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1、材料物理第四章1 1本讲稿第一页，共九十二页 弹性模量弹性模量E E 描述应力和应变之间的比例关描述应力和应变之间的比例关 系。系。延伸率延伸率 断面伸缩率断面伸缩率 冲击韧性冲击韧性kk 抗冲击的能力抗冲击的能力（主要用于低（主要用于低 温）温）硬度硬度G G描述材料软硬的程度等。描述材料软硬的程度等。2 2本讲稿第二页，共九十二页 材料的强度是材料力学性能中最重要的一项，尤其对材料的强度是材料力学性能中最重要的一项，尤其对于结构材料来说，材料的强度更是决定该材料是否胜任实于结构材料来说，材料的强度更是决定该材料是否胜任实际要求的关键。所以设计和生产在室温及高温、低温下都际要求的关键。所以设
2、计和生产在室温及高温、低温下都具有相对强度的材料有着十分重要的实际意义。具有相对强度的材料有着十分重要的实际意义。决定材料强度的关键因素决定材料强度的关键因素 1.1.原子之间的结合力原子之间的结合力 我们对原子之间的键合类型和结合力难以施加什么影我们对原子之间的键合类型和结合力难以施加什么影响，难以去改变键合类型和结合力来强化材料。在这方面，响，难以去改变键合类型和结合力来强化材料。在这方面，一般常见的方法就是形成新的相（因为新相中的原子键合一般常见的方法就是形成新的相（因为新相中的原子键合类型和结合力自然不同）。类型和结合力自然不同）。3 3本讲稿第三页，共九十二页 2.位错位错 我们有很
3、多方法来影响材料中的位我们有很多方法来影响材料中的位错，通过影响位错的运动来达到强化材错，通过影响位错的运动来达到强化材料的目的。所以可以说，近代金属物理料的目的。所以可以说，近代金属物理领域中的最大成果就是关于材料中的位领域中的最大成果就是关于材料中的位错的研究。错的研究。4 4本讲稿第四页，共九十二页 提高材料屈服强度的方法很多提高材料屈服强度的方法很多：（1 1）通过热处理方法）通过热处理方法方便，但要求它在固态下方便，但要求它在固态下发生相变，满足这种要求的合金包括在固态下经发生相变，满足这种要求的合金包括在固态下经历有序历有序无序转变的合金，伴随这一过程出现的无序转变的合金，伴随这一
4、过程出现的材料强化称为材料强化称为有序强化有序强化，它在许多方面类似于沉，它在许多方面类似于沉淀强化。通常利用的与热处理有关的强化方式是淀强化。通常利用的与热处理有关的强化方式是过饱和固溶体的沉淀强化和共析分解反应的共析过饱和固溶体的沉淀强化和共析分解反应的共析强化。如果该材料的相图中没有共析相变反应，强化。如果该材料的相图中没有共析相变反应，自然不可能采用共析分解强化。自然不可能采用共析分解强化。5 5本讲稿第五页，共九十二页（2）对于没有塑性变形的脆性材料，无法利用冷对于没有塑性变形的脆性材料，无法利用冷加工方法来强化材料。加工方法来强化材料。表征材料力学性能的最常用的参数是拉伸试表征材料
5、力学性能的最常用的参数是拉伸试验所得到的屈服强度和断裂强度。弯曲试验常用验所得到的屈服强度和断裂强度。弯曲试验常用来表示脆性材料的拉伸性能。硬度试验也可在一来表示脆性材料的拉伸性能。硬度试验也可在一定程度上表示材料的拉伸强度。但是，即使材料定程度上表示材料的拉伸强度。但是，即使材料工作的应力低于断裂强度或屈服强度，也并不意工作的应力低于断裂强度或屈服强度，也并不意味着材料的使用就一定安全。如果材料所受的负味着材料的使用就一定安全。如果材料所受的负载是动态而不是静态的，就要用冲击韧性来表示载是动态而不是静态的，就要用冲击韧性来表示它的抗断裂性能。它的抗断裂性能。6 6本讲稿第六页，共九十二页 由
6、于材料中总是免不了有裂纹产生，此时要由于材料中总是免不了有裂纹产生，此时要用断裂韧性来表示这些裂纹在材料中的扩展行为。用断裂韧性来表示这些裂纹在材料中的扩展行为。如果材料在高温下使用，即使它所受应力远远低如果材料在高温下使用，即使它所受应力远远低于屈服应力，也可能发生塑性形变。此时要用蠕于屈服应力，也可能发生塑性形变。此时要用蠕变强度来表示材料的性能。还有，如果所受应力变强度来表示材料的性能。还有，如果所受应力为循环状态，那么材料的安全性也会打折扣。此为循环状态，那么材料的安全性也会打折扣。此时要用到疲劳强度的概念。时要用到疲劳强度的概念。7 7本讲稿第七页，共九十二页 4.2力学实验与材料性
7、能力学实验与材料性能 选材原则选材原则：分析材料使用环境分析材料使用环境判断材料应具有什么性判断材料应具有什么性 能能?材料应具有材料应具有强度、刚度、韧性？强度、刚度、韧性？材料承受的载荷材料承受的载荷周期性变化的、冲击、高周期性变化的、冲击、高 温？温？8 8本讲稿第八页，共九十二页 对实际晶体材料来说，制备再小心，也总会有一对实际晶体材料来说，制备再小心，也总会有一些点阵缺陷，这些缺陷严重影响那些对晶体结构敏感些点阵缺陷，这些缺陷严重影响那些对晶体结构敏感的材料的力学性能。的材料的力学性能。硬度硬度耐磨性能。耐磨性能。冲击冲击抗断裂能力，用于动载荷，如吊钩。抗断裂能力，用于动载荷，如吊钩
