第3讲 金属材料的硬度（课件）《金属加工与实训—基础常识与技能训练》同步精品课堂（高教版）

金属材料的硬度 金属材料的布氏硬度及应用范围 金属材料的洛氏硬度及应用范围 金属材料的维氏硬度及应用范围 金属材料的韧性 金属材料的疲劳强度 金属材料的硬度、韧性与疲劳强度 任务单 金属材料的硬度 　　硬度是金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。它是衡量材料软硬程度的指标。 目前最常用的硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等，压入法根据载荷和压头不同可分为布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）等。 布氏硬度（HBW） kgf/mm2 　　式中A压—压痕球形表面积，mm2 　　　 Ｄ—压头直径，mm2 ｄ—压痕平均直径，mm。 布氏硬度值——球面压痕单位面积上所承受的平均压力，用HBW或HBS表示。 布氏硬度测试方法 常用硬度试验机 布氏硬度试验机 洛氏硬度试验机 维氏硬度试验机 布氏硬度（HBW）应用范围 常用来测试有色金属、软钢等较软材料的硬度。 布氏硬度用硬度数值、硬度符号HBW（HBS）、压头直径、试验力及试验力保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。 170HBW10/1000/30 表示直径10mm的硬质合金球压头，在9807N（1000kgf）的试验力作用下，保持30 s时测得的布氏硬度值为170。 500HBW5/30/20 直径为5mm的硬质合金球压头，在294.2N（30kgf）的实验力作用下，保持20 s时测得的布氏硬度值为500。 洛氏硬度是通过测量压痕深度来确定硬度值，无单位。 洛氏硬度（HR） 洛氏硬度是通过测量压痕深度来确定硬度值，无单位。 三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围 洛氏硬度（HR）种类 洛氏硬度（HR）应用范围 　　洛氏硬度无单位，需标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如60HRC、80HRA、90HRB。洛氏硬度各标尺之间没有对应关系，不能直接比较硬度值的高低。 　　洛氏硬度试验操作简单、迅速、压痕小，主要用于测试热处理后硬度较高的成品零件及较薄的工件，对于组织和硬度不均匀的材料，硬度值波动较大，准确性不如布氏硬度值。 维氏硬度（HV）及测量方法 kgf/mm2 　　式中 F—试验力，N 　　　　 Ao—压痕面积，mm2 d—压痕对角线的算术平均值，mm。 维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相同，但采用正四棱锥金刚石压头进行试验，用HV表示。 维氏硬度（HV）及测量方法 以淬火、低温回火T8A钢为例，测量HV值 维氏硬度（HV）应用范围 　　维氏硬度值一般不标单位，在符号HV前写出硬度值。 　　维氏硬度试验因试验力小（常用49.03N），压痕浅，轮廓清晰，数值准确，试验力选择范围大（49.03~980.7N），所以可测量从很软到很硬材料的硬度，维氏硬度值之间能直接进行比较。 　　维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层及零件表面硬化层的硬度，但试验麻烦，不宜用于成批生产的常规检验。 硬度特别说明 　　特别说明：各种硬度试验法测得的硬度值不能进行直接比较，必须通过硬度换算表换算成一种硬度值后，方能比较硬度高低。 金属材料的硬度知识树 　　韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。 　　韧性的测定通过夏比摆锤冲击试验来测定。 摆锤式冲击试验机 U形缺口试样 V形缺口试样 冲击试样 金属材料的韧性 夏比摆锤冲击试验 　　冲击吸收功：试样在冲击试验力一次作用下冲断时所吸收的功Ak ，单位 J 。 Ak=mgh-mgh1 40Cr钢冲击吸收功测定试验 金属材料的韧性 夏比摆锤冲击试验机 温度对吸收能量的影响 　　冲击吸收功 Ak 与温度有关。由左图可知，Ak 随温度降低而减少，在某一温度区域，Ak急剧变化，此温度区域称为韧脆转变温度。脆转变温度越低，材料的低温冲击性能越好。 温度对吸收能量的影响 温度对吸收能量的影响 宜宾 岷江铁路桥 上海 外白渡桥 金属材料的韧性知识树 部分机械零件，如轴、齿轮、弹簧等是在循环载荷（或循环应力、循环应变）作用下工作的，而且工作时所承受的应力值通常低于制作金属材料的屈服强度或规定残余延伸强度，但是这些零件在循环应力作用下，经过一定工作时间后却会发生突然断裂，这种现象称为金属材料的疲劳。 疲劳强度 疲劳裂纹扩展区 （光亮部分） 疲劳微裂源 最后断裂区 （粗糙部分） 试一试： 没有钳子，如何掰断一根细铁丝？ 疲劳强度 研究表明：疲劳断裂首先是在零件的应力集中区域产生，先形成微小的裂纹核心（裂纹源）。随后在循环应力作用下，裂纹继续扩展和长大。由于疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效工作面逐渐减小，造成零件实际承载区的应力不断增加，当应力超过金属材料的断裂强度时，则发生疲劳断裂，形成最后断裂区。 疲劳裂纹扩展区 （光亮部分） 疲劳微裂源 最后断裂区 （粗糙部分） 疲劳强度 金属材料在循环应力作用下能经受无限多次循环，而不断裂的最大应力值称为金属材料的疲劳强度。用符号R-1表示。 循环载荷是指载荷的大小、方向，都随时间发生周期性变化的载荷。（循环应力或循环应变） 冲击载荷是指在很短的时间内以很大的速度作用在构件上的载荷。 静载荷是指不随时间变化的恒载和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的载荷（缓慢拉伸、缓慢压入等）。 摩托车径向载荷疲劳测试机 医用病床 疲劳测试试验机 疲劳强度测试机 疲劳强度 对于钢铁材料其循环基数N=107，对于非铁金属其循环基数N=108。 提高疲劳强度的方法：除设计时在结构上注意减少零件应力集中外，还可以改善零件表面粗糙度和提高加工质量，采用适当方法进行热处理等方法，提高零件的疲劳强度。例如，采用高频淬火、表面形变强化(喷丸、滚压、内孔挤压等)、化学热处理(渗碳、渗氮)以及各种表面复合强化工艺等都可改变零件表层的残余应力状态，从而使零件的疲劳强度提高。 国产大型运输机 运-20 国产大型运输机 运-20 力学性能的应用 金属材料的疲劳强度知识树 课堂作业 什么是金属材料的力学性能？它包括哪些内容？ 什么是强度？强度有哪些衡量指标？这些指标用什么符号表示？如何测量？ 什么是塑性？塑性有哪些衡量指标？这些指标用什么符号表示？如何测量？ 弹性变形与塑性变形有何区别？ 什么是金属的工艺性能？它包括哪些内容？ $$