金属力学性能基本知识(2011.11.6)

GB/T231.1-2002新规定：
• 1.取消了用钢球压头进行试验的规定，仅使 用硬质合金球压头，试验范围上限为 650HBW。 • 2.对试样最小厚度规定作了调整，将试样厚 度至少应为压痕深度的10倍改为8倍。 • 3.对压痕间距的规定作了调整，将两相邻压 痕中心距离不应小于压痕平均直径的4倍改 为3倍。
优点：精确度高，对试样制备要求不高，一
般用在仲裁试验。 缺点：不适合测定HB >650的材料，因为材 料的硬度太高容易引起钢球变形，使测定 结果不准确。测量方法繁琐，效率低。
洛氏硬度HR
• • • • • 原理：测量压痕深度。 执行标准：GB/T230-2004《金属洛氏实验方法》 条件：尽可能保证试验面是平面。 试样厚度： 用金刚石圆锥压头试验时，试样厚度应不小于压 痕深度的10倍。 • 用钢球压头试验时，试样厚度应不小于压痕深度 的15倍。 • 两相邻压痕中心间距至少应为压痕直径的4倍，但 不得小于2mm。
4. 韧
性
定义：金属在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。
GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》中
冲击吸收能量用KV2或KU2表示。
有些材料在静力作用下，表现出很高的强度，但在冲
击力的作用下，表现得很脆弱。
例如：高碳钢、铸铁。 旧标准：冲击韧性：ɑk或 Ak(ɑku或ɑkv) 单位：J/cm2 或 J
测试操作时注意事项
• 3.选择被测材料种类。 • 4.选择冲击方向，冲击方向应垂直于试验面。
• 5.给冲击装置加载时，应将加载套管压缩到底，
然后缓慢松回原位。不可松手使其自由弹回， 否则极易损坏机件。
测试操作时注意事项
• 6.给加载套管加载时，不可将冲击装置支撑在
试件上。
• 7.测试前应擦去试件表面的油污、铁屑、灰尘。
洛氏硬度试验机
HRA：圆锥形金刚石压头（60kg负荷） 用来测定HB >700的高硬材料（相当于）。 HRC：圆锥形金刚石压头（150kg负荷） 用来测定HB= 230 ~700的调质钢及淬 火钢。 HRB：淬硬钢球压头（100kg负荷） 用来测定HB=60 ~230之间比较软的 金属及低碳钢、有色金属。
洛氏硬度
• 优点：1. 可测高硬度材料 2. 压痕小，可测成品和薄板，对工 件无损坏。 3. 测量方法简便，从刻度盘直接读 出硬度值。 缺点：1.压痕小，结果准确性低，通常应多测几 点取其平均值。 2.不同标尺的硬度不能统一、各标尺硬度 值不能直接进行比较。
维氏硬度HV
• 以四方锥体型金刚石压头压入试样表面， 保持一定时间后卸载，测定压痕两对角线 长度取平均值。 • 执行标准：GB/T4340《金属维氏硬度试验 方法》 • 主要用于测定显微硬度。 • 优点：精度高、测量范围宽(软硬材料都可 以测试)、不同标尺的硬度能够统一。 • 缺点：测定繁琐，工作效率低。
3.在换算表中某一硬度范围内可能换算的相关性较好，
而另一范围则相关性较差。
里氏硬度的换算(GB/T17394-1998)
4.同一换算范围某些材料可能适应性很好， 而对另一些材料可能误差较大。 5.不同来源的换算表之间存在差别，国内研 制的换算表与瑞士换算表之间在某个硬度 范围有差异是不可避免的。 6.换算时一定要注意换算表适用条件，否则 误差会较大。为了获得比较可靠的换算关 系，应对具体材料作对比试验，将数据处 理后作出具体换算值或换算曲线。
P0.2 0.2＝ S0
P0.2 －－产生0.2％残余伸长时的载荷。
根据力－延伸曲线图测定规定非比例延伸强度：
• 在力－延伸曲线图上，画一 条与曲线的弹性直线段部分 平行，且在延伸轴上与此直
线段的距离等效于规定非比
例延伸率的直线(如0.2%的直 线），此平行线与曲线的交
点，给出相应与所求规定非
测试时对工件的要求