8、。延伸率延伸率表征材料的塑性程度。表征材料的塑性程度。疲劳疲劳 使用寿命。使用寿命。9 9本讲稿第九页，共九十二页 4.2.1拉伸实验拉伸实验 屈服强度屈服强度开始发生开始发生 塑性变形时所对应的塑性变形时所对应的 应力，用应力，用s 来表示。来表示。对于金属来说，也是对于金属来说，也是 位错开位错开 始滑移所需始滑移所需 的应力。的应力。试验机试验机：一般常用机：一般常用机 械拉伸机、液压拉伸械拉伸机、液压拉伸 机。机。图图图图4.1 4.1 拉伸试验方法示意图拉伸试验方法示意图拉伸试验方法示意图拉伸试验方法示意图1010本讲稿第十页，共九十二页 标准试件标准试件：试件中部等截面段的直径为试
9、件中部等截面段的直径为d，试件中段用，试件中段用来测量变形的长度来测量变形的长度l叫标距，通常取叫标距，通常取l=5d或或l=10d。1111本讲稿第十一页，共九十二页 试验时，将试件两端装入试验机卡头内，开试验时，将试件两端装入试验机卡头内，开动试验机对试件加拉力动试验机对试件加拉力P，其大小可由试验机上，其大小可由试验机上的测力装置读出。载荷的测力装置读出。载荷P由零缓慢增加，同时试由零缓慢增加，同时试件逐渐伸长，标距段的伸长件逐渐伸长，标距段的伸长l可用测量变形的仪可用测量变形的仪表（引伸仪或变形仪）量得。将直至拉断前拉伸表（引伸仪或变形仪）量得。将直至拉断前拉伸过程中的载荷过程中的载荷
10、P和对应的伸长和对应的伸长l记录下来，以记录下来，以l为横坐标，以为横坐标，以P为纵坐标就可画出为纵坐标就可画出Pl曲线。曲线。这曲线叫这曲线叫拉伸图拉伸图。它描写了从开始加载到破坏为。它描写了从开始加载到破坏为止，试件承受的载荷和变形发展的全过程。止，试件承受的载荷和变形发展的全过程。1212本讲稿第十二页，共九十二页 低碳钢拉伸时的力学性质低碳钢拉伸时的力学性质 应力：应力：应变：应变：1313本讲稿第十三页，共九十二页（1）弹性阶段弹性阶段OA 从应力从应力应变曲线上看出，这阶段应变值始应变曲线上看出，这阶段应变值始终很小。而且如果将载荷卸去，变形立即全部恢终很小。而且如果将载荷卸去，变
11、形立即全部恢复，这种变形称作弹性变形。称这一阶段为弹性复，这种变形称作弹性变形。称这一阶段为弹性阶段。在这一直线线段内材料服从虎克定律。阶段。在这一直线线段内材料服从虎克定律。超过超过A点，试件除弹性变形外还产生塑性变点，试件除弹性变形外还产生塑性变形，即超过形，即超过A点后如将载荷撤掉，弹性变形完全点后如将载荷撤掉，弹性变形完全恢复，而另外遗留下来的变形不能恢复，称为塑恢复，而另外遗留下来的变形不能恢复，称为塑性变形。性变形。1414本讲稿第十四页，共九十二页（2）流动阶段流动阶段BC 应力超过应力超过A点后，点后，曲线渐弯，到达曲线渐弯，到达B点点后，图形上出现一条水平线后，图形上出现一条
12、水平线BC，即应力几乎不，即应力几乎不增加而应变却大量增长，材料好像暂时失去了对增加而应变却大量增长，材料好像暂时失去了对变形的抵抗能力。这种现象称为屈服。这时的应变形的抵抗能力。这种现象称为屈服。这时的应力称为力称为屈服强度屈服强度。在应力在应力应变曲线上有时可以看到上下屈服应变曲线上有时可以看到上下屈服点，这部分放大后如下图所示。本来，材料在下点，这部分放大后如下图所示。本来，材料在下屈服点屈服点1 1对应的应力作用下就能发生塑性变形，对应的应力作用下就能发生塑性变形，但由于位错周围存在一些小的间隙型杂质原子，但由于位错周围存在一些小的间隙型杂质原子，阻碍了位错的滑移，使得屈服应力增加到上
13、屈服阻碍了位错的滑移，使得屈服应力增加到上屈服点点2 2。一旦位错在上屈服点应力。一旦位错在上屈服点应力2 2的作用的作用1515本讲稿第十五页，共九十二页 下开始滑移，摆脱了那些杂质原子的阻碍后，位下开始滑移，摆脱了那些杂质原子的阻碍后，位错就可以在下屈服点的应力错就可以在下屈服点的应力1作用下继续滑移。作用下继续滑移。1616本讲稿第十六页，共九十二页（3）强化阶段强化阶段CD 在在CD段应力持续增加，这表明试样形变时段应力持续增加，这表明试样形变时发生了硬化现象，这就是加工硬化（冷作硬化发生了硬化现象，这就是加工硬化（冷作硬化加工过程中表面层产生的塑性变形使晶体间产生加工过程中表面层产生
