第五章 金屬材料的力學(xué)性能及其檢測(cè)

1、第五章 金屬材料的力學(xué)性能及其檢測(cè),4-1金屬材料的基本性能基本性能：使用性能：使用過(guò)程中表現(xiàn)的性能。（力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等） 工藝性能：材料在加工過(guò)程表現(xiàn)的性能。,4-1-1金屬材料的使用性能一、金屬材料的力學(xué)性能 金屬材料的力學(xué)性能指在機(jī)械零件設(shè)計(jì)選材和制造中主要考慮的性能。1）基本力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、彈性變形、塑性變形、抗沖擊性、斷裂韌性等。,2）與材料工作零件相關(guān)的力學(xué)

2、性能：低溫脆性、蠕變、疲勞等。3）環(huán)境作用下的力學(xué)性能等。金屬材料受力時(shí)其原子的相對(duì)位置發(fā)生改變，宏觀表現(xiàn)為形狀、尺寸的變化稱為變形。,材料受到的外力稱為載荷（負(fù)荷、負(fù)載）金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)是在專門(mén)的實(shí)驗(yàn)機(jī)上實(shí)驗(yàn)和測(cè)定。根據(jù)所加載荷的不同，試驗(yàn)可分為：靜力試驗(yàn)：試驗(yàn)時(shí)緩慢而均勻地增加載荷的試驗(yàn)。,動(dòng)力試驗(yàn)：指試驗(yàn)時(shí)快速地增加載荷的試驗(yàn)。交變載荷試驗(yàn)：試驗(yàn)中載荷的大小交變，方向交變，或大小和方向都發(fā)生周期性變化的

3、試驗(yàn)。,二、金屬的變形與靜載拉伸力學(xué)性能指標(biāo)A、強(qiáng)度 指金屬材料在外力作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力。常用材料單位面積上的抗力來(lái)表示，稱為應(yīng)力，符號(hào)為σ。 σ= F/S0 σ：應(yīng)力，MPa F：外力，N S0：原始橫截面積，mm2。,工程上常用兆帕（MPa）作強(qiáng)度單位。也可用牛/毫米2（N/mm2）。它們與工程單位制中的強(qiáng)度單位“公斤力/毫米2”（Kgf/mm2）

4、的關(guān)系是：1Kgf/mm2=9.80665N/mm2=9.80665Mpa,測(cè)定金屬?gòu)?qiáng)度的主要方法是拉伸試驗(yàn)。將拉伸試棒放在拉伸試驗(yàn)機(jī)上拉伸，得到外力—伸長(zhǎng)量關(guān)系曲線（拉伸曲線） 為了消除試樣尺寸影響，使試樣結(jié)果能反應(yīng)材料的性質(zhì)，以應(yīng)力σ= F/S0來(lái)衡量材料的受力情況。,將標(biāo)距的絕對(duì)伸長(zhǎng)△L除以標(biāo)距原有長(zhǎng)度L0。即應(yīng)變?chǔ)?△L/ L0來(lái)衡量材料的變形情況。標(biāo)距：試驗(yàn)過(guò)程中用以測(cè)量試樣應(yīng)變或長(zhǎng)度變化的兩標(biāo)記間的距離。,彈

5、性變形：卸去載荷后，試樣能恢復(fù)到原狀的變形。 塑性變形：卸去載荷后，試樣不能恢復(fù)到原狀的變形。,在應(yīng)力—應(yīng)變曲線（拉伸曲線）上可以確定以下強(qiáng)度性能指標(biāo)。（1）強(qiáng)度指標(biāo)彈性極限σe：材料在外力作用下產(chǎn)生彈性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。,比例極限σp：材料承受應(yīng)力與應(yīng)變成正比時(shí)的最大應(yīng)力。屈服強(qiáng)度：應(yīng)力幾乎不變，應(yīng)變卻不斷增加，產(chǎn)生明顯塑性變形的現(xiàn)象，稱為屈服現(xiàn)象。試樣產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力稱為材料的屈服強(qiáng)度或屈服極限，通常用屈

6、服點(diǎn)σs或條件屈服點(diǎn)σ0.2表示。屈服點(diǎn)σs：試樣在試驗(yàn)過(guò)程中力不增加（保持恒定）仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力。,如力發(fā)生下降，齒狀屈服，應(yīng)區(qū)分上、下屈服點(diǎn)。屈服階段中，試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應(yīng)力稱為上屈服點(diǎn)。（σsu）當(dāng)不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)，屈服階段中的最小應(yīng)力稱為下屈服點(diǎn)。σsL。規(guī)定用下屈服點(diǎn)表示該材料的屈服點(diǎn)。,某些金屬材料（如高碳鋼等）在拉伸試驗(yàn)中沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生，無(wú)法確定屈服極限σs，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)卸除拉

