02

材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能

 

2.1 壓縮試驗(yàn)

2.1.1 概述

壓縮試驗(yàn)是測(cè)定材料在軸向靜壓力作用下的力學(xué)性能的試驗(yàn)，是材料機(jī)械性能試驗(yàn)的基本方法之一。主要用于測(cè)定金屬材料在室溫下單向壓縮的屈服點(diǎn)和脆性材料的抗壓強(qiáng)度。

壓縮性能是指材料在壓應(yīng)力作用下抗變形和抗破壞的能力。

工程實(shí)際中有很多承受壓縮載荷的構(gòu)件，如大型廠房的立柱、起重機(jī)的支架、軋鋼機(jī)的壓緊螺栓等。這就需要對(duì)其原材料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)評(píng)定。

 

2.1.2 概念

壓縮屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，試樣在試驗(yàn)過(guò)程中達(dá)到力不在增加而繼續(xù)變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力。

上壓縮屈服強(qiáng)度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高壓縮應(yīng)力。

下壓縮屈服強(qiáng)度：屈服期間不計(jì)瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低壓縮應(yīng)力。

抗拉強(qiáng)度：對(duì)于脆性材料，試樣壓至破壞過(guò)程中的最大壓縮應(yīng)力。

壓縮彈性模量：試驗(yàn)過(guò)程中，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變呈線性比例關(guān)系范圍內(nèi)的軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變的比值。

 

2.1.3 試驗(yàn)設(shè)備儀器及試樣

設(shè)備儀器：（1）材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；（2）游標(biāo)卡尺。

壓縮試樣通常為柱狀，橫截面有圓形和方形兩種。

試樣受壓時(shí)，兩端面與試驗(yàn)機(jī)壓頭間的摩擦力會(huì)約束試樣的橫向變形，且試樣越短，影響越大；但試樣太長(zhǎng)容易產(chǎn)生縱向彎曲而失穩(wěn)。

2.1.4 壓縮試驗(yàn)的力學(xué)分析

低碳鋼

低碳鋼試樣裝在試驗(yàn)機(jī)上，受到軸向壓力F作用，試樣產(chǎn)生變形量△l兩者之間的關(guān)系如圖。

 

低碳鋼壓縮時(shí)也有彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段。低碳鋼壓縮變形，不會(huì)斷裂，由于受到上下兩端摩擦力影響，形成“鼓形”。

試樣直徑相同時(shí)，低碳鋼壓縮曲線和拉伸曲線的彈性階段幾乎重合，屈服點(diǎn)也基本一致。

 

低碳鋼是塑性材料，試樣屈服后，塑性變形迅速增長(zhǎng)，其橫截面積也隨之增大，增加的面積又能承受更大的載荷，所以只能測(cè)得屈服極限，無(wú)法測(cè)得強(qiáng)度極限。

 

鑄鐵

鑄鐵試樣裝在試驗(yàn)機(jī)上，受到軸向壓力F作用，試樣產(chǎn)生變形量△l兩者之間的關(guān)系如圖。

 

灰鑄鐵的抗壓強(qiáng)度是其抗拉強(qiáng)度的3-4倍。

鑄鐵在較小變形下出現(xiàn)斷裂，略成“鼓形”，斷面的法線與軸線成45—55度；

試樣直徑相同時(shí)，鑄鐵壓縮曲線和拉伸曲線差異較大，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度。

 

2.2  彎曲試驗(yàn)

2.2.1 概述

彎曲性能指材料承受彎曲載荷時(shí)的力學(xué)性能。

彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)材料在受彎曲載荷作用下的性能，許多機(jī)器零件（如脆性材料制作的刀具、橫梁、車軸等）是在彎曲載荷下工作的，主要用于測(cè)定脆性和低塑性材料(如鑄鐵、高碳鋼、工具鋼等)的抗彎強(qiáng)度并能反映塑性指標(biāo)的撓度；彎曲試驗(yàn)還可用來(lái)檢查材料的表面質(zhì)量。

試驗(yàn)一般在室溫下進(jìn)行，所以也稱為冷彎試驗(yàn)。

 

2.2.2 概念

撓度：彎曲變形時(shí)橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移；

彎曲應(yīng)力：彎曲時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力；

彎曲應(yīng)變：試樣跨度中心外表面上單元長(zhǎng)度的微量變化；

彎曲彈性模量：彎曲應(yīng)力與彎曲應(yīng)變呈線性比例關(guān)系范圍內(nèi)的彎曲應(yīng)力與應(yīng)變之比。

彎曲強(qiáng)度：在達(dá)到規(guī)定撓度值時(shí)或之前，負(fù)荷達(dá)到最大值時(shí)的彎曲應(yīng)力；

 