14、的塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶格严重扭曲，并产生晶粒的拉长、剪切滑移，晶格严重扭曲，并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，引起材料的强化，这就是冷作硬破碎和纤维化，引起材料的强化，这就是冷作硬化现象。也可定义为：在常温下经过塑性变形后化现象。也可定义为：在常温下经过塑性变形后材料的强度提高，塑性降低的现象）。材料的强度提高，塑性降低的现象）。在试件内所有晶粒都发生了滑移之后，沿晶在试件内所有晶粒都发生了滑移之后，沿晶粒错动面产生了新的阻力。要使试件继续变形，粒错动面产生了新的阻力。要使试件继续变形，1717本讲稿第十七页，共九十二页 必须增加外力，这种现象称为材料强化。例如，必须增加外力，这种现
15、象称为材料强化。例如，对起重机的钢丝绳采用冷拔工艺，对某些型钢采对起重机的钢丝绳采用冷拔工艺，对某些型钢采用冷轧工艺均可使材料强度有所提高。用冷轧工艺均可使材料强度有所提高。（4）颈缩阶段颈缩阶段DE D点过后，试件局部显著变细，出现颈缩现点过后，试件局部显著变细，出现颈缩现象。由于象。由于“颈缩颈缩”，试件截面显著缩小，因此使，试件截面显著缩小，因此使试件继续变形所需的载荷反而减小了。到达试件继续变形所需的载荷反而减小了。到达E点点试件断裂。试件断裂。s s和和b b 是衡量材料强度的重要指标是衡量材料强度的重要指标 s 表示材料进入塑性变形；表示材料进入塑性变形；b 表示材料最大的抵抗能力
16、，表示材料最大的抵抗能力，D点所对应的点所对应的 应力。应力。1818本讲稿第十八页，共九十二页图图图图4.5 4.5 不同材料的应力不同材料的应力不同材料的应力不同材料的应力应变曲线应变曲线应变曲线应变曲线1919本讲稿第十九页，共九十二页 4.2.24.2.2弯曲试验弯曲试验弯曲试验弯曲试验 1.1.弯曲试验的特点弯曲试验的特点 弯曲试验作为一种试验方法，具有以下两个方面的特点。弯曲试验作为一种试验方法，具有以下两个方面的特点。弯曲试验作为一种试验方法，具有以下两个方面的特点。弯曲试验作为一种试验方法，具有以下两个方面的特点。(1)弯曲试验的试样形状简单、操作方便，不存在拉伸弯曲试验的试样
17、形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的试样偏斜（力的作用线不能准确通过拉伸试样的轴试验时的试样偏斜（力的作用线不能准确通过拉伸试样的轴线而产生附加弯曲应力）对试验结果的影响，并可用试样弯线而产生附加弯曲应力）对试验结果的影响，并可用试样弯曲的挠度显示材料的塑性。因此，弯曲试验方法常用于测定曲的挠度显示材料的塑性。因此，弯曲试验方法常用于测定铸铁、铸造合金、工具港及硬质合金等脆性与低塑性材料的铸铁、铸造合金、工具港及硬质合金等脆性与低塑性材料的强度和显示塑性的差别。强度和显示塑性的差别。(2)(2)弯曲试验时，试样表面应力最大，可较灵敏地反映材弯曲试验时，试样表面应力最大，可较灵敏地反映材弯曲试
18、验时，试样表面应力最大，可较灵敏地反映材弯曲试验时，试样表面应力最大，可较灵敏地反映材料表面缺陷。因此，常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层料表面缺陷。因此，常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层料表面缺陷。因此，常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层料表面缺陷。因此，常用来比较和鉴别渗碳层和表面淬火层等表面热处理机件的质量和性能。等表面热处理机件的质量和性能。等表面热处理机件的质量和性能。等表面热处理机件的质量和性能。2020本讲稿第二十页，共九十二页 2.弯曲试验弯曲试验 作弯曲试验时，将圆柱形或矩形试样放置在作弯曲试验时，将圆柱形或矩形试样放置在一定跨距一定跨距Ls的支座上，进行三点弯曲（如图的支
19、座上，进行三点弯曲（如图4.6a）或四点率曲（图）或四点率曲（图4.6b）加载，通过记录）加载，通过记录弯曲力弯曲力F和试样挠度和试样挠度f之间的关系曲线（图之间的关系曲线（图4.7），），确定金属在弯曲力作用下的力学性能。确定金属在弯曲力作用下的力学性能。2121本讲稿第二十一页，共九十二页 试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力试样在弹性范围内弯曲时，受拉侧表面的最大弯曲应力按下式计算：按下式计算：（4-1）式中式中式中式中 M最大弯矩；最大弯矩；最大弯矩；最大弯矩；对于三点弯曲加载对
