02讲 硬度 冲击吸收功 疲劳强度 断裂韧度

《机械制造技术基础》教案1=1教学内容：硬度冲击吸收功疲劳强度断裂韧度教学方式：结合实际，由浅如深讲解教学目的：理解布氏硬度和洛氏硬度的试验原理；掌握硬度表示方法；理解冲击吸收功、疲劳强度、断裂韧度的概念。重点、难点：硬度冲击吸收功疲劳强度断裂韧度教学过程：1.1.1.2硬度硬度是表征材料表面局部体积内抵抗其它物体压入时变形的能力。它是材料性能的一个综合的物理量。表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。金属材料质量检验主要用压入法进行硬度试验，而其中应用最为广泛是布氏硬度试验、洛氏硬度试验和维氏硬度试验。布氏硬度试验原理图1-3为试验原理图。它是用一定直径的淬火钢球或硬质合金钢球做压头以相应试验力压入被测材料表面，经规定保持时间后卸载，得到一直径为d的压痕，以压痕单位面积上所受试验力的大小来确定被测材料的硬度值，用符号HB表示。图］-3前氐硬度试■原理示意图符号HBSC淬火钢球)或HBW(硬质合金球压头)表示。HBS=F/A、=2F/〔nD(D—(D—d)1/2))kgf/mm2试验力为kgfHBS(HBW)=0.102X2F/{nd〔D—(D—d)1/2)}kgf/mm2试验力为NA压压痕球形面积mm2D压头直径mmd——压痕平均直径mm测出d值，通过计算或查表即可求得布氏硬度值。表示方法（1）表示布氏硬度值时应同时标出压头类型，当试验压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS；当试验压头为硬质合金钢球时，硬度符号为HBW。（2）不标单位,HBS或HBW之前数字为硬度值，例如120HBS，450HBW。（3）符号后用相应数字依次表示压头直径、试验力及保持时间。（4）零件图或工艺文件上标注硬度值时，不规定试验条件，只需范围符号。例：140HBS10/1000/30表示直径10mm的淬火钢球作压头，试验力为1000kgf，保持30s的布氏硬度值为140。3）应用范围HBS适于测量布氏硬度值小于450的材料，HBW适于测量硬度值小650的材料。因压痕大，不适宜检验薄件或成品。主要用于铸铁、有色金属、正火或调质处理的钢材等。洛氏硬度试验1）试验原理图1-4为试验原理图。洛氏硬度是用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588的淬火钢球作为压头，试验时先施加初始载荷，目的是使压头与试样表面接触良好，保证测量结果准确，然后施加主载荷，保持规定时间后卸除主载荷，依据压痕深度确定硬度值。金属越硬，压痕深度越小。为适应人们习惯上数值越大硬度越高的观念，故人为的规定一常数K减去压痕深度h的值作为洛氏硬度指标，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用HR表示，测洛氏硬度值为：HR=（k—h）/0.002k——常数，金刚石圆锥时，k为0.2；淬火钢球k为0.26。由此可见，洛氏硬度值是一个无量纲的材料性能指标，使用金刚石压头时，常数K为0.2，使用钢球压头时，常数K为0.26。实际测量时，可直接从表盘上读出硬度值。2）表示方法洛氏硬度计采用A、B、C三种标尺对不同硬度材料进行试验。硬度分别用HRA（120°金刚石圆锥体、总试验力0.5884KN）、HRB（直径1.588mm钢球、总试验力0.9807KN）、HRC（120°金刚石圆锥体、总试验力1.4711KN）表示。硬度值标在符号前，如45HRC。3）特点操作简单（直接读出硬度值）；测量范围大（软硬匀可）；压痕小，可直接测量薄件或成品。但由于压痕小，硬度波动大，为提高精度通常测定三个不同点取平均值。4）应用

HRA：硬质合金，表面淬硬层，渗碳层；HRB:非铁金属，退火、正火钢等；HRC:淬火钢，调质钢。维氏硬度试验1）试验原理（与布氏硬度原理相似）用一定大小的试验力F，把144。的硬质合金四棱锥压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力测出压痕的大小，然后求出维氏硬度HV值。HV=F/S2）应用范围：测薄片和镀层。3）优缺点：数值精确，但操作麻烦。1.1.1.3冲击吸收功许多机械零件是在冲击载荷下工件的。冲击载荷比静载荷的破坏能力大，对于承受冲击载荷的材料，还必须具备足够的冲击韧度。冲击韧度概念图1-5冲击试验示意图所谓冲击韧度，是指材料抵抗冲击载荷作用而破坏的能力，通常用一次摆锤冲击试验来图1-5冲击试验示意图冲击韧度试验试验原理如图1-5所示。将标准试样安放在摆锤试验机的支座上，试样缺口背向摆锤，将具有一定重力的G的摆锤举至一定高度h1，使其获得一定势能Gh1，然后由此高度落下将试样冲断，试样断裂后摆锤上摆到h2高度，在忽略摩擦和阻尼等条件下，摆锤冲断试样所做的功，称为冲击吸收功，以ak表示，则有Ak=G(h1-h)。用试样的断口处截面积去除冲击吸收功即得到冲击韧度即：aK=Ak/S°（"cm2）。需要说明一点，使用不同类型的标准试样（U型或V型缺口）进行试验时，冲击韧度分别以。跖或aKv表示。aK值愈大，材料的韧性愈好，受到冲击时不易断裂。生产实践证明，AK和aK值对材料组织缺陷十分敏感，能灵敏地反映材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，生产上用来检验冶炼和热加工质量的有效方法之一。随温度的降低而减小，在某一温度范围，材料的AK值急剧下降，材料由韧性状态向脆性状态转变，此时的温度称为韧脆转变温度。1.1.1.4疲劳强度

1.疲劳概念许多机械零件，例如轴、齿轮、轴承等，在工作时承受的是交变载荷。在这种载荷作用下，虽然零件所受应力远低于材料的屈服点，但在长期使用中往往会突然发生断裂，这种破坏过程称为疲劳断裂。2.疲劳强度工程上规定，材料经无数次重复交变载荷作用而不发生断裂的最大应力称为疲劳强度。图1-6是通过试验测定的材料交变应力a和断裂前应力循环次数N之间的关系曲线。曲线表明材料受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数(N)越少，反之，则N越大。当应力低于一定值时，试样经无限次循环也不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度，用。「表示；对称循环r=-1，疲劳极限用。表示。r提高疲劳强度途径金属产生疲劳同许多因素有关，目前普遍认为是由于材料内部有缺陷，如夹杂、气孔、疏松等；表面划痕、残余应力及其它能引起应力集中的缺陷导致微裂纹产生，这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件突然断裂。1.1.1.5断裂韧度前述力学性能的研究前提是假定材料是均匀、连续、各向同性的。实际上材料的组织远非是均匀、各向同性的，组织中有微裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺陷，这些缺陷可看成材料中的裂纹。当材料受到外力作用时，裂纹的尖端附近产生应力集中，形成一个裂纹尖端的应力场，应力场的强弱主要取决于一个力学参数一一应力强度因子KI。对某一个有裂纹的试样，在拉伸外力作用下，应力强度因子也随之增大，当起增大到某一临界值时，虱样中的裂