材料力学性能——第二章

压入法 （布氏、洛氏、维氏硬度，等）
硬度----表征材料软硬程度的一种性能。
硬度试验特点 1、α≥2，各种脆性材料都可以测量； 2、试验方法简单，无需加工标准试样，以及压痕小，可在成品上
测量； 3、与其它载荷下的力学性能指标，如：强度等有一定的关系。
材料力学性能
二、硬度试验
(一)布氏硬度
基本原理
用一定直径D(mm)的淬火钢或硬质合 金球为压头，施以一定的试验力F，压入试 样的表面，经规定的时间T后，卸载，试样 表面将残留压痕。测量在试样表面上压痕 的直径d，求得压痕面积A。
一、应力状态软性系数α
(1)较硬的应力状态试验，主要用于塑性金属材料力学性能的测定。 (2)较软的应力状态试验，主要用于脆性金属材料力学性能的测定。
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第二节 压缩
一、压缩试验的特点
(1) 单向压缩试验的应力状态软性系数α=2，所以 主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定。
(2) 拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩 变形而不断裂。
载荷除以压痕表面积的商即布氏硬度
0.102F
0.204F
HB
A
D(D D2 d 2 )
F—N为单位，A--压痕面积
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（一）布氏硬度
为了保证不同条件下所测得的硬度值可以互相比较，应该使测量时的压 痕满足压痕相似原理。即有：
F D2
常数
F/D2：有30、15、10、5、2.5、1六种。
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第三节 弯曲
一、弯曲试验的特点
1、应力特点： 杆件截面上应力分布不均匀，呈线性分布
规律，即：表面最大，中心为零。其整个横截 面上的应力为正应力。 2、与拉伸实验相比特点：
1）试样形状简单、操作方便，可用挠度显示材料的塑性，常用作测
定铸铁、铸造合金、工具钢和硬质合金等脆性和低塑性材料。 2）可灵敏反应材料的表面缺陷，可用来鉴别渗碳和表面淬火等机件 表面的质量和性能。
2、可测定的主要性能指标：
(1) 切变模量 (2) 屈服点 (3) 抗扭强度
G
/
32TL0
d
4 0
s
Ts W
b
Tb W
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T
T
b
Ts
O
扭距——扭角曲线
第五节 缺口试样静载荷试验
前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转等静载 荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样。 但在实际生产中的机件，截面上往往存在截面的 急剧变化，如键槽、油孔、螺纹及焊缝等，这种 截面变化的部位可称为“缺口”。
第二章 金属在其他静载荷下的力学性能
研究的目的：
1）实际的服役工矿下，零部件除了受拉伸之外，还要受其他静载 荷的作用，如：压缩、弯曲、扭转以及还有带缺口的零部件。则必须研 究材料在其它载荷作用下的力学性能指标，作为设计和选材的依据。
2）不同的加载方式在零部件中将产生不同的应力状态，而金属材 料在不同的应力状态下所表现出的力学行为将不一样。
洛氏硬度的优缺点及其应用
优点： 1）因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，故测定洛氏硬度更为简
便迅速,工效高； 2）对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验； 3）因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。
缺点: 1）不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。 2）由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果
对于脆性材料，由于塑性变形仅能扩展较少的距离，因此，其强度不 仅不能得以提高，反而降低。
并且，塑性材料的缺口强化，是在牺牲其塑性的条件下来达到的，不 能看成是强化的手段。
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二、缺口试样静拉伸试验
缺口试样
拉伸和偏斜拉伸
材料力学性能
二、缺wenku.baidu.com试样静拉伸试验
缺口敏感度： 缺口试样的抗拉强度σbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值表 示，记为NSR(Notch Strength Ratio) ：
max
1 3
max 2 1 0.5( 2 3 )
钢铁材料取 0.25
α 应力状态越软，金属易于产生塑性变形和韧性断裂
α 应力状态越硬，金属不易产生塑性变形，易于产生脆性断裂
注意：α的绝对值仅用于比较不同试验方法应力状态的软硬程度，不能 用于定量的评价材料的塑性变形特征。
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测试过程:
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（二）洛氏硬度
(1)先加上初载荷F0 ，在材料表面得 一压痕深度h0。
(2)再加主载荷F1，在h0的基础上， 压头压入深度h1。(包括弹性变形 和塑性变形h)
(3)保留初载荷F0 ，卸去主载荷F1后， 弹性变形恢复，压头回升h1-h。深 度h即为压痕深度。
洛氏硬度 HR k h
其塑性变形与弹性变形的交界处ry，该处σy最大，所以σx 、 σz也最大。
并且，随塑性变形区尺寸的增加，其最大应力处也将向心部移动，但 始终在其塑性变形与弹性变形的交界处，以及最大应力值也将增加。
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一、缺口效应
对于塑性较高的材料，由于塑性变形能够扩展到心部，因此，缺口的 存在将使其屈服强度得以提高。因而，缺口的存在将使塑性材料的强度提 高。这种现象称为“缺口强化”。是由于在缺口的前端出现了三向应力状 态，使塑性变形受到约束而引起的。
不标单位
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（一）布氏硬度
例：
350HBSl0／3000／30
硬度值 压头直径 压力(kgf) 保持时间
表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s， 测得的布氏硬度值为350。
500HBW5／750 表示用硬质合金球，压头直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒 (保持时间为10-15，不加标注)，测得布氏硬度值为500。
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一、缺口效应
（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布（厚板）
理论应力集中系数
Kt max
与薄板相比， 厚板在垂直于板厚方向的收缩变形受到 约束，即：
z 0
z
1 E
[ z
(
x
y )]
z ( x y )
y＞ z＞ x
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一、缺口效应
（二）缺口试样在塑性状态下的应力分布（厚板）
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第三节 弯曲
二、弯曲试验
1、两种常见的弯曲试验
a）三点弯曲加载
b）四点弯曲加载
2、抗弯强度
bb
M W
σbb :材料断裂前的最大弯曲应力，称为抗弯强度 M :为最大弯矩， W :为抗弯截面系数。
3、挠度 试样断裂之前被压下的最大距离。
用断裂时的抗弯强度和最大挠度，来表示材料的强度和塑性。
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第四节 扭转
一、扭转的应力状态
沿轴线方向：受力均匀，大小相等； 横截面上：应力呈线性分布，其表面最大，心部为零；
且最大正应力与最大切应力相等。
切应力: T
W
切应变:
d0 2 L0
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第四节 扭转
二、扭转试验的特点
1、特点 1)能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。 2)长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的。 3)能敏感地反映材料表面的性能。 4)断口的特征最明显（正断、切断、层状断口 等)
2)计算公式为： HR k e
0.001
3)表示方法：硬度值HR表面硬度标尺符号 如：70HR30N。表示用294.2N(30公斤)的总载荷、金刚石圆锥压 头测得的表面洛氏硬度值为70。
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（二）洛氏硬度
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（三）维氏硬度
维氏硬度测定的原理和方法
维氏硬度测定的原理与方法基本上与布氏硬度的相同，都是根据单位 压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。
适用范围： 测定晶粒粗大、成分不均匀的材料，如灰铸铁、轴承合金、铸件等
金属材料的硬度。
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（一）布氏硬度
布氏硬度测量设备
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（一）布氏硬度
布氏硬度测量设备
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（二）洛氏硬度
洛氏硬度测定的原理
洛氏硬度是直接测量压痕深度表示材料的硬度值，压痕愈浅表示 材料愈硬。
压头: 圆锥角为1200的金刚石圆锥体； 直径为1.588mm的小淬火钢球或硬质合金球。
从而可以保证：d=(0.24～0.60)D 以及 t＜H/10。
淬火钢球：HBS （测HB<450） 压头材料：
硬质合金球：HBW （HB=450~650） 压头直径：有10、5、2.5、1mm四种。 保持时间：10-15s,有色金属30s,＜35HBS有色金属60S