20、于三点弯曲加载对于三点弯曲加载对于三点弯曲加载 （4-2）对于四点弯曲加载对于四点弯曲加载 （4-34-3）WW试样抗弯截面系数。对于直径为试样抗弯截面系数。对于直径为d的圆柱试样，的圆柱试样，W=(d2)/32；对于宽度为；对于宽度为b b、高度为、高度为h h的矩形试样，的矩形试样，的矩形试样，的矩形试样，W=(W=(bhbh2 2)/6。2222本讲稿第二十二页，共九十二页 脆性或低塑性金属材料的弯曲试验可测定下脆性或低塑性金属材料的弯曲试验可测定下列主要性能指标。列主要性能指标。(1)规定非比例弯曲应力规定非比例弯曲应力ph 试样弯曲时，外试样弯曲时，外侧表面上的非比例弯曲应变（侧表面
21、上的非比例弯曲应变（ph）达到规定值）达到规定值时，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力，时，按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力，称为规定非比例弯曲应力。例如，规定非比例弯称为规定非比例弯曲应力。例如，规定非比例弯曲应变曲应变ph为为0.01%或或0.2%时的弯曲应力，时的弯曲应力，分别记为分别记为ph0.01或或ph0.2。在图在图4.7所示的弯曲力所示的弯曲力-挠度曲线上，过挠度曲线上，过O点截点截取相应于规定非比例弯曲应变的线段取相应于规定非比例弯曲应变的线段OC，其长，其长度按下式计算：度按下式计算：2323本讲稿第二十三页，共九十二页 在图在图4.7所示的弯曲力所示的弯曲力-挠度曲
22、线上，过挠度曲线上，过O点点截取相应于规定非比例弯曲应变的线段截取相应于规定非比例弯曲应变的线段OC，其，其长度按下式计算：长度按下式计算：对于三点弯曲加载对于三点弯曲加载 （4-4）对于四点弯曲加载对于四点弯曲加载 （4-5）式中式中 n挠度放大系数；挠度放大系数；Y圆形试样的半径（圆形试样的半径（d/2）或矩形试样）或矩形试样的制备（的制备（h/2）。）。2424本讲稿第二十四页，共九十二页 过过C点作弹性直线段的平行线点作弹性直线段的平行线CA交曲线于交曲线于A点，点，A点所对应的力值与所测得规定非比例弯曲应力点所对应的力值与所测得规定非比例弯曲应力Fph，然后按式，然后按式4-2或式或
23、式4-3计算出最大弯矩计算出最大弯矩M，再按式，再按式4-1计算出规定非比例弯曲应力。计算出规定非比例弯曲应力。图4.7 2525本讲稿第二十五页，共九十二页 (2)抗弯曲强度抗弯曲强度bb 试样弯曲至断裂前达到最大弯曲力，试样弯曲至断裂前达到最大弯曲力，按弹性弯曲公式计算的最大弯曲应力，称为抗弯强度。从图按弹性弯曲公式计算的最大弯曲应力，称为抗弯强度。从图4.7所示的曲线上所示的曲线上B点读取相应的最大弯曲应力点读取相应的最大弯曲应力点读取相应的最大弯曲应力点读取相应的最大弯曲应力Fbb，或从试，或从试，或从试，或从试验机测力度盘上直接读出验机测力度盘上直接读出验机测力度盘上直接读出验机测力
24、度盘上直接读出F Fbbbb，然后按式，然后按式，然后按式，然后按式4-2或或或或4-34-3计算出断计算出断裂前的最大弯曲，再按式裂前的最大弯曲，再按式4-14-1计算出弯曲强度。计算出弯曲强度。此外，从弯曲力此外，从弯曲力此外，从弯曲力此外，从弯曲力-挠度曲线上还可测出弯曲弹性模量挠度曲线上还可测出弯曲弹性模量Eb、断裂挠度断裂挠度断裂挠度断裂挠度fb b及断裂能量及断裂能量UU（曲线下所包围的面积）等性能指（曲线下所包围的面积）等性能指标。标。弯曲试样所用圆形截面试样的直径弯曲试样所用圆形截面试样的直径d为为545mm545mm，矩，矩形截面试样的形截面试样的hb为为5mm7.5mm（或
25、（或5mm5mm5mm5mm）至）至）至）至30mm40mm（或（或（或（或3030mm3030mm）。试样的跨距）。试样的跨距LsLs为直径为直径d或高度或高度或高度或高度h的的1010倍。要求试样有一定的加工精度，但倍。要求试样有一定的加工精度，但对铸件进行弯曲试验的铸造试样表面可不加工。对铸件进行弯曲试验的铸造试样表面可不加工。2626本讲稿第二十六页，共九十二页 4.2.3硬度试验硬度试验 定义：表示材料抵抗他物压入的能力。它在机械定义：表示材料抵抗他物压入的能力。它在机械制造中具有特殊的意义。由硬度可大体推测材料制造中具有特殊的意义。由硬度可大体推测材料的其它性质，如强度限、塑性等，
26、利用硬度还可的其它性质，如强度限、塑性等，利用硬度还可检查材料性质是否均匀以及构件表面处理的情况。检查材料性质是否均匀以及构件表面处理的情况。2727本讲稿第二十七页，共九十二页 金属硬度试验与轴向拉伸试验一样，也是应金属硬度试验与轴向拉伸试验一样，也是应用最广泛的力学性能试验方法。硬度试验的方法用最广泛的力学性能试验方法。硬度试验的方法很多，大体上可分为弹性回跳法（如肖氏硬度）、很多，大体上可分为弹性回跳法（如肖氏硬度）、压入法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）压入法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）和划痕法（如莫氏硬度）等三类。所谓和划痕法（如莫氏硬度）等三类。所谓“肖氏肖氏”、“布氏
