似。采用相对面夹角为136
7、o金刚石正四棱锥压头，以规定的试验力F压入材料的表面，保持规定时间后卸除试验力，用正四棱锥压痕单位表面积上所受的平均压力表示硬度值。维氏硬度特点：维氏硬度特点：测量范围大，可测量硬度为101000HV范围的材料；量压痕小。维氏硬度应用：维氏硬度应用：可测量较薄的材料渗碳、渗氮等表面硬化层。本讲稿第十四页，共十六页硬度相互换算上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试验结果不能直接进行比较，应查阅硬度换算表进行比较。各种硬度的换算经验公式：硬度在200600HBS时：1HRC相当于10HBS；硬度小于450HBS时：1HBS相当于1HV利用布氏硬度压痕直径直接换算出工件的洛氏硬度：根据布氏
8、硬度和洛氏硬度换算表，可归纳出一个计算简单且容易记住的经验公式：HRC=（479-100D）/4，其中D为10mm钢球压头在30KN压力下压在工件上的压痕直径测量值。该公式计算出的值与换算值的误差在0.5-1范围内，该公式在现场用起来十分方便。本讲稿第十五页，共十六页冲击韧性定义：冲击试样的冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积的商。用“aK”表示。是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）。冲击韧性或冲击功试验（简称“冲击试验”），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为“V”形缺口
9、和“U”形缺口冲击试验两种。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。冲击韧性（冲击值）ak：工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。因此，冲击韧度ak表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。ak值的大小表示材料的韧性好坏。一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。ak值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使ak值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。因此不同类型和尺寸的试样，其ak或Ak值不能直接比较。本讲稿第十六页，共十六页