材料硬度、疲劳.答案

3、断裂韧度K1C
材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度表示。
• 反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能 力。 • K1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性， 与材料成分、热处理及加工工艺等有关。 • 为安全设计提供了一个重要的力学性能指标
当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳 扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零 件安全可靠。
维氏硬度HV：ASTM E
(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness)
布氏硬度计
观看布氏硬度
1.压头： 淬火钢球 HBS
硬质合金钢球 HBW
2.试验原理：
用一定直径的 压头（球体），以 相应试验力压入待 测表面，保持规定 时间卸载后，测量 材料表面压痕直径， 以此计算出硬度值。
F F HB= —— = ———— S Dh
硬度( hardness ) 1.定义： 是指材料抵抗其它更硬物体 压入其表面的能力。 ASME SA370-2001给出各种 不同试验结果的对照表以及相应 的大致抗拉强度。
2.硬度试验方法： （1）压入法
（2）划痕法 （3）回跳法
布氏硬度HB：ASTM E10
压入法 洛氏硬度HR：ASTM E18
量结果的平均值。
Pellini 落锤试验（TNDT温度的确定）
试样制备及试验条件应符合ASTM E208标准规定的要求。
在进行每组试验前应确保重锤是从正确的高度（在+10%到—0%的误差范围内）
自由坠落的。所用重锤的重量也是已知的。
采用P3型试样，其尺寸如图MC1230.1所示。
如果技术规范中规定的RTNDT≤0℃，则按表MC1230.1所列温度进行试验；
冲击试验机
冲击试样和冲击试验示意图
g
试样冲断时所消耗的冲击功A k为: A k = m g H – m g h (J)
冲击韧度ak
就是试样缺口处单位截面积上所消 耗的冲击吸收功。
AK
a k=
S0
(J/cm² )
3.韧脆转变温度: T↓，ak急剧↓ ak
60
40 20
韧性→脆性
-40
-20
0
20
疲劳（ fatigue ）
1、疲劳现象
零件在循环应力的作用，即 使工作时承受的应力低于材料的 屈服点或规定残余伸长应力，在 经受一定的应力循环后也会发生 突然断裂，这种现象称为疲劳。
2、疲劳极限σ-1:
表示金属材料在无数次交变载荷作 用而不破坏的最大应力。
迴轉彎曲疲勞試驗機的構造原理圖
疲劳试验的应力分析
如果技术规范中规定的RTNDT≤16℃，则按表MC1230.2所列温度进行试验。
图4—37 落锤试验装置 1—底座；2—限位块，3—缺口；4—落锤；6—脆性焊道，6—试样
ASTM E208 规定的一些技术条件 • • • • 1.试样形状（其中一种见下页） 2.打击能量（按照材料屈服强度决定） 3.弯曲限度（由试样形状确定） 4.判断标准（一边或双边裂纹到边）
铁、有色金属、退火正火钢 材的硬度。 不适于测量成品零件或薄 件的硬度。
(二)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )
1.压头： HRA
120º金刚石圆锥体钢球 钢球 HRB
HRC
2.试验原理：
用锥顶角为120°的金刚石圆 锥或直径1.588mm的淬火钢球，以 相应试验力压入待测表面，保持 规定时间卸载后卸除主试验力， 以测量的残余压痕深度增量来计 算出硬度值。
落锤试验试样
基准无延性转变温度的确定 RTNDT的温度应通过Pellini落锤试验和KV冲击试验两者确定。 试验温度应根据TNDT温度确定。 试验应按下列方法进行（关于KV试样）： a） 以3个试样为1组，其中每一个试样在给定的温度下同时满足下列要求， 则认为试验有效：——断裂吸收能量≥68J；——侧向膨胀值≥0.9mm。 b） 第一组试样冲击的温度为： TCV1=TNDT+33℃ 如果满足上述a）的条件，则： RTNDT=TNDT 如果结果不能满足上述a）的条件，则第二组试验按照下列c）的规定进行试验。 c） 如果进行第二组试验，第二组试样的试验温度规定如下： TCV2= TCV1+5℃ 如果满足上述a）的条件，则： RTNDT=TCV—33℃ d） 如果c）条规定温度下的试验，结果不能满足上述a）的条件，则另外一些 试验应在5℃的间隔温度下进行试验。直到求得满足上述a）的条件的温度TCV。 则认为： RTNDT=TCV—33℃
D பைடு நூலகம் = —— — 2
D 2 d 2 —— – —— 2 2
布氏硬度值450的材料 选用淬火钢球压头 例如：200HBS