27、布氏”、“维氏维氏”等是以首先提出这种硬度试等是以首先提出这种硬度试验方法的人的姓氏或以首先产生这种硬度计的厂验方法的人的姓氏或以首先产生这种硬度计的厂名来命名的。名来命名的。硬度试验一般仅在金属表面局部体积内产生硬度试验一般仅在金属表面局部体积内产生很小的压痕，因而很多机件可在成品上试验，而很小的压痕，因而很多机件可在成品上试验，而无需专门加工试样。采用硬度试验也是易于检查无需专门加工试样。采用硬度试验也是易于检查金属表面层的质量（如脱碳）、表面淬火和化学金属表面层的质量（如脱碳）、表面淬火和化学热处理后的表面性能等。热处理后的表面性能等。2828本讲稿第二十八页，共九十二页 硬度试验由于设
28、备简单操作方便迅速，同时硬度试验由于设备简单操作方便迅速，同时又能敏感地反映出金属材料的化学成分和组织结又能敏感地反映出金属材料的化学成分和组织结构的差异，因而被广泛用于检查金属材料的性能、构的差异，因而被广泛用于检查金属材料的性能、加工工艺的质量或研究金属组织结构的变化。因加工工艺的质量或研究金属组织结构的变化。因此，硬度试验特别是压入硬度试验在生产及科学此，硬度试验特别是压入硬度试验在生产及科学研究中得到了广泛的应用。现对几种常见的硬度研究中得到了广泛的应用。现对几种常见的硬度试验分述如下。试验分述如下。2929本讲稿第二十九页，共九十二页 1.布氏硬度试验 布氏硬度试验的原理是用一定直径
29、布氏硬度试验的原理是用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球为压头，施以一）的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力定的试验力F（kfg或或N），将其压入试样表面），将其压入试样表面（图（图4.8a），经规定保持时间），经规定保持时间t（s）后卸除试）后卸除试验力，试验表面将残留压痕（图验力，试验表面将残留压痕（图4.8b）。测量）。测量压痕平均直径压痕平均直径d（mm），求得压痕球形面积），求得压痕球形面积A（mm2）。布氏硬度值（）。布氏硬度值（HB）就是试验力）就是试验力F除以压痕球形表面积除以压痕球形表面积A所得的商，其计算公式为所得的商，其计算公式为 （4-6）通常，布氏硬度值不标出
30、单位。通常，布氏硬度值不标出单位。3030本讲稿第三十页，共九十二页 由于压头的材料不同，因此布氏硬度值用不同的符号表由于压头的材料不同，因此布氏硬度值用不同的符号表示，以示区别。当压头为淬火钢球时，其符号为示，以示区别。当压头为淬火钢球时，其符号为HBSHBS（适（适用于布氏硬度值在用于布氏硬度值在450以下的材料）；当压头为硬质合金以下的材料）；当压头为硬质合金时，其符号为时，其符号为HBWHBW（适用于布氏硬度值在（适用于布氏硬度值在450650以上以上的材料）。的材料）。3131本讲稿第三十一页，共九十二页 对于材料相同而厚度不同的工件，味蕾测得对于材料相同而厚度不同的工件，味蕾测得相
31、同的布氏硬度值，在选配压头直径相同的布氏硬度值，在选配压头直径D及试验力及试验力F时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角入角保持不变），如图保持不变），如图4.9所示。所示。为此，应使为此，应使3232本讲稿第三十二页，共九十二页 对于软硬不同的材料，为了测得统一的、可对于软硬不同的材料，为了测得统一的、可比较的硬度值，应选用不同的比较的硬度值，应选用不同的F/D2比值，以便比值，以便将压入角将压入角限制在限制在2874范围内（实践表明，范围内（实践表明，当在这一范围内时，试验力的变化对布氏硬度值当在这一范围内时，试验力的变化对布氏硬度值不会产生太
32、大的影响），与此相应的压痕直径不会产生太大的影响），与此相应的压痕直径d应控制在（应控制在（0.240.6）D之间。之间。布氏硬度试验用的压头直径有布氏硬度试验用的压头直径有10、5、2.5、1.25、和、和1七种。主要根据所试材料的种类及硬七种。主要根据所试材料的种类及硬度范围再按照表度范围再按照表4-4的规定进行选择。的规定进行选择。3333本讲稿第三十三页，共九十二页 当压头直径当压头直径D及及F/D2的比值选定后，试验力的比值选定后，试验力F也就随之确定了。也就随之确定了。对于黑色金属，试验力的保持时间为对于黑色金属，试验力的保持时间为1015s，对于有色金属为，对于有色金属为30s，