7、伸力后，其標(biāo)距部分殘余伸長(zhǎng)為原始標(biāo)距0.2%作為“規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力”，條件屈服點(diǎn)σ0.2表示。對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變不成直線關(guān)系的脆性材料，由于其斷裂后的變形很小，可以近似認(rèn)為，在工程實(shí)際中所使用的應(yīng)力范圍內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)猿芍本€關(guān)系，用一條割線來(lái)代替曲線，此時(shí)虎克定律近似可以使用。,一般零件都不許產(chǎn)生塑性變形，因此材料的屈服強(qiáng)度是進(jìn)行機(jī)械零件及構(gòu)件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)?？估瓘?qiáng)度 試樣拉斷前承受的最大應(yīng)力。即應(yīng)力—應(yīng)變曲線所能達(dá)到的最大應(yīng)力。強(qiáng)度極

8、限σb σb=Fb/S0,抗拉強(qiáng)度 σb的實(shí)際意義：1） σb代表實(shí)際機(jī)件在靜拉伸條件下的最大承載能力，易于測(cè)定，重現(xiàn)性好，所以σb工程上金屬材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一，廣泛用于產(chǎn)品規(guī)格說(shuō)明。2） σb對(duì)脆性金屬材料而言，一旦拉伸到最大值，材料便迅速斷裂，所以σb就是脆性材料的斷裂強(qiáng)度，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其許用應(yīng)力便以σb為判據(jù)。,3） σb的高低決定于屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)。在屈服強(qiáng)度一定時(shí)，應(yīng)變

9、硬化指數(shù)越大， σb也越高。所以如果知道材料的σS 和σb值，可以間接知道應(yīng)變硬化情況，σS /σb對(duì)材料形成加工極為重要，較小的σS /σb值幾乎對(duì)所有沖壓成形都是有利的。4） σb與布氏硬度HBW有一定經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。σb=1/3HBW,試樣出現(xiàn)塑性變形后，由于產(chǎn)生加工硬化，要是試樣繼續(xù)變形，外力就要繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象稱為材料的強(qiáng)化。 cd段為強(qiáng)化階段，試樣的變形是均勻的。強(qiáng)化階段的任意一點(diǎn)f處若慢慢卸去外力，此時(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

10、將沿著與oa幾乎平行的直線of回到o1.這說(shuō)明材料的變形已不能完全消失，oo1為塑性變形。試樣在強(qiáng)化階段產(chǎn)生很大的塑性變形。,當(dāng)應(yīng)力到d點(diǎn)的相應(yīng)值后，試樣的變形開(kāi)始集中于某一小段范圍內(nèi)，橫截面積出現(xiàn)局部迅速收縮，頸縮現(xiàn)象。由于局部的截面收縮，使試樣繼續(xù)變形所需的拉力逐漸減小，直到e點(diǎn) 試樣斷裂。de段稱為局部變形階段。當(dāng)應(yīng)力到達(dá)屈服點(diǎn)σs時(shí)，材料會(huì)產(chǎn)生顯著的塑性變形；到達(dá)抗拉強(qiáng)度σb時(shí)，材料會(huì)由于局部變形而導(dǎo)致斷裂。這在工程實(shí)際中都

11、是不允許的因?yàn)闃?gòu)件的斷裂喪失了工作能力，而過(guò)大的變形也會(huì)影響構(gòu)件的正常工作，斷裂和屈服都是破壞現(xiàn)象。因此，屈服點(diǎn)σs和抗拉強(qiáng)度σb是反映材料強(qiáng)度的兩個(gè)重要的性能指標(biāo)。,,,“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)最大跨度達(dá)到343米，如果使用普通鋼材，受力厚度要達(dá)到220毫米，這樣“鳥(niǎo)巢”鋼材重量將超過(guò)8萬(wàn)噸。如果鋼板太厚，焊接技術(shù)要求就更高，焊接難度就會(huì)更大。 2005年7月，為“鳥(niǎo)巢”準(zhǔn)備的110毫米厚的Q460E鋼板經(jīng)過(guò)舞陽(yáng)鋼廠的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，軋制成功

12、并進(jìn)入批量生產(chǎn)。400噸Q460E鋼材，成了“鳥(niǎo)巢”鋼筋鐵骨中最堅(jiān)硬的一部分。,首鋼、鞍鋼等企業(yè)也接下了GJ345D、345C、420C等高強(qiáng)度鋼材生產(chǎn)的訂單。在鳥(niǎo)巢整個(gè)施工期間，國(guó)產(chǎn)化鋼材經(jīng)受住了考驗(yàn)。這是一次了不起的飛躍，在鳥(niǎo)巢逐漸呈現(xiàn)在人們面前的同時(shí)，中國(guó)鋼材界也寫(xiě)下了濃重的一筆。,（2）彈性指標(biāo)彈性模量 E 材料抵抗彈性變形的能力。彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系成線性。 σ=Eε這