表示方法 ： 测量值HBS(HBW) D／F／T
原因：
切应力：引起金属材料产生塑性变形以及韧性断裂。 正应力：引起金属材料产生脆性断裂。
反之亦然
1
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第一节 应力状态软性系数
材料在受到载荷作用时(单向拉伸)， max s
max k
产生屈服 产生断裂
在复杂的应力状态下（用三个主应力表示成σ1、σ2、 σ3 ）
最大切应力理论： max
屈雷斯加的屈服条件为:
σmax = σy- σx 在缺口根部 σx= 0,所以σmax= σy= σs 远离缺口根部由于 σx的存在, σmax= σy - σx = σs；σy = σs + σx
如果满足这一条件，屈服将由表面向心部
扩展。
σz = μ(σy + σx)
所以，当缺口尖端出现塑性变形后，最大应力已不在缺口根部，而在
压头为：金刚石正四陵锥体，两相对面夹角 为136°。
已知载荷F，测得压痕两对角线长度后取平均
值d，计算维氏硬度值，单位为kgf/mm2 。
（一般不标注）
HV 0.102 F 0.204 F sin(136 o / 2) 0.1891 F
A
d2
d2
表示方法：硬度值HV载荷/时间
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（三）维氏硬度
NSR bn b
用来衡量静拉伸下材料对缺口敏感度的力学性能指标。 NSR↑，缺口敏感度↓，对于脆性材料如铸铁，高碳钢，其NSR<1， 说明这些材料对缺口很敏感。
三、缺口试样静弯曲试验
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第六节 硬度
一、金属硬度的意义及硬度试验的特点
弹性回跳法（肖氏、里氏硬度）
硬度实验方法
划痕法（莫氏硬度）
比较分散，重复性差. 3）试验力较大，不能用来测定极薄试样、渗氮层及金属镀层。
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（二）洛氏硬度
表面洛氏硬度
洛氏硬度施加的压力大，不宜用于测定极薄的工件和渗碳层及金属 镀层。因此，根据洛氏硬度试验的原理，发展了表面洛氏硬度试验。 与洛氏硬度试验的主要不同点：
1)载荷小。预载荷为3kgf(29.42N)，总载荷分别为15kgf，30kgf 和45kgf(441.3N)。
二、试样
标准试样：
d0 h0
粗短圆柱体：
h0=2.5~3.5d0
脆性金属材料在拉 伸和压缩载荷下的 力学行为
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第二节 压缩
三、试样压缩后的形态 低碳钢压缩试验现象:
低碳钢压缩变扁，不会断裂，由于两端摩擦力影 响，形成“腰鼓形”。
灰铸铁压缩试验现象:
tmax引起
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第三节 弯 曲
1
3
2
最大正应变理论： max 1 ( 2 3 ) 泊松比
由上两式可以看出，加载方式不同，σ1 σ2 σ3 不同，τmax和 σmax会变化，为了表示不同应力状态对材料塑性变形的影响，特引入 应力状态软性系数α 。
2
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一、应力状态软性系数α
定义：在任何应力状态下最大切应力与最大正应力的比值。
一、缺口效应 定义
在静载荷作用下，由于缺口的存在，而使其尖端出现应力、应变集中； 并改变了缺口前方的应力状态，由原来的单向应力状态变为两向或三向 应力状态； 并使塑性材料的强度增加，塑性降低。
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一、缺口效应
（一）缺口试样在弹性状态下的应力分布（薄板）
在拉应力σ的作用下，缺口的存在使 横截面上的应力分布不均匀： 轴向应力σy分布：σy在缺口根部最大， 随着距离x↑ ，σy ↓ ，所以在缺口根部 产生了应力集中的现象。 横向应力σx分布：缺口根部可自由变形， σx=0，远离x轴，变形阻力增大， σx↑， 达到一定距离后，由于σy↓导致σx ↓。
0.002
对于金刚石压头，K＝0.2mm； 对于淬火钢球，K＝0.26mm。
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•图
（二）洛氏硬度
不同压头和施加不同的总压力，组成不同的洛氏硬度标尺。 常用A、B和C三种标尺，C标尺最普遍。用这三种标尺的硬度记为 HRA、HRB和HRC。
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（二）洛氏硬度
洛氏硬度的表示方法: 测量值HRC
测试步骤: 1)、确定压头材料及压头直径；
2)、F/D2 ； 3)、D → F； 4)、保持载荷时间，使塑性变形充分进行。
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（一）布氏硬度
布氏硬度的优缺点及适用范围：
优点：压痕面积较大， 能反映材料在较大范围的平均性能； 试验数据稳定，重复性好，应用广泛。
缺点：测试材料不同时，需更换压头直径和改变试验力； 测量压痕较为 麻烦； 压痕大，不能在成品上直接进行测量。