350HBS
布氏硬度值450~650的材料 选用硬质合金球压头 例如：550HBW
600HBW
3.标注：
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、
断裂韧度
1、低应力脆断
有些零件在工作应力远远低于屈服点时就 会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆 断。
2、应力场强度因子
K1=Yσa
式中：Y__裂纹的几何形状因子;
σ__外加应力（N/mm2）； a__裂纹的半长（mm）；
K1__ 强度因子（MPa·m1/2或 MN·m-3/2）当K1达到临界值K1C时， 零件内裂纹将发生失稳扩展而出现 低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零 件安全可靠。
T(º c)
脆性转变温度 FATT50
金属材料的韧脆转变温度↓，材 料的低温冲击韧性愈好。
冲击试验中的侧向膨胀量
• “侧向膨胀值——按照ASTM A370的技术要求”。 • 测微仪的读数也应得到认可， 并应该预先注意以下事项： • —— eL=（e—e1）mm • 其中eL=侧向膨胀值； • ——试样两个平分段的A和B面， 必须处于精确的同一平面（P） 中。 • ——侧向膨胀值应取3次不同测
疲劳曲线
钢材的循环次数一般取 N = 10
7 8
有色金属的循环次数一般取 N = 10
3、提高疲劳极限途径
改善零件的结构形状 降低表面粗糙度值
采取表面强化
1943年美国T-2油轮发生断裂
0 1 3 2
h3
h1
0 1 3 2
h2
1-1 初载10kg 2-2 总载150kg 3-3 卸载140kg
h1 h2 h3
h
最后测得：
残余压痕深度增量 h
h=h3-h1
HR=h/0.002 HR=C-h/0.002
洛氏硬度值的表示：
• 70~85HRA • 25~100HRB • 20~70HRC
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。
4. 特点： 优点： 测量误差小（因压痕大），
数据稳定，重复性强。 缺点： 压痕面积较大，测量费时。
应用： 常用于测量较软材料、灰铸
材料都可测量;测量精度高， 可比性强；能测较薄工件。 缺点： 测量操作较麻烦，测量效率低
应用： 广泛用于科研单位和高校，
以及薄件表面硬度检验。 不适于大批生产和测量组织 不均匀材料。
韧性(toughness ):
1.定义：
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏 的能力。冲击试验ASTM E23
2.金属的夏比冲击试验:
常见工程材料的断裂韧度K1C值（MN·m-3/2）
根据K1=Yσa ≥K1C的临界判据知：
为使零件不发生脆断，设计者可以控制 三个参数：材料的断裂韧度K1C 、名义工 作应力σ和零件内的裂纹长度a，它们之 间的定量关系能直接用于设计计算，可以
解决以下三方面的工程实际问题：
1）根据零件的实际工作应力σ和其内可能的裂 纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度K1C，为正确 选材提供依据； 2 ）根据零件所使用的材料断裂韧度 K1C 及已探 伤出的零件内存在的裂纹尺寸 a ，确定零件的临 界断裂应力 σC ，为零件最大承载能力设计提供 依据； 3）根据已知材料的断裂韧度K1C和零件的实际 工作应力σ，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为 零件的裂纹探伤提供依据。
用压痕两对角 线的平均长度 来计算。 H V=F/S
a
3.标注： 与布氏硬度基本相同，在后面 要标注试验条件—试验力和保持 时间（10~15S不标）。 例：580HV30表示用30kgf (294.2N)试验力保持10~15S测 定的维氏硬度值为580。
4.特点： 优点： 适用范围广，从极软到极硬
HRA、HRB、HRC分别测得的硬度， 不可直接比较大小
例如： 50HRC<70HRA 50HRB>40HRC
〤 〤
3.特点：
优点： 测量操作简单，方便快捷，
压痕小；测量范围大，能测 较薄工件。
缺点： 测量精度较低，可比性差，
不同标尺的硬度值不能比较。
应用： 是生产中应用最广 泛的硬度
试验方法。 可用于成品检验和薄件表面 硬度检验。 不适于测量组织不均匀材料。
(三)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )
维 氏 硬 度 计
1.压头： 锥面夹角为136º的金刚石 正四棱锥体
2.试验原理： 与布氏硬度试验原理基本 相同。
只是压头改用了金刚石四 棱锥体。
2.试验原理： 以一定的试验力将压
头压入试样表面，保持 规定时间卸载后，在试 样表面留下一个四方锥 形的压痕，测量压痕两 对角线长度，以此计算 出硬度值。