13、是虎克定律。E的值與材料的性質(zhì)有關(guān)，稱為材料的彈性模量。在國(guó)際制單位中為Pa。,工程上彈性模量 E被稱為材料的剛度，表征材料對(duì)彈性變形的抗力，其值越大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就越小。 E值越大，材料在彈性變形范圍內(nèi)能承擔(dān)的外力越大，變形越小，材料抵抗彈性變形的能力越強(qiáng)。,金屬材料的彈性模量隨溫度的升高而降低。溫度升高，原子間的距離增大，作用力減弱，E值下降。 剛度是金屬材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。

14、 機(jī)器零件或構(gòu)件的剛度與材料的剛度不完全相同，機(jī)器零件或構(gòu)件的剛度與其截面形狀和尺寸及載荷作用的方式有關(guān)。,(3)塑性指標(biāo)塑性：金屬斷裂前材料發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)永久變形的能力。常用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率表示。伸長(zhǎng)率：試樣拉伸斷裂前后的相對(duì)伸長(zhǎng)。δn=（L1－L0）/L0×100% L0 ：試樣的原始標(biāo)距。 L1：拉斷后試樣的標(biāo)距。它是試樣的均勻伸長(zhǎng)和產(chǎn)生“頸縮”后總伸長(zhǎng)的總和。,n：長(zhǎng)、短比例試樣的標(biāo)志，長(zhǎng)比例試樣n=10；

15、短比例試樣n=5。我國(guó)規(guī)定δ10表示L0=10d（d為試樣的直徑）長(zhǎng)度一般為100mm，直徑為10mm。同理δ5表示L0=5d。同一材料δ5＞δ10。,δn＞5%的材料稱為塑性材料，象青銅、碳素鋼、低合金鋼；δn＜5%的材料稱為脆性材料，象鑄鐵等。相同材料不同尺寸的試樣，得到同樣的伸長(zhǎng)率，規(guī)定S01/2/L0為常數(shù),凡試樣的標(biāo)距與其橫截面積有下列關(guān)系，其標(biāo)距稱為比例標(biāo)距，試樣稱為比例試樣。

16、 L0=KS01/2我國(guó)規(guī)定：短比例試樣L0=5 d0，L0/ S01/2=5.65 長(zhǎng)比例試樣L0=10 d0 L0/ S01/2=11.3,斷面收縮率：試樣斷裂前后試樣橫截面的相對(duì)收縮量。ψ= （S0－S1）/ S0×100%式中：S0—試樣原始截面積。 S1—試樣拉斷后細(xì)頸處的截面積。斷面收縮率不受試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的影響，因

17、此更能反映材料的塑性。 δ、ψ的值越大，材料的塑性越好，越容易進(jìn)行軋制和鍛造等壓力加工。,拉伸試驗(yàn)：用靜拉伸力對(duì)試樣軸向拉伸，一般拉至斷裂，測(cè)定其力和相應(yīng)的伸長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)GB 228—87 與 ISO 6692—84方法類似，應(yīng)嚴(yán)格遵守。彈性性能多為彈性特征常數(shù)。強(qiáng)度性能實(shí)質(zhì)為應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖上各不同階段的特征應(yīng)力。塑性性能實(shí)質(zhì)上為應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖上各不同階段的特征應(yīng)變或變形極限。,試樣：凡試樣的標(biāo)距與其橫截面積存在下列關(guān)系

18、，其標(biāo)距稱為比例標(biāo)距，試樣稱為比例試樣。否則稱為非比例試樣。,L0 = KL0——原始標(biāo)距，mmS0——原始橫截面積，mm2K——比例系數(shù)。若試樣為圓形。 L0 =10d0 d0試樣的原始直徑。 K=11.3 長(zhǎng)比例試樣。L0 =5d0 K=5.65 短比例試樣。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，推薦優(yōu)先采用此試樣。屈服點(diǎn)、上下屈服點(diǎn)的測(cè)定(一)圖示法1）原理：依據(jù)拉伸曲線圖，查找對(duì)應(yīng)的屈服點(diǎn)。2）條件： a.力軸每毫米代表的

19、應(yīng)力值應(yīng)大于10Mpa.b曲線高度應(yīng)使屈服力處于力軸量程的一半以上。c拉伸曲線的繪制應(yīng)在屈服階段結(jié)束。屈服點(diǎn)：σs= 上屈服點(diǎn)：σsun = 下屈服點(diǎn)：σus=,,,,,,(二)指針?lè)ㄔ恚涸囼?yàn)過(guò)程中指針首次回轉(zhuǎn)保持恒定力為Fs，或指針首次回轉(zhuǎn)前指針的最大應(yīng)力為Fsu，或不考慮第一次回轉(zhuǎn)的最低力為FsL, 然后計(jì)算σsσsuσsL3.抗拉強(qiáng)度的測(cè)定(一)圖示法抗拉強(qiáng)度：試樣拉斷前承受的最大應(yīng)力。σb=