• 将被测试件上的油漆、氧化皮、麻点打磨 掉，露出金属光泽，并且平整、光滑，不 得有油污。 • 试样的重量（＞5公斤）、试样最小厚度 （5mm） • 试件不应带有磁性。 • 被测试样表面的曲率半径应≥30mm。
测试操作时注意事项
1.测试前应用硬度标块对仪器进行检验（示值误差
±12HLD）。数值偏差超过标准时应给予校准。 2.在大批量检验过程中应经常用硬度标块对仪器进 行校对，在检验工作完成后也应对仪器进行校对， 确认在整个测试过程中硬度计的测试误差在规定 范围内。以保证测试结果的真实性。
布氏硬度值标记
• 布氏硬度值与试验条件有关，硬度值标记由4种符 号组成： • 1.球体材料：硬质合金球 • 2.球体直径：10mm（标准压头）、5mm、 2.5mm、1mm • 3.试验力：其大小与压头直径有关。一般F/D2=30 倍、15倍、10倍、5倍、2.5倍、1倍。 • 4.试验力的保持时间：黑色金属为10s、有色金属 为30s、对HBS<35的材料为60s、10~15s 时不 标注

L1 L0 100% L0
5
L0 / d0 5
L0 / d0 10
• 10倍试样 或 10 • 一般情况下 5 >
10
10 5 =（1.2～1.5）
• 采用非比例试样时延伸率应附以该标距数值的脚注，例 如：试样标距长度 L0 100d0 时，延伸率标注为 100
例：120HBS10/1000/30
例：500HBW5/750
应特别注意的是：对于不同的试验材料，
当使用不同的试验力时，标准规定压痕直
径d应当在0.25～0.60D范围内，所测硬度
才有效。因此在试验中，对于给定试验材
料，当确定了使用哪种直径的球后，还要
考虑F/D2值，以便使压痕直径在0.25D至
测试操作时注意事项
• 13.应保证冲击瞬间垂直位置偏差在0.5mm
之内，否则会使硬度值偏低。
• 14.对曲率半径小的工件可使用异性支撑
环，（测外圆柱面、内圆柱面、外球面、 内球面、不规则曲面），以保证测试方向 能够垂直试件表面。
测试操作时注意事项
• 15.试样重量小于5公斤时应夹持。
• 16.试件不应带有磁性，带有磁性的试件将
强度计算公式：
d0 • 拉伸试样原始截面积：S0＝ 2 d1 • 拉伸试样断后截面积：S1＝ 2
2
2
Ps • 屈服强度： s＝ S0
Pb • 抗拉强度： b＝ S0
单位：MPa 单位：MPa
规定非比例延伸强度：
• 条件屈服强度：规定的塑性变形量一般为 0.2％，即规定的引伸计标距0.2％时相对应 的应力，相应的屈服强度为б 0.2
比例延伸强度的力。此力除 以试样原始横截面积S0，得 到规定非比例延伸强度。
2. 塑
性
• 金属在外力作用下，抵抗永久变形而不会 被破坏的能力。 主要指标有：延伸率（断后伸长率）：δ 断面收缩率：ψ • GB/T228-2002中：δ 用A表示， ψ 用Z表示。
2.1延伸率
• 延伸率 • 5倍试样
里氏硬度HL
• 测量钢球冲击试样表面回弹时，距试样表面1mm 处的回跳速度。 • 执行标准GB/T17394《金属里氏硬度试验方法》 • HL=VB / VA ×1000 其中：VB：回跳速度 VA：冲击速度 优点：1. 可便携，5kg以上的部件放稳即可用 2. 可方便的换算为布、洛、维。
• 里氏硬度是一种动态硬度试验方法，考察 的是材料的弹性形变，表现为反弹速度的 大小。 测试时材料种类的选择 • 里氏硬度试验法是一种动载测试方法，它 的测试值与金属的弹性模量 E有关，材料不 同所对应的弹性模量也不同，因而应按材 料的种类进行分类测试。
• 8.按释放按钮时不可过快、过重，以致使加载 套管移动，测试值失准。
测试操作时注意事项
• 9.每两次测试时间间隔不应少于3秒。 • 10.两压痕中心距离＞3mm，压痕中心距试样边 缘距离＞5mm。 • 11.不可在同一点上重复测试，否则会引起较
大的误差。同时会减少传感器的使用寿命。
• 12.测试数据的分散不应超过平均值的±15HL。
3. 硬 度
• 金属抵抗比他更硬的物体压入的能力。 布氏硬度：HB 洛氏硬度：HRA、HRB、HRC 维氏硬度：HV 里氏硬度：HL
