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1、材料的机械特性测量本讲稿第一页，共二十七页第一部分：第一部分：材料的机械特性测量材料的机械特性测量本讲稿第二页，共二十七页材料的机械特性主要就是指材料的力学特性，如材料的抗压能力、形变性能、断裂和摩擦等，主要反映在一些物理量上，如，硬度、弹性模量（杨氏模量）、屈服强度等。以金属为例，介绍一下硬度及其测量。本讲稿第三页，共二十七页硬度：硬度：硬度是指金属在表面上的不大体积内抵抗变形或者破裂的能力。究竟它表征哪一种抗力则决定于采用的实验方法，如刻划法型硬度实验则表征抵抗破裂的能力，而压入法型硬度实验则表征表征金属抵抗变形的能力。生产中应用最多的是压入法硬度。大致常用的是：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬
2、度和显微硬度。本讲稿第四页，共二十七页Po1/2Dba1/2ddt1/2D-t布氏硬度：布氏硬度：基本原理：布氏硬度实验始于1900年，在直径D的钢珠上，加一定负荷P,压入被试金属的表面，根据金属表面压痕的陷凹面积A计算出应力值，以此值作为硬度值大小的计量指标，HB本讲稿第五页，共二十七页有上式可知，在P和D一定时，HB的高低取决于t的大小，二者成反比。在实际测定时，由于测定t较困难，而测定陷凹直径d却较容易，根据几何知识可得：则：本讲稿第六页，共二十七页上式中只有d是变数，故实验时只要测出d即可计算出HB值。（在生产中P和D都有规定值，故布氏硬度已经计算出成表，查表即得硬度值。）实验规程：实
3、验规程：布氏硬度的基本条件是负荷P和钢球直径D必须事先确定，这样得到的数据才能进行比较。如果都采用一个标准的P和D，对于硬合金适用，对软合金就不适用了，整个钢球将陷入材料中，同样对厚材料适用，对薄的材料就不适用，容易压透。压痕直径d和钢球的直径D的比值不能太大或太小，否则HB失真。一般,0.2Dd70测硬质合金、淬火层、渗碳层、气化层等零部件HRB2.5或5钢球10025-100(HB60-230)测有色金属、退火、正火、回火等零部件HRC1200金刚石圆锥15020-67(HB230-700)测调质钢、淬火钢等零部件HRA(金刚石圆锥压头，60kgf负荷）；HRB(1/16钢球压头、100k
4、gf负荷）；HRC（金刚石圆锥压头、150kgf负荷）本讲稿第十一页，共二十七页由于洛氏硬度是以压痕陷凹深度t作为计量硬度值的指标，在同一级硬度下，如果t越大，则表明硬度大，是反比关系。不符合习惯，为此用选定的常数来减去测量值t,以其差来标志洛氏硬度值。常数为0.2mm(用于HRA、HRC)和0.26mm(用于HRB)，在读数上规定0.002mm为一度，这样第一个常数为100度，第二个为130度。实验机的表盘为100格/周。本讲稿第十二页，共二十七页优缺点：优缺点：优点：1）有硬、软质两种压头，故适应于不同硬质材料，不存在压头变形问题。2）压痕小，不伤工件表面。3）操作迅速立即得出数据。缺点：
5、不同硬度级别的硬度无法统一。洛氏硬度实验技术条件在国标GB/T230-91。本讲稿第十三页，共二十七页维氏硬度：维氏硬度：维氏硬度试验方法始于1925年。其原理和布氏硬度相同，也是根据单位压痕陷凹面积上承受的负荷，即应力值作为硬度值的计量指标。不同：维氏硬度压头为锥面夹角为136o的四方角锥体，金刚石制成。采用四方角锥的原因是针对布氏硬度必须满足P/D2为定值的缺点，采用四角锥，当负荷改变时压入角不变，因此负荷可以任意选择。之所以采用136o，为了和布氏硬度值得到最好搭配。因为布氏试验中0.5Dd0.25D,当时，通过此压痕直径作钢球的切线，切线的夹角正好等于136o。本讲稿第十四页，共二十七