20、 (二)指針?lè)▽⒃嚇友b卡在試驗(yàn)機(jī)上，連續(xù)施加拉力直至拉斷。計(jì)算抗拉強(qiáng)度。σb= 要求操作者密切注意指針的指示,,,4.塑性指標(biāo)測(cè)定（一）斷后伸長(zhǎng)率δδn=（L1－L0）/L0×100%測(cè)定有兩步：先用沖擊器對(duì)試樣平行標(biāo)距進(jìn)行等距劃點(diǎn)，確定L0值；試樣拉斷后L1值的確定。,(一) 低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn) （含碳量<0.3%的碳素鋼）要反映同試件幾何尺寸無(wú)關(guān)的特性要標(biāo)準(zhǔn)化—

21、— 形狀尺寸 試件的 加工精度 試驗(yàn)條件,,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定《金屬拉伸試驗(yàn)方法》（GB228-87）,試驗(yàn)方法 —— 拉力 F 從 0 漸增,標(biāo)距 的伸長(zhǎng) 隨之漸增,得 曲線（拉伸圖）,為使材料的性能同幾何尺寸無(wú)關(guān)： 〈將 F 除以 A〉 = 名義應(yīng)力 〈將伸長(zhǎng) 除

22、以標(biāo)距 〉= 名義應(yīng)變從而得 應(yīng)力應(yīng)變圖，即,曲線,3、強(qiáng)化階段 ——,4、局部變形階段 ——出現(xiàn)徑縮,1、彈性階段 ——,2、屈服階段 ——,延伸率 ——,截面收縮率 ——,這兩個(gè)值——材料塑性標(biāo)志,值越大，塑性越強(qiáng),塑性,脆性,對(duì)于低碳鋼,,,5、延伸率和截面收縮率,1.測(cè)定試樣直徑：拉伸時(shí)取試樣三個(gè)截面（兩端及中間），在相互垂直兩個(gè)方向各測(cè)量一次直徑，取其算術(shù)平均值表示該處直徑，取三次算術(shù)平均值中的最小值作為試樣計(jì)算

23、直徑。,2.將試樣放在金屬拉伸試樣標(biāo)距儀上打標(biāo)記每１０mm打一個(gè)標(biāo)記，共打１１個(gè)標(biāo)記。,拉伸實(shí)驗(yàn)步驟：,3.選擇測(cè)力范圍： ＷＥ－１０Ａ萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)共有１００ＫＮ、５０ＫＮ、２０ＫN三個(gè)讀盤(pán)。根據(jù)附錄Ⅱ查得低碳鋼（Ｑ２３５Ａ級(jí)）的強(qiáng)度極限為３７５-４６０ＭＰ 可估算出拉伸試驗(yàn)最大載荷在３０ＫＮ-40ＫＮ之間,因此，做拉伸試驗(yàn)時(shí)選擇５０ＫＮ的讀數(shù)盤(pán)，并在擺桿上配置相應(yīng)的擺錘使與所選用的測(cè)力度盤(pán)相匹配。,４．裝好繪圖儀：

24、 選擇合適的繪圖比例，將記錄筆裝在筆架上，記 錄紙卷于卷紙筒上。,5.指針調(diào)零：①先開(kāi)動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)，打開(kāi)送油閥，將活動(dòng)平臺(tái)上升起少許，然后關(guān)閉油閥。②轉(zhuǎn)動(dòng)擺桿上的平衡鉈，使擺桿保持鉛垂位置。③再轉(zhuǎn)動(dòng)水平齒桿，使指針對(duì)準(zhǔn)“零”點(diǎn)。,6.安裝試樣：拉伸時(shí)先將試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)的上夾頭內(nèi)，此時(shí)下夾頭不得夾住試樣，再開(kāi)動(dòng)下夾頭升降電動(dòng)機(jī)，調(diào)整下夾頭位置，把試樣夾緊。,7.進(jìn)行試驗(yàn)： 控制試驗(yàn)機(jī)進(jìn)油閥，用適當(dāng)?shù)乃俣葘?duì)試樣加力。

25、注意觀察測(cè)力指針的轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)繪圖的情況和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 讀取屈服荷載ＦＳ和極限荷載Ｆb。,首先將斷裂試樣對(duì)接，然后確定L1值。直接法；斷裂處距試樣一端距離＞ L0，用游標(biāo)卡尺直接量。位移法：斷裂處距試樣一端距離≤ L0，在長(zhǎng)段上從拉斷處O取基本等于短段格數(shù)，得B點(diǎn)，取等于長(zhǎng)段所余偶數(shù)格數(shù)的一半得C點(diǎn)；或所余奇數(shù)格數(shù)分別減1或加1的一半，得C和C1點(diǎn)。則L1=AB+2BC 和 L1=AB+BC+ BC1,(三)斷面收縮