33、对于，对于35HBS的材料为的材料为60s。3434本讲稿第三十四页，共九十二页 布氏硬度试验一般采用直径较大的压头，因布氏硬度试验一般采用直径较大的压头，因而所得压痕面积较大。压痕面积大的一个优点是而所得压痕面积较大。压痕面积大的一个优点是其硬度只能反映金属在较大范围内各组成相的平其硬度只能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀性的影均性能，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响。因此，布氏硬度试验特别是用于测定灰铸铁、响。因此，布氏硬度试验特别是用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。压痕较大的另
34、一个优点是试验数据稳定，硬度。压痕较大的另一个优点是试验数据稳定，重复性强。重复性强。布氏硬度试验的缺点是对不同材料需更换压布氏硬度试验的缺点是对不同材料需更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，头直径和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检测时受到限制；当压痕直径较大因而用于自动检测时受到限制；当压痕直径较大时不宜在成品上进行试验。时不宜在成品上进行试验。3535本讲稿第三十五页，共九十二页 2.2.洛氏硬度试验洛氏硬度试验洛氏硬度试验洛氏硬度试验 洛氏硬度试验的原理与布氏不同。它不是以测定压痕的面积来洛氏硬度试验的原理与布氏不同。它不是以测定压痕的面积来洛氏硬度试验的
35、原理与布氏不同。它不是以测定压痕的面积来洛氏硬度试验的原理与布氏不同。它不是以测定压痕的面积来计算硬度值，而是以测定压痕深度来表示材料的硬度值。计算硬度值，而是以测定压痕深度来表示材料的硬度值。计算硬度值，而是以测定压痕深度来表示材料的硬度值。计算硬度值，而是以测定压痕深度来表示材料的硬度值。洛氏硬度试验所用的压头有两种。一种是圆锥角洛氏硬度试验所用的压头有两种。一种是圆锥角洛氏硬度试验所用的压头有两种。一种是圆锥角洛氏硬度试验所用的压头有两种。一种是圆锥角=120=120的金刚石圆的金刚石圆的金刚石圆的金刚石圆锥体；另一种是一定直径的小淬火钢球。图锥体；另一种是一定直径的小淬火钢球。图锥体；
36、另一种是一定直径的小淬火钢球。图锥体；另一种是一定直径的小淬火钢球。图4.104.10为用金刚石圆锥体测为用金刚石圆锥体测为用金刚石圆锥体测为用金刚石圆锥体测定硬度过程示意图。为保证压头与试样表面接触良好，试验时先加定硬度过程示意图。为保证压头与试样表面接触良好，试验时先加定硬度过程示意图。为保证压头与试样表面接触良好，试验时先加定硬度过程示意图。为保证压头与试样表面接触良好，试验时先加初始试验力初始试验力初始试验力初始试验力F F0 0，在试验表面得一压痕，深度为，在试验表面得一压痕，深度为，在试验表面得一压痕，深度为，在试验表面得一压痕，深度为h h0 0。此时，测量压痕深。此时，测量压痕
37、深。此时，测量压痕深。此时，测量压痕深度的指针在表盘上指示为零（图度的指针在表盘上指示为零（图度的指针在表盘上指示为零（图度的指针在表盘上指示为零（图4.10a4.10a）。然后加上主试验力）。然后加上主试验力）。然后加上主试验力）。然后加上主试验力F F1 1，压头，压头，压头，压头压入深度为压入深度为压入深度为压入深度为h h1 1。表盘上指针以逆时针方向转动到相应刻度位置（图。表盘上指针以逆时针方向转动到相应刻度位置（图。表盘上指针以逆时针方向转动到相应刻度位置（图。表盘上指针以逆时针方向转动到相应刻度位置（图4.10b4.10b）。试样在）。试样在）。试样在）。试样在F F1 1作用下
38、产生的总变形作用下产生的总变形作用下产生的总变形作用下产生的总变形h h1 1中包括弹性变形与塑性变中包括弹性变形与塑性变中包括弹性变形与塑性变中包括弹性变形与塑性变形。当将形。当将形。当将形。当将F F1 1卸除后，总变形量中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离卸除后，总变形量中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离卸除后，总变形量中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离卸除后，总变形量中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离（h h1 1-h-h）（图）（图）（图）（图4.10c4.10c）。这时试样表面残留的塑性变形深度）。这时试样表面残留的塑性变形深度）。这时试样表面残留的塑性变形深度）。这时试样表
