8金属材料的硬度、韧性及疲劳强度

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度☎布氏硬度原理♥布氏硬度试验法的测试原理：在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压入到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕球缺的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度图1-4布氏硬度试验原理示意图图1-4布氏硬度试验原理示意图金属材料的硬度、韧性及疲劳强度布氏硬度表示方法及特点☎布氏硬度的表示方法如下：硬度值＋硬度符号＋试验条件。例如：210HBS10/1000/30表示用10mm直径的淬火钢球作为压头，在1000kgf作用下，保持时间为30秒，测得的布氏硬度值为210；500HBW5/750表示用5mm直径的硬质合金球压头，在750kgf作用下，保持10~15秒（持续时间10~15秒时，可以不标注），测得的布氏硬度值为500。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度☺布氏硬度试验时，当用淬火钢球作为压头时，用HBS表示，适用于布氏硬度低于450的材料；当用硬质合金球作为压头时，用HBW表示，适用于硬度值在450~650的材料。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度☺布氏硬度的优点：压痕面积较大，能较好反映材料的平均硬度；数据较稳定，重复性好。缺点是：测试麻烦，压痕较大，不适合测量成品及薄件材料。目前，布氏硬度主要用于铸铁、非铁金属（如滑动轴承合金等）及经过退火、正火和调质处理的钢材。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度☎洛氏硬度原理洛氏硬度试验法是目前应用最广泛的硬度测试方法，它是直接用压痕深度来确定硬度值的。试验时，用顶角为120°金刚石圆锥体或者用直径为1.588mm的淬火钢球作为压头，先加初载荷为98.07N(10kgf)，再加规定的主载荷，将压头压入金属材料的表面，卸去主载荷后，根据压头压入的深度最终确定其硬度值。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥硬度是衡量金属材料软硬的指标，是力学性能中最常用的性能之一。♥硬度的测定方法有一般分为压入法、刻划法、回跳法三类。压入法包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等；刻划法包括莫氏硬度等；回跳法包括肖氏硬度等。♥生产中常用的是压入法，生产中应用广泛的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。☎硬度是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥试验原理如图1-5所示图1-5洛氏硬度试验原理示意图金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥洛氏硬度的表示方法☺洛氏硬度没有单位，是一个无量纲的力学性能指标。最常用的是A、B、C三种标尺，分别记作HRA、HRB、HRC。表1-3给出了三种标尺的实验规范及应用范围．☺洛氏硬度的表示方法为：硬度值+硬度符号。例如，60HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥洛氏硬度的特点及应用洛氏硬度试验的优点：测量迅速简便，压痕较小，可用于测量成品零件；缺点是：压痕较小，测得的硬度值不够准确，并且各硬度标尺之间没有联系，不同标尺硬度值之间不能直接比较大小。洛氏硬度C标尺应用最广泛。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥维氏硬度维氏硬度试验法原理与布氏硬度基本相同．金属材料的硬度、韧性及疲劳强度金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥维氏硬度的表示与应用☺测出维氏硬度的表式方法为硬度值＋硬度符号＋测试条件。例如:620HV30/20表示在30kgf(249.3N)载荷作用下，保持20秒测得的维氏硬度值为620，如果保荷时间10~15秒可以不标注，如620HV30。☺维氏硬度适合测定零件表面淬硬层及化学热处理的表面层等；可以测量极软到极硬的材料，由于维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小；由于测量载荷可任意选择，所以既可测尺寸厚大的材料，又能测很薄的材料．金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥金属材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，称为金属材料的韧性。由于断裂前金属材料所受力的类型、大小不同，材料的韧性也表现为不同的形式，这里介绍冲击韧性和断裂韧性。☺冲击韧性☺断裂韧性金属材料的硬度、韧性及疲劳强度☎金属材料在冲击载荷作用下，抵抗变形、破坏的能力叫做冲击韧性。材料冲击韧性通常用一次冲击试验来测定，用冲击吸收功表示冲击韧性的大小。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥摆锤式一次冲击弯曲试验1-7摆锤式冲击试验原理金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥韧脆转变温度范围通过测定材料在不同温度下的冲击吸收功，就可测出某种材料冲击吸收功与温度的关系曲线。在某个温度区间，冲击吸收功发生急剧下降，试样断口由韧性断口过渡为脆性断口，这个温度区间就称为韧脆转变温度范围。韧脆转变温度越低，材料的低温冲击性能就越好。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度图1-8冲击吸收功-温度曲线温度T冲击吸收功Ak韧脆转变温度范围上平台下平台金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥冲击韧性的用途AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，但它是一个重要参考。主要应用如下：☺评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的韧脆转变温度范围。☺评定材料的冶金质量和热加工产品质量。☺评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥疲劳现象疲劳断裂是指在变动载荷的作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的突然断裂现象。♥疲劳断裂的特点☺疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限；☺断裂前，零件没有明显的塑性变形，即使伸长率δ和断面收缩率ψ很高的塑性材料也是如此；☺疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口（如螺纹、刀痕、油孔等）、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞等处形成；☺实验数据分散性较大（手册上的数据是统计数据）。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥零件疲劳失效的过程零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图1-11所示。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥图1-11疲劳断口示意图1-疲劳源2-扩展区3-瞬时断裂金属材料的硬度及韧性♥疲劳强度疲劳强度是指材料经受无限次循环应力也不发生断裂的最大应力值，记作σD，就是疲劳曲线中的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳强度是在对称弯曲条件下测定的，对称弯曲疲劳强度记作σ-1。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥提高疲劳强度的途径☺合理的选择材料。☺零件设计时形状、尺寸合理。☺降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。☺采用各种表面强化处理。如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸和滚压等都可以有效地提高疲劳强度。金属材料的硬度及韧性♥不同形式的疲劳☺低周疲劳☺热疲劳☺冲击疲劳☺接触疲劳☺腐蚀疲劳