ASME标准讲解3(材料硬度、疲劳)

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。ASMESA370-2001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：ASTME10洛氏硬度HR：ASTME18维氏硬度HV：ASTME压入法(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HBW2.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。FFHB=——=————SDhDh=———2Dd——–——2222布氏硬度值450的材料选用淬火钢球压头例如：200HBS350HBS布氏硬度值450~650的材料选用硬质合金球压头例如：550HBW600HBW3.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、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(Rockwllhardness)1.压头：120º金刚石圆锥体钢球钢球HRAHRCHRB2.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。00112332h1h2h3h1-1初载10kgh12-2总载150kgh23-3卸载140kgh3最后测得：残余压痕深度增量hHR=C-h/0.002h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度值的表示：•70~85HRA•25~100HRB•20~70HRCHRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：50HRC70HRA〤50HRB40HRC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。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。应用：(三)维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)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。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。2.试验原理：用压痕两对角线的平均长度来计算。HV=F/Sa3.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):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击试验ASTME231.定义：冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图2.金属的夏比冲击试验:试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)g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。AKak=(J/cm²)S03.韧脆转变温度:-40-20020204060akT(ºc)T↓，ak急剧↓韧性→脆性脆性转变温度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ASTMA370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ASTME208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；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ASTME208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）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℃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。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。K1=Yσa2、应力场强度因子当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。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。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。疲劳（fatigue）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疲劳曲线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=1083、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