39、面残留的塑性变形深度h h即为压痕即为压痕即为压痕即为压痕深度。随着弹性变形的恢复，指针顺时针方向转动，转动停止时所深度。随着弹性变形的恢复，指针顺时针方向转动，转动停止时所深度。随着弹性变形的恢复，指针顺时针方向转动，转动停止时所深度。随着弹性变形的恢复，指针顺时针方向转动，转动停止时所指的数值就是压痕深度指的数值就是压痕深度指的数值就是压痕深度指的数值就是压痕深度h h。3636本讲稿第三十六页，共九十二页3737本讲稿第三十七页，共九十二页 洛氏硬度值就是以压痕深度洛氏硬度值就是以压痕深度洛氏硬度值就是以压痕深度洛氏硬度值就是以压痕深度h来计算的。来计算的。来计算的。来计算的。h越大，硬
40、度值越大，硬度值就越低，反之则增高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的就越低，反之则增高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，一般用常数概念，一般用常数k减去减去h来计算硬度值，并规定每来计算硬度值，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位。于是洛氏硬度值的计算式为为一个洛氏硬度单位。于是洛氏硬度值的计算式为为一个洛氏硬度单位。于是洛氏硬度值的计算式为为一个洛氏硬度单位。于是洛氏硬度值的计算式为 （4-7）式中式中式中式中 HR洛氏硬度的符号。洛氏硬度的符号。洛氏硬度的符号。洛氏硬度的符号。当使用金刚石圆锥压头时，当使用金刚石圆锥压头时，当使用金刚石圆锥压头时，当使用金刚石圆锥压头时，k取取0
41、.2mm0.2mm；当使用小淬火；当使用小淬火钢球压头时，钢球压头时，k k取取取取0.26mm0.26mm。实际测定洛氏硬度时，由于硬度及上方测量压痕深度实际测定洛氏硬度时，由于硬度及上方测量压痕深度的百分表表盘上的刻度已换算为相应的硬度值，因此可直的百分表表盘上的刻度已换算为相应的硬度值，因此可直接从表盘上指针的指示值读出硬度值。接从表盘上指针的指示值读出硬度值。3838本讲稿第三十八页，共九十二页 为了能在一台硬度计上测定不同软、硬或厚、薄试样为了能在一台硬度计上测定不同软、硬或厚、薄试样的硬度，可采用不同的压头和试验力，组合成几种不同的的硬度，可采用不同的压头和试验力，组合成几种不同的
42、洛氏硬度标尺，以字母洛氏硬度标尺，以字母A、B、C C等表示。用不同标尺测定等表示。用不同标尺测定的洛氏硬度符号在的洛氏硬度符号在HRHR后面加标尺字母表示。我国规定的后面加标尺字母表示。我国规定的洛氏硬度标尺有九种，其中以洛氏硬度标尺有九种，其中以HRAHRA、HRB及及HRC三种洛三种洛三种洛三种洛氏硬度最为常用。氏硬度最为常用。氏硬度最为常用。氏硬度最为常用。洛氏硬度试验的优点是操作简便迅速，硬度值可直接洛氏硬度试验的优点是操作简便迅速，硬度值可直接读出，压痕较小，可在工件上进行试验，采用不同标尺可读出，压痕较小，可在工件上进行试验，采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属核薄厚不一的试样的
43、硬度，因而测定各种软硬不同的金属核薄厚不一的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。其缺点是压痕较小，代表性广泛用于热处理质量的检验。其缺点是压痕较小，代表性差，由于材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，致使所测硬差，由于材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，致使所测硬度值重复性差，分散度大。此外，用不同标尺测得的硬度度值重复性差，分散度大。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接进行比较值彼此没有联系，不能直接进行比较。3939本讲稿第三十九页，共九十二页 3.维氏硬度试验维氏硬度试验 维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力
44、进行计算硬度根据压痕单位面积所承受的试验力进行计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体，值。所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体，而是两对面夹角而是两对面夹角为为136的金刚石四锥体，如的金刚石四锥体，如图图4.11所示。压头在试验力所示。压头在试验力F(N)作用下，将试作用下，将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时样表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后，卸除试验力，测量出压痕对角线平均长度间后，卸除试验力，测量出压痕对角线平均长度dd=(d1+d2)/2，用以计算压痕的表面积，用以计算压痕的表面积A(mm2)。维氏硬度值（。维氏硬度值（HV）为试验力）为试验力F除以除
