硬度、韧性、疲劳强度

• 韧性不足即不需要大的力或能量就可使材料发生断裂，也 就是脆断，如压力容器和大型锅炉的爆炸、船舶脆断沉没 、电站设备转子与叶片的飞断
2.冲击试验
冲击试验机
冲击试样和冲击试验示意图
试验时，将带有缺口的试件安装在试验机的支座上，摆锤 由规定高度落下，并从试件缺口背面打断试件，同时推动 刻度盘上的指针转动。显然试件吸收的能量不同，摆锤所 能达到的高度不同。韧性越好的材料，断裂时吸收的能量 越大，摆锤达到的高度越小。最终刻度盘上的指针所指示 的数值便是摆锤打断试件时消耗的能量，以Ak表示。而材 料的冲击韧性值ak以试件缺口处单位截面面积的能量表示 ，即ak=Ak/A (kg·m/cm2)。式中 A 表示试件缺口外的横截 面面积。
低冲击吸收 功区
• 2.反映原材料的冶金质量和热 加工产品质量：冲击吸收功对金 属材料内部结构、缺陷等具有较大的敏感性，很容易揭示材 料中的某些物理现象如晶粒粗大、夹渣等。故常用冲击实验 来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量
• 实践证明，在小能量多次冲击下，冲击抗 力主要取决于材料的强度和塑性，而大能 量一Hale Waihona Puke Baidu冲击才是韧性。
二、 硬
度
• 布氏硬度的试验原理如图1-4所示。将直径为D的钢球或硬 质合金球，在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一 定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即 为布氏硬度。实际操作时，先测量压痕平均直径d，然后 查表得到材料的布氏硬度值。
图1-4布氏硬度的试验原理图
(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
洛氏硬度的特点
优点：操作简单，压痕 小，应用最多。
缺点：压痕小，硬度 值的代表性差。
(3)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )
• 维氏硬度的试验原理如图所示。将 顶部两相对面具有规定角度（136° ）的正四棱锥体金刚石压头在一定 载荷P的作用下压入试样表面，并保 持一定时间后卸载，所施加的载荷 与压痕表面积的比值即为维氏硬度 。维氏硬度可通过测量压痕对角线 长度d查表得到。
• 生产经验提示：疲劳断裂与静载荷下的断裂不同，无论是 脆性还是韧性材料，在疲劳断裂时，都不产生明显的塑变 ，断裂是突然发生的，甚至是小载荷工况下断裂，因此具 有很大的危险性。
• 2.疲劳断裂产生的原因 • 疲劳断裂一般产生在零件应力集中部分或材料本身强度较 低的部位，如有微裂纹、夹杂或刀痕等，这些地方的局部 应力大于屈服强度，形成裂纹的核心。随着应力循环周次 的增加，疲劳裂纹不断扩展。
3.疲劳断裂特征
1.疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有 预兆，而是突然破坏。 2.引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点应
力。
3.疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策 源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分）
4.疲劳曲线 • 指交变应力σ与循环 次数N的关系曲线。曲 线表明，金属承受的 交变应力越小，则断 裂前的应力循环次数 越多
缺点：压痕大，不适于成 品和薄壁件
(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ) 10HRC≈HBS
洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计
h1-h0
• 洛氏硬度的试验原理如图所示，根据压痕深度大小表示材 料的硬度值，压坑越深，硬度越低。试验时，根据材料硬 度选择相应的压头。当测定硬度较高的材料时，选用 120°的金刚石圆锥压头；测定硬度较低的材料时，选用 淬火钢球压头。硬度计上有一个表头，测量时表头上可直 接读出被测件的硬度值，故比布氏法方便，而且压痕小， 可以直接在成品零件上测试。
洛氏硬度的试验原理
洛氏法根据测量时选用载荷与压头的不同，分为9个标尺， 常用的有A、B 、C 三个，并将标尺代号标注在符号HR的右 边。如 HRA、 HRB 、 HRC 等，硬度值仍写在符号 HR 的前面， 如50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度为50。应当注意：不 同级别的硬度值不能直接相互比较。
一般把冲击吸收功值低的材料称为脆性材料，值高的材料 称为韧性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断 口较平整，呈晶状或瓷状，有金属光泽；韧性材料在断裂 前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽
冲击实验的应用
• 1.评定材料的低温变脆倾向 ： 韧脆转变温度的高低是金属材料 质量指标之一，转变温度越低， 材料的低温冲击性能就越好
• 维氏硬度用符号HV表示，符 号前的数字为硬度值，后面 的数字按顺序分别表示载荷 值及载荷保持时间。如 640HV30／20表示在30kgf（ 294.2N）载荷作用下保压时 间为20s测定的维氏硬度值为 640。
特点:
试验时所加试验力小， 压入深度浅，故适用于表 面淬硬层及化学热处理的 表面层 ;
硬度值的测定较麻烦， 工作效率不如测洛氏硬 度高;
采用何种试验方法测定硬度
• 1.锉刀 3.供应状态的各种碳钢钢材 5.耐磨工件的表面硬化层
2.黄铜轴套 4.硬质合金刀片
三、韧性
1、冲击韧性定义 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。如选用制造活塞 销、冲模等零件的材料时，必须考虑抵抗冲击载荷的能力。
7.金属疲劳的应用 • 利用金属疲劳断裂特性制造的应力断裂机已经诞 生，可以对各种性能的金属和非金属在某一切口 产生疲劳断裂进行加工，这个过程只需要1~2s的 时间，越是难以切削的材料，越容易通过这种加 工来完成。
• 假如我们手中没有钳子，让你掰断一根直径5mm的 细铁丝，你如何做？
5.疲劳极限
钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108 金属的疲劳极限受多因素的影响，如工作条件、 表面状态、材料成分、组织及残余内应力等 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:
σ-1 = (0.45～0.55)σ b
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6.提高疲劳强度的措施 设计：使零件尽量避免尖角、缺口和截面突变，以 避免应力集中及其引起的疲劳裂纹。 材料：通常使晶粒细化，减少材料内部缺陷，可以 加入稀土元素，提高抗疲劳强度。 机械加工：降低零件表面粗糙度，因表面刀痕、碰 伤和划痕等都是疲劳源。 零件表面强度：可采用化学热处理、表面淬火、喷 丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力，以 抵消表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。
影响材料韧性的因素： • 材料本身的因素 • 外界条件：加载速率、应力状态、温度、介质等
• 请问冲模的冲头的抗冲击性能主要取决于什么参 数？
• 请问在机械零件设计时，为了保证零件工作 安全，选材时是否是冲击韧性越高越好，原因 是什么？
四、疲劳强度( fatigue strength ) 1、疲劳强度的定义 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应 力值。 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计， 在机械零件失效中大约80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破 坏前没有明显变形
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、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。
(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 特点: 优点：测量结果较准确