26、率ψ實(shí)驗(yàn)前應(yīng)測(cè)定試樣原始橫截面積S0測(cè)定精度±1%以內(nèi)。圓形試樣在縮頸最小處兩個(gè)相互垂直的方向上測(cè)量其直徑，,用兩者的算術(shù)平均值求其橫截面積S1S1=d1 平均直徑ψ= （S0－S1）/ S0×100%試樣斷在機(jī)械刻劃的標(biāo)記上或標(biāo)距外。結(jié)果無(wú)效。試驗(yàn)后試樣出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上縮頸，以及顯示出肉眼可見(jiàn)的冶金缺陷應(yīng)注明。,,B、硬度硬度表示固體材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。按加載

27、方式不同分類： 壓入法（按加載速度分）靜載壓入法：布氏、洛氏、維氏硬度等。運(yùn)載壓入法：肖氏硬度等刻劃（切斷法）法：莫氏硬度等。,1、布氏硬度試驗(yàn)（GB231—84）1）原理：用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面的壓痕直徑。布氏硬度值是實(shí)驗(yàn)力除以壓痕球形表面積所得的商。布氏硬度=F：實(shí)驗(yàn)力，kgf(N)S：壓痕表面積mm2,,,,實(shí)際試驗(yàn)中，測(cè)

28、量壓痕直徑比測(cè)量壓痕表面積要容易。布氏硬度=D：球體壓頭直徑mm d：壓痕mm,2）布氏硬度符號(hào)說(shuō)明：壓頭為鋼球時(shí)用HBS表示。適用于布氏硬度值450以下的材料；壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)用HBW表示，適用于布氏硬度值650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前為硬度值，后面按以下順序用數(shù)值表示適用條件。球體直徑；試驗(yàn)力；試驗(yàn)力保持時(shí)間（10～15S不標(biāo)注）,例： 120HBS10/1000/30 表示用直徑10m鋼球在

29、1000kgf（9810N）載荷作用下保持30S，布氏硬度值為120。 500HBW5/750 表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在750kgf（7360N）載荷作用下保持10-15S，布氏硬度值為500。,3）試驗(yàn)及其條件溫度 一般在10~350C，溫度要求較高的試驗(yàn)在23±50C之內(nèi)。硬度計(jì)的檢查：選擇與試樣硬度值相近的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，檢查測(cè)值誤差和示值重復(fù)性,試驗(yàn)力及壓頭直徑選擇：為

30、了保證能使同一材料所測(cè)得的布氏硬度值相同，對(duì)不同材料硬度值具有可比性，必須使F/D2的比值保持一定。由硬度計(jì)算公式知道：當(dāng)載荷F與球體直徑D選定時(shí)，硬度值只與壓痕直徑d有關(guān)。實(shí)際工作中，一般用刻度放大鏡測(cè)出壓痕直徑d，根據(jù)d值查表，即可求得材料的硬度。,4）試驗(yàn)力施加和保持的時(shí)間：黑色金屬的試驗(yàn)力保持時(shí)間為10—15S；有色金屬為30S±2S；布氏硬度＜35時(shí)為60S±2S,5）壓痕有效范圍：壓痕直徑應(yīng)在0.2

31、4—0.6D之間，試驗(yàn)數(shù)據(jù)才有效。硬度值修約：HB≥100 保留整數(shù)HB 10～100一位小數(shù) HB＜10 兩位小數(shù),2、洛氏硬度試驗(yàn)1）原理：在初始試驗(yàn)力及總試驗(yàn)力的先后作用下將壓頭（頂角1200金鋼石圓錐體或鋼球）壓入試樣表面，保證壓頭與試樣表面接觸良好。經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，用測(cè)量的殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度值。,在初始試驗(yàn)力F0作用下測(cè)量h0，此時(shí)測(cè)量壓痕深度的指針在表盤(pán)為零，在主試驗(yàn)力

32、F1作用下測(cè)量h1經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間將F1卸除，由于彈性變形恢復(fù)壓頭回升到一定高度，得到由主試驗(yàn)力F1產(chǎn)生的壓痕深度的殘余增量e。顯然e值越大硬度越小，為了習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越大，一般用常數(shù)K減去e 洛氏硬度=K－e,規(guī)定：F0=98.07N e的單位為0.002mm即壓入0.002mm為洛氏硬度計(jì)刻度盤(pán)上一個(gè)小格。 K（金鋼石圓錐體）=100 K（鋼球）=130 F1為490.3 ，882