45、以压痕面积压痕面积A所得的商值，并按下式进行计算：所得的商值，并按下式进行计算：4040本讲稿第四十页，共九十二页 与布氏硬度一样，维氏硬度值也不标注单位。与布氏硬度一样，维氏硬度值也不标注单位。维氏硬度试验之所以采用正四锥体压头，是维氏硬度试验之所以采用正四锥体压头，是为了当改变试验力时，压痕的几何形状总是保持为了当改变试验力时，压痕的几何形状总是保持相似，而不致影响硬度值。相似，而不致影响硬度值。根据材料的软硬、厚薄及所测部位的特性不根据材料的软硬、厚薄及所测部位的特性不同，需要在不同试验力范围内测定维氏硬度。为同，需要在不同试验力范围内测定维氏硬度。为此，我国制定了三个维氏硬度试验方法国
46、家标准。此，我国制定了三个维氏硬度试验方法国家标准。4141本讲稿第四十一页，共九十二页 (1)GB4340-84金属维氏硬度试验方法金属维氏硬度试验方法 试验力范围为试验力范围为49.03980.7N，共分六级。主，共分六级。主要用于测定较大工件和较深表面层的硬度。要用于测定较大工件和较深表面层的硬度。(2)GB5030-85金属小负荷维氏硬度试验金属小负荷维氏硬度试验方法方法 验力范围为验力范围为1.961 49.03N，共分，共分七级。主要用于测定较薄工件和工具的表面层或七级。主要用于测定较薄工件和工具的表面层或镀层的硬度，也可测定试样截面的硬度梯度。镀层的硬度，也可测定试样截面的硬度梯
47、度。(3)GB/T 4342-91金属显微维氏硬度试金属显微维氏硬度试验方法验方法 验力范围为验力范围为 98.0710-31.961N，共分七级。主要用，共分七级。主要用于测定金属箔、极薄的表面层的硬度一级合金各于测定金属箔、极薄的表面层的硬度一级合金各种组成相的硬度。种组成相的硬度。4242本讲稿第四十二页，共九十二页 维氏硬度试验的优点是不存在布氏硬度试验维氏硬度试验的优点是不存在布氏硬度试验时要求试验力时要求试验力F与压头直径与压头直径D之间所规定条件的之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端。维氏硬度试验时不
48、仅试验力值无法统一的弊端。维氏硬度试验时不仅试验力可任意选取，而且压痕测量的精度较高，硬度值可任意选取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为精确。唯一的缺点氏硬度只需通过测定压痕较为精确。唯一的缺点氏硬度只需通过测定压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此，工作对角线长度后才能进行计算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低很多。效率比洛氏硬度法低很多。除了上述三种常用的硬度试验方法外，还有除了上述三种常用的硬度试验方法外，还有金属努氏硬度试验以及肖氏硬度试验等等，本书金属努氏硬度试验以及肖氏硬度试验等等，本书不做赘述，感兴趣的同学可查阅相关书籍。不做赘述，感兴趣的同学可查阅相关书籍。4343本讲稿
49、第四十三页，共九十二页 HV可以到2000以上。而HRC70=HV1037；HB450HRC47。4.2.4冲击试验冲击试验 一种材料可能具有很高的抗拉强度，但是在一种材料可能具有很高的抗拉强度，但是在冲击负载条件下却可能无法应用。例如，冲击负载条件下却可能无法应用。例如，45钢抗拉强度为钢抗拉强度为b b=600kg/cm2、KK=2.5kgm/cm2,但起重机的吊钩就不能使用，要用但起重机的吊钩就不能使用，要用20钢钢（b b=410kg/cm2、KK=5kgm/cm2）。）。冲击韧性冲击韧性材料抵抗冲击的能力。材料抵抗冲击的能力。4444本讲稿第四十四页，共九十二页 对于具有体心立方结构
50、的碳钢来说，当温度低至一定值时，其冲对于具有体心立方结构的碳钢来说，当温度低至一定值时，其冲对于具有体心立方结构的碳钢来说，当温度低至一定值时，其冲对于具有体心立方结构的碳钢来说，当温度低至一定值时，其冲击韧性会显著降低。例如，低碳钢击韧性会显著降低。例如，低碳钢击韧性会显著降低。例如，低碳钢击韧性会显著降低。例如，低碳钢A3A3（Q235）冲击韧性随温）冲击韧性随温）冲击韧性随温）冲击韧性随温度的降低而减小，当温度降低到某一数值时，冲击韧度值突然度的降低而减小，当温度降低到某一数值时，冲击韧度值突然度的降低而减小，当温度降低到某一数值时，冲击韧度值突然度的降低而减小，当温度降低到某一数值时，