布氏硬度HB
GB/T231-84旧标准规定：
• 适用范围：HB 8～650 • HBS：压头为淬火钢球，适用于HB为450 以下材料 • HBW：压头为硬质合金球，适用于HB为 450 ～650 的材料
0.6D之间。
GB/T1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》
• 布什氏度与强度б b之间有一定的近似关系： 不淬火钢材：低碳钢б b ≈ 3.6HB 中碳钢б b ≈ 3.5HB 高碳钢б b ≈ 3.4HB 不锈钢： б b ≈ 4.0～5.0HB 根据布氏硬度值可近似确定金属的抗拉强度。 如果考虑到旋转弯曲的疲劳极限б -1大致是б b 的一半，则布氏硬度值可以进一步与б -1联 系起来。
二、力学性能指标
• 1. 强度 金属在外力（静载荷）作用下，抵抗永 久变形或破坏的能力。 主要强度指标有：抗拉强度б b 屈服强度б s • GB/T228-2002中б b用Rm表示， б s用Rel 表示
万能材料试验机
标准拉伸试样（短）
非标试样－矩形试样
断后试样
屈服强度：
• 金属材料在拉伸试验时产生的屈服现 象是开始产生宏观塑性变形的一种标 志。 由于部件在实际使用过程中大都 处于弹性变形状态，不容许产生微量 塑性变形，因此出现屈服现象就标志 着产生了过量塑性变形失效。
使测量值偏低。
• 17.使用完毕后，应将冲击体释放。否则将 加速加载弹簧的疲劳。
里氏硬度的换算(GB/T17394-1998)
1.测试的里氏值是通过与其它标准的静载荷硬度值 （布氏、维氏、洛氏）对比曲线，将里氏值转换为
相应的硬度值。
2.由于各种硬度方法之间不存在明确的物理关系，受 到相互比较中测量不可靠性的影响，因此换算会不 可避免的带来不同程度的误差，换算只是近似的。
洛氏硬度
• • • • • 不同标尺的测量范围：GB230-2004 HRA：20 ～88 淬火钢、硬质合金、表面渗氮层 HRC：20 ～70 淬火工具钢、调质处理钢 HRB：20 ～100 退火后的中碳钢、有色金属 各标尺均有一定的测量范围，应根据标准规定正 确使用。如：硬度高于HRB100，应采用C标尺的 试验条件进行试验。同样，硬度低于HRC20，应 换用B标尺试验。硬度高于HRC70，应换用A标尺 试验。
金属力学性能基本知识
内蒙古电力科学研究院
张少军
目 录
• 1.金属材料的力学性能分类 • 2.力学性能指标 • 3.与力学性能有关的金属监督概念
一、金属材料的力学性能
• • • • • • 1.强度： б s、 б b 2.塑性： δ 、ψ 3.韧性： ɑk、Ak、K1c、δ c、FATT 4.硬度： HB、HRA、HRB、HRC、HV、HL 5.疲劳：б -1 t t 6.高温性能：蠕变极限 、持久强度
当断裂处不在标距中心时：
• 断裂位置对延伸率的大小是有影响的； • 断在标距正中的试样所得的延伸率最大；
• 断在标距中间1/3段试样可直接测量L1 ；
• 断在标距两端1/3段时，要求用位移法换算 成相当于断在正中时的延伸率。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》
• 有关规定： 1.当试样原始标距与原始横截面积满足 L0 k S0 时称 为比例试样，k＝5.65 。非比例试样的原始标距与原始横 截面积无关。 2.试样的制备：应按照相关产品标准或GB/T2975的要求切 取样坯和制备试样。 3.原则上，断裂发生在距离最近标距标记点1/3以上方为有 效，但断后伸长率等于或大于规定值，不管断裂位置处于 何处，测量均为有效。 4.薄板和薄带试样，管材全截面试样，圆管纵向弧形试样， 其他复杂横截面试样及直径小于3mm试样，一般不测定 断面收缩率。
冲击吸收能量符号
冲击试验机
冲击试样
5. 疲
劳
金属长期在重复交变载荷作用下发生断
裂现象叫疲劳。
疲劳极限：金属材料在交变应力作用下，
经无限次循环而不破坏的最大应力值称为 疲劳极限。用б