33、.6和1373N三種標(biāo)尺符號(hào)用九個(gè)字母；A、B…H、K不同載荷與不同壓頭搭配構(gòu)成九種標(biāo)尺。實(shí)際使用的硬度計(jì)已經(jīng)換算成相應(yīng)的硬度值直接讀出。,金屬的硬度可以認(rèn)為是金屬材料表面在接觸應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的一種能力。硬度測(cè)量能夠給出金屬材料軟硬的數(shù)量概念。 由于在金屬表面以下不同深度的材料承受的應(yīng)力和所發(fā)生的變形程度不同，因而硬度值可以綜合的反映壓痕附近局部體積內(nèi)金屬的彈性、微量塑變抗力、塑變強(qiáng)化能力以及大量形變抗力。,硬度

34、值越高，表明金屬抵抗塑性變形的能力越大，材料所產(chǎn)生的塑性變形就越困難。另外，硬度與其它機(jī)械性能（如強(qiáng)度指標(biāo)σb及塑性指標(biāo)Ψ和δ）之間有著一定的內(nèi)在聯(lián)系，所以從某種意義上說(shuō)硬度的大小對(duì)于機(jī)械零件或工具的使用性能以及壽命具有決定性的意義。 硬度的試驗(yàn)方法有很多：在機(jī)械工業(yè)中廣泛采用壓入法來(lái)測(cè)定硬度，壓入法又可以分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。,壓入法硬度試驗(yàn)的主要特征是： 1. 試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)最軟（即最大切應(yīng)力

35、遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力），因而不論是塑性材料還是脆性材料均能發(fā)生塑性變形。      2. 金屬的硬度與強(qiáng)度指標(biāo)之間存在如下近似的關(guān)系：σb＝K·HB ,   式中：σb －－－材料的抗拉強(qiáng)度值；            

36、60; HB－－－布氏硬度值；              K－－－系數(shù)；   退火狀態(tài)的碳鋼 K＝0.34～0.36         合金調(diào)質(zhì)鋼 K＝0.33～0.35&

37、#160;     有色金屬合金 K＝0.33～0.53,3. 硬度值對(duì)材料的耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能也有定性的參考價(jià)值，通常情況下，當(dāng)硬度值越高，這些性能也就越好。在機(jī)械零件設(shè)計(jì)圖紙上對(duì)性能的技術(shù)要求，往往只是標(biāo)注硬度值，其原因就在于此。4. 硬度測(cè)定后由于僅在金屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小的壓痕，并不損壞零件，因而適合于成品檢驗(yàn)。 5. 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作迅速方便。,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

38、：主要是了解硬度測(cè)定的基本原理及應(yīng)用范圍；布氏、洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和操作方法。    實(shí)驗(yàn)設(shè)備：HB－3000型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)和H－100型洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)以及相關(guān)的讀數(shù)放大鏡等儀器。 試樣：Ф20×10毫米的45鋼的淬火和調(diào)質(zhì)狀態(tài)，Ф20×10毫米的硬鋁。,實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：     1. 試樣兩端要平行，表面要平整，若有油污或氧化皮，

39、可用砂紙打磨，以免影響測(cè)試。 2. 圓柱型試樣應(yīng)放在帶有“V”型槽的工作臺(tái)上操作，以免試樣滾動(dòng)。,3. 加載時(shí)應(yīng)細(xì)心操作，以免損壞壓頭。     4. 加預(yù)載荷（10kgf）時(shí)，若發(fā)現(xiàn)阻力太大，應(yīng)停止加載，立即報(bào)告，檢查原因。     5. 測(cè)定硬度值，卸掉載荷后，必須使壓頭完全離開(kāi)試樣后再取下試樣。,6. 金剛鉆壓頭系貴重物件，

40、質(zhì)硬而脆，使用時(shí)要小心謹(jǐn)慎，嚴(yán)禁與試樣或其它物體碰撞。     7. 應(yīng)根據(jù)硬度試驗(yàn)機(jī)使用范圍，按規(guī)定合理選用不同的載荷和壓頭，超過(guò)使用范圍將不能獲得準(zhǔn)確的硬度值。,C、韌度指標(biāo) 沖擊韌度（韌性）指金屬在受沖擊載荷斷裂前吸收變形能量的能力。 綜合表現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性，是一個(gè)能量指標(biāo)。 通常隨加載速度提高、溫度降低、應(yīng)力集中程度加劇而減小。,一般在急劇加載作

41、用下，塑性變形速度跟不上應(yīng)力增加的速度，使強(qiáng)度指標(biāo)（σS、σb）升高，塑性指標(biāo)（δ、ψ）下降。 因此對(duì)于在沖擊負(fù)載下工作的設(shè)備及構(gòu)件必須測(cè)定抵抗沖擊載荷的性能。,GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)辦法》 為評(píng)定材料在沖擊下脆性破壞的趨向，用一種擺錘沖斷帶缺口試樣，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試樣在一次沖擊負(fù)荷作用下折斷，試樣缺口底部單位面積上所吸收的沖擊功（Ak）。 Ak直接從沖擊試驗(yàn)機(jī)上讀出。,將重為G的擺錘

