材料力学性能实验

材料力学性能实验第1页，共16页，2023年，2月20日，星期一硬度材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。早在1822年，Friedrichmohs提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体，这是所谓的摩氏硬度计。硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。第2页，共16页，2023年，2月20日，星期一摩氏硬度计矿物的硬度矿物的软硬程度叫硬度。一般用两种不同的矿物互相刻划，来比较矿物的相对硬度，德国矿物学家摩氏用这种互相刻划的方法，挑选了十种矿物作为衡量矿物硬度的标准，叫摩氏硬度计。

如有一种未知硬度的矿物，用它能刻划正长石，但不能刻划石英，则此矿物的硬度可定为6.5度。其他可依此类推。

第3页，共16页，2023年，2月20日，星期一硬度分类1.划痕硬度：主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。

第4页，共16页，2023年，2月20日，星期一硬度分类2.压入硬度。主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。第5页，共16页，2023年，2月20日，星期一硬度分类3.回跳硬度。主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。第6页，共16页，2023年，2月20日，星期一布氏硬度范围为8~650HBW布氏硬度的测定原理是用一定大小的试验力F(N),把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径d(mm)，然后按公式求出布氏硬度HB值，或者根据d从已备好的布氏硬度表中查出HB值。HBS（HBW）=F/S=2F/πD[D-(D2-d2)1/2]HBS——表示用淬火钢球压头测量的布氏硬度值。适用范围：小于450；HBW——表示用硬质合金压头测量的布氏硬度值。适用范围：450~650第7页，共16页，2023年，2月20日，星期一第8页，共16页，2023年，2月20日，星期一布氏硬度的特点及测量范围布氏硬度特点：优点：测量数值稳定，准确，能较真实地反映材料的平均硬度；缺点：压痕较大，操作慢，不适用批量生产的成品件和薄形件布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）第9页，共16页，2023年，2月20日，星期一布氏硬度表示方法符号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第10页，共16页，2023年，2月20日，星期一洛氏硬度

用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F

的作用下，将压头压入材料表面，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。

HR=K-h/0.002K——常数，金刚石压头取值100，球形压头取值130第11页，共16页，2023年，2月20日，星期一常用洛氏硬度的试验条件和应用范围

洛氏硬度测量条件：洛氏硬度可以测量从软到硬较大范围的硬度值，根据被测对象硬度值大小不同，可用不同的压头和试验力，如下表。第12页，共16页，2023年，2月20日，星期一洛氏硬度特点及测量范围洛氏硬度特点：优点：测量迅速、简便、压痕小、硬度测量范围大，

缺点：数据准确性、稳定性、重复性不如布氏硬度洛氏硬度测量范围：可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材料（如上表所示）第13页，共16页，2023年，2月20日，星期一维氏硬度：HV

维氏硬度测量原理：与布氏硬度相似。采用相对面夹角为136o金刚石正四棱锥压头，以规定的试验力F压入材料的表面，保持规定时间后卸除试验力，用正四棱锥压痕单位表面积上所受的平均压力表示硬度值。维氏硬度特点：测量范围大，可测量硬度为10~1000HV范围的材料；量压痕小。维氏硬度应用：可测量较薄的材料渗碳、渗氮等表面硬化层。

第14页，共16页，2023年，2月20日，星期一硬度相互换算上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试验结果不能直接进行比较，应查阅硬度换算表进行比较。各种硬度的换算经验公式：硬度在200~600HBS时：1HRC相当于10HBS；硬度小于450HBS时：1HBS相当于1HV

利用布氏硬度压痕直径直接换算出工件的洛氏硬度：根据布氏硬度和洛氏硬度换算表，可归纳出一个计算简单且容易记住的经验公式：HRC=（479-100D）/4，其中D为Φ10mm钢球压头在30KN压力下压在工件上的压痕直径测量值。该公式计算出的值与换算值的误差在0.5～-1范围内，该公式在现场用起来十分方便。第15页，共16页，2023年，2月20日，星期一冲击韧性定义：冲击试样的冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积的商。用“aK”表示。是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）。冲击韧性或冲击功试验（简称“冲击试验”），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为“V”形缺口和“U”形缺口冲击试验两种。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。冲击韧性（冲击值）ak：工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。因此，冲击韧度ak表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。ak值的大小表示材料的韧性好坏。一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。ak值对材料的内部结构缺陷