6、页D0.375Dd这样布氏硬度和维氏硬度一致了。而压痕陷凹面积A则维氏硬度Hv:本讲稿第十五页，共二十七页优缺点：优缺点：优点：1）不存在P和D的约束条件及压头变形问题。2）不存在洛氏硬度无法统一的缺点。缺点：硬度值需要通过测量对角线后才能计算出，效率低。维氏硬度实验技术条件在国标GB4340-84。本讲稿第十六页，共二十七页显微硬度显微硬度显微硬度所用的载荷很小，所用压头两种：一种是维氏压头。和宏观的维氏压头一样，只是在金刚石四方锥的制造和测量上更加严格；另一种是努氏压头，是一菱形的金刚锥。在纵向上锥体的顶角为172o30,横向上锥体的顶角为130o，压痕长短对角线之比约为7:1，压痕的深度
7、约为其长度的1/30。努氏硬度：A是投影面积，l是长对角线的长度以um计，C是制造厂家提供的常数。本讲稿第十七页，共二十七页l130o172o30硬度换算硬度换算各种硬度之间线性回归关系：各种硬度之间线性回归关系：HRC=6.96+0.089HB(323HB501)HRC=8.32+0.0834HV(329HV517)HB=15.28+0.938HV(329HV517)HV:洛氏 HB：布氏 HR:洛氏 HK：努氏 微观硬度的测量主要是纳米压痕仪！以介绍过，不再重复了。本讲稿第十八页，共二十七页椭圆偏振仪测量薄膜的厚度与折射率椭圆偏振仪测量薄膜的厚度与折射率椭圆偏振仪是利用光学测量薄膜的厚度和
8、折射率，属于反射谱法。具有以下特点：1.可测量的薄膜很薄，可到几纳米。2.精度高、非破坏和非接触测量。简要原理：简要原理：光波可以分解为两个互相垂直的线形椭圆偏振的S波和P波，若S波和P波的相位差不等于 的整数倍时，合成的光波为椭圆偏振光。当椭圆偏振光通过薄膜时，其反射和折射的偏振态将发生变化，由此可以推出薄膜的厚度和折射率。本讲稿第十九页，共二十七页d总的反射光为各个之和。相邻光束之间的光程差为：对应的相位差：本讲稿第二十页，共二十七页设入射光和反射光振幅的两分量在两界面上分别为：由菲涅尔反射公式、麦克斯韦方程和边界条件可得反射系数：本讲稿第二十一页，共二十七页薄膜的总的反射系数：引入反射系
9、数之比等于 RP/Rs=tan exp(i)=f(n1,n2,n3,，d，）tantan 表示反射前后P分量和S分量相对振幅变化之比。表示反射前后P分量和S分量位相变化之差。本讲稿第二十二页，共二十七页椭偏仪的光路图椭偏仪的光路图光源起偏器检偏器波片光阑光电探测器样品本讲稿第二十三页，共二十七页测量反射系和数比线形偏振光的偏振角为P（可以直接读出），1/4波片的光轴方向位被安置在45度处，经过它后得到A快、A慢。且 相差90度。YX慢快A0这样获得振幅相等，位相差为2P-90度的等幅椭圆偏振光。本讲稿第二十四页，共二十七页上述等幅椭偏光以 角入射样品表面，反射后也有两个分量。则若经样品反射的光为线偏振，即：本讲稿第二十五页，共二十七页值为检偏器方位角A的读数。改变P值得线偏振光有2种情况。（1）P角记为P1，此时A记为A1，且0A190度。本讲稿第二十六页，共二十七页（2）P角记为P2，此时A记为A2，且90A2180度。测得反射消光时的（A1、P1）或（A2、P2），便可以得出、值，也就得出反射系数比，再查表就可得厚度和折射率。本讲稿第二十七页，共二十七页