42、提到某一高度h0，擺錘具有位能Gh0，然后將擺錘自由落下將試樣沖斷，擺錘在消耗一部分位能后轉(zhuǎn)向另一側(cè)較低的高度h，位能為Gh。如不計(jì)其他能量損失，則沖斷時(shí)消耗的沖擊功 Ak = Gh0- Gh,作為衡量材料抗沖擊斷裂能力的性能指標(biāo)，沖擊韌度（ak） ak = Ak/A (J/cm2)A：試樣缺口處的橫截面積（cm2） 沖擊韌度也可理解為一次沖斷帶缺口試樣所吸收的能量。這個(gè)能量包括裂紋

43、形成、擴(kuò)展直到斷裂所需的總能量。,它隨試樣的形狀尺寸不同而顯著改變。因此由標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)得的ak不能直接換算到實(shí)際構(gòu)件上，只能作為比較材料抵抗斷裂能力的一個(gè)參考指標(biāo)。,開(kāi)缺口的目的是為了使缺口根部的材料在受沖擊時(shí)處于三向受拉的應(yīng)力狀態(tài)，該處的材料更易于呈脆性斷裂。 鑄鐵等極易沖斷的材料，試樣可以不開(kāi)缺口。 ak或Ak對(duì)材料的一些缺陷很敏感，能靈敏反映出材料的宏觀和顯微組織方面的微小變化，是檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理工藝得

44、到的半成品的有效方法之一。,沖擊功沖斷試樣時(shí)實(shí)際為試樣發(fā)生變形的體積所吸收，將沖擊功用斷口面積除并無(wú)明確的物理意義。 因此實(shí)際應(yīng)用中常直接以沖擊功表示材料抵抗沖斷的性能。,試驗(yàn)設(shè)備及儀器： 標(biāo)準(zhǔn)打擊能量為300J（±10J）和150J（±10J），打擊的瞬間擺錘的沖擊速度應(yīng)為5.0~5.5m/s范圍內(nèi)。其他沖擊能量的試驗(yàn)機(jī)沖擊速度有變化。 能量損失，試驗(yàn)機(jī)由于摩擦阻力和空氣阻力產(chǎn)生的

45、能量損失不超過(guò)相應(yīng)擺錘最大能量的0.5%。,四、金屬的高溫力學(xué)性能 當(dāng)金屬承受恒定載荷或恒定應(yīng)力時(shí)（尤其是在高溫），即使工作應(yīng)力小于屈服點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，也會(huì)緩慢產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象叫蠕變。,蠕變：應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象。它與塑性變形不同，塑性變形通常在應(yīng)力超過(guò)彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應(yīng)力的作用時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，它在應(yīng)力小于彈性極限時(shí)也能出現(xiàn)。 各種金屬材料的蠕變溫度約為0.3

46、Tm，Tm為熔化溫度，以熱力學(xué)溫度表示。通常碳素鋼超過(guò)300-350攝氏度，合金鋼在400-450攝氏度以上時(shí)才有蠕變行為，對(duì)于一些低熔點(diǎn)金屬如鉛、錫等，在溫室下就會(huì)發(fā)生蠕變。,金屬的高溫力學(xué)性能用蠕變極限和持久強(qiáng)度極限表示 σ700 0.2/100=98MPa，表示工作溫度7000C，經(jīng)100小時(shí)后蠕變的伸長(zhǎng)率（總伸長(zhǎng)率或塑性伸長(zhǎng)率）為0.2%時(shí)的蠕變極限是98MPa.。,持久強(qiáng)度極限：在規(guī)定溫度下，材料達(dá)到規(guī)定時(shí)間而不斷

47、裂的最大應(yīng)力。是衡量材料抵抗蠕變斷裂能力的性能指標(biāo)。,其他使用性能的幾點(diǎn)說(shuō)明 一、物理性能 密度：一般指體積密度。某物質(zhì)單位體積的質(zhì)量。 ρ=m/v ρ某物質(zhì)密度（g/cm3，kg/m3） m某物質(zhì)質(zhì)量（g，kg） v某物質(zhì)質(zhì)量m所占的體積（cm3，m3）,根據(jù)密度的定義：只要測(cè)得試樣的質(zhì)量和體積，就可以求得材料的密度。 試樣在液體中所受的浮力等于試樣在空氣中的重量W與全浸入液體時(shí)的重量W1之差。

48、,即：F = W – W1 =（m – m1)g式中 ：m、m1——該試樣在空氣及全浸入液體中平衡時(shí)相應(yīng)的天平砝碼質(zhì)量。g ——常數(shù)，一般取9.8,根據(jù)阿基米德原理，試樣在液體中所受的浮力等于它所排開(kāi)液體的重量。 F = ρ0Vg Ρ0 液體的密度。 V：試樣體積，即浸沒(méi)液體中排開(kāi)液體的體積。 故（m – m1)g =ρ0Vg,而ρ=m/v 整理后得： ρ= mρ0/（m – m1）

49、 一般把密度大于5g/cm3的金屬稱為重金屬；小于5g/cm3的金屬稱為輕金屬。,熔點(diǎn)：熔點(diǎn)是金屬?gòu)墓虘B(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的熔化溫度。K叫熱力學(xué)溫度（絕對(duì)溫度）。0C攝氏溫度。,導(dǎo)電性：金屬傳導(dǎo)電流的能力。衡量金屬材料導(dǎo)電性能的指標(biāo)是電導(dǎo)率和電阻率。電導(dǎo)率的單位是西門(mén)子每米，s/m,,電阻率也叫電阻系數(shù)，為電阻（R）乘以橫截面積（S）與該導(dǎo)體長(zhǎng)度（l）的比值。 ρ=R S/l Ωm2/m 簡(jiǎn)寫(xiě)為Ωm導(dǎo)

50、熱性：金屬傳導(dǎo)熱量的能力。,磁性：金屬材料在磁場(chǎng)中受磁化而呈現(xiàn)磁性的性能。鐵磁性材料：在外加磁場(chǎng)中，能強(qiáng)烈地被磁化到很大程度。順磁性材料：在外加磁場(chǎng)中，只是微弱地被磁化。,抗磁性材料：抗拒或削弱外加磁場(chǎng)對(duì)材料的磁化作用。衡量磁性材料磁化難易程度（即導(dǎo)磁能力）的性能指標(biāo)是磁導(dǎo)率（磁導(dǎo)系數(shù)） 磁導(dǎo)率（μ）=B/H B：磁感應(yīng)強(qiáng)度 H：磁場(chǎng)強(qiáng)度,二、化學(xué)性能 耐蝕性：金屬抗拒周圍各種介質(zhì)侵

51、蝕或腐蝕的能力。 據(jù)統(tǒng)計(jì)世界每年因腐蝕而報(bào)廢的金屬設(shè)備和材料幾乎一億噸。,抗氧化性：金屬材料在加熱時(shí)抵抗氧氣氧化作用的能力?；瘜W(xué)穩(wěn)定性：金屬材料的抗腐蝕性和抗氧化性的總稱。,三、金屬材料的工藝性能 工藝性能表征材料承受不同工藝過(guò)程的能力。主要有：鑄造性、鍛壓性、焊接性、可切削性和熱處理工藝性能。 每種金屬和合金都有自己的熔點(diǎn)。工業(yè)上一般將低于7000C的金屬稱為易熔金屬。,熱膨脹性：熱膨脹性是指金屬及合金受熱

52、時(shí)體積增大冷卻時(shí)收縮的一種性能。一定的溫度范圍內(nèi)，金屬各個(gè)線度的變化與溫度的變化成正比，這種膨脹叫線形膨脹。,線形膨脹范圍內(nèi)，金屬材料溫度每升高10C時(shí)，其 線度的生長(zhǎng)量與其在00C時(shí)的線度之比，叫金屬材料的線膨脹系數(shù)α。α= （1/度）△T：溫度的變量△L：相應(yīng)△T的長(zhǎng)度變量L：物體的原長(zhǎng)度,計(jì)算體積膨脹的時(shí)候，必須注意，體膨脹系數(shù)等于線膨脹的三倍。流動(dòng)性是指液態(tài)金屬充滿鑄型的能力，受金屬

53、化學(xué)成分和澆注溫度的影響；,收縮性是指金屬由液態(tài)向固態(tài)凝固后體積收縮的程度；偏析是指金屬凝固后內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)成分和組織上的不均勻。鍛壓性（可鍛性、鍛造性）鍛壓性指金屬承受鍛壓后，改變自己的形狀而不產(chǎn)生破裂的性能。實(shí)際是金屬塑性好壞的一種表現(xiàn)。,焊接性：指金屬材料是否容易用焊接方法焊成優(yōu)良接頭的性能。 可切削加工性：（可切削性）：金屬是否易被刀具切削的性能。 熱處理工藝性：主要是指金屬材料在熱處理中的淬硬性和淬透性

54、。,淬硬性（可硬性）鋼在淬火后能夠達(dá)到的最高硬度， 取決于馬氏體的含碳量。馬氏體是鋼從高溫奧氏體狀態(tài)急冷（淬火）下來(lái)，得到的一種在α—Fe中的過(guò)飽和固溶體，碳位于α—Fe晶格間隙。馬氏體中的含碳量就是原奧氏體中的含碳量。,淬透性（可淬性）鋼在淬火時(shí)能夠獲得馬氏體的能力。淬透性的大小是以一定淬火條件下淬透層深度來(lái)表示。即由淬火引起的硬化效應(yīng)所達(dá)到的深度，實(shí)際采用自表面向里深入到半馬氏體層（50%馬氏體+50%屈氏體或其它分解產(chǎn)物）的距