2.2.3 彎曲試驗(yàn)原理

將一定形狀和尺寸的試樣放置于一定跨距L的支座上，并施加一集中載荷，使試樣產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和變形。

彎曲試驗(yàn)分為三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲，三點(diǎn)彎曲是最常用的試驗(yàn)方法。

2.2.4 彎曲試樣及試驗(yàn)裝置

彎曲試驗(yàn)試樣的橫截面形狀可以為圓形、方形、矩形和多邊形，但應(yīng)參照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議的規(guī)定；

室溫下可用鋸、銑、刨等加工方法截取，試樣受試部位不允許有任何壓痕和傷痕，棱邊必須銼圓，其半徑不應(yīng)大于試樣厚度的1/10；

 

彎曲試驗(yàn)通常在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)或壓力機(jī)上進(jìn)行；常用的彎曲裝置有支輥式、V型模具式、虎鉗式、板式等。

 

2.2.5 彎曲試驗(yàn)的力學(xué)分析

彎曲曲線是通過(guò)彎曲試驗(yàn)得到的彎曲載荷和試樣彎曲撓度的關(guān)系曲線。

試樣彎曲時(shí)，受拉側(cè)表面的最大正應(yīng)力：σ=M/W。（M—最大彎矩，三點(diǎn)彎曲：M=FLs/4；四點(diǎn)彎曲：M=Fa/2；W—抗彎截面系數(shù)，對(duì)于直徑為d的圓形試樣：W=πd³/32；對(duì)于寬帶為b，高為h的矩形試樣：W=bh²/6。

 

2.2.6 性能指標(biāo)

抗彎強(qiáng)度——試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的，按彈性彎曲應(yīng)力公式計(jì)算得到的最大彎曲應(yīng)力，用符號(hào)σ_bb表示：σ_bb=M_b/W（M_b—斷裂時(shí)的彎矩）

灰鑄鐵的抗彎性能優(yōu)于抗拉性能。

 

斷裂撓度f_bb——將試樣對(duì)稱地安放在彎曲試驗(yàn)裝置上，撓度計(jì)裝在試樣中間的測(cè)量位置上，對(duì)試樣連續(xù)施加彎曲力，直至試樣斷裂，測(cè)量試樣斷裂瞬間跨距中點(diǎn)的撓度。

 

2.3 剪切試驗(yàn)

2.3.1 概述

剪切試驗(yàn)用于測(cè)試材料的剪切強(qiáng)度，剪切試驗(yàn)實(shí)際上就是測(cè)定試樣剪切破壞時(shí)的最大錯(cuò)動(dòng)力。

受剪切力作用的工程結(jié)構(gòu)件有螺栓、銷釘、鉚釘?shù)取?/span>

作用在試樣兩個(gè)側(cè)面的載荷，其合力為大小相等、方向相反、作用線相距很近的一對(duì)力，如圖所示：

 

2.3.2 剪切試驗(yàn)分類

一般分為單剪試驗(yàn)、雙剪試驗(yàn)、沖孔試驗(yàn)、開(kāi)縫剪切試驗(yàn)和復(fù)合鋼板剪切試驗(yàn)等。

 

2.3.4 試樣及試驗(yàn)裝置

試樣

剪切試樣根據(jù)剪切試驗(yàn)方法和夾具確定。

圓柱形試樣：試樣直徑和長(zhǎng)度根據(jù)夾具確定，一般取直徑為5，10，15mm。沖孔板狀試樣：薄板不能做成圓柱形試樣時(shí)，可用沖孔剪切試樣，板狀試樣厚度一般小于5mm。實(shí)際零件剪切試樣：用實(shí)際零件如鉚釘、螺栓等。

 

試驗(yàn)裝置

 

 

2.3.5 剪切性能的測(cè)定

室溫剪切試驗(yàn)應(yīng)在10~35℃下進(jìn)行；

對(duì)不同的試樣，選擇合適的裝置，裝置安裝時(shí)，與試驗(yàn)機(jī)的壓頭中心線一致，不   得偏心；

剪切試驗(yàn)速度≯15mm/min，高溫≯5mm/min；

高溫剪切試驗(yàn)：試驗(yàn)升溫時(shí)間≯1h，保溫時(shí)間為15～30min。

 

 

2.3.6 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試樣剪斷后，記下剪切試驗(yàn)過(guò)程的最大試驗(yàn)力F。按以下公式計(jì)算抗剪強(qiáng)度τ_b，MPa。

 

單剪抗剪強(qiáng)度：τ_b=F/S₀（S₀—試樣原始橫截面積，mm²）

雙剪抗剪強(qiáng)度：τ_b=F/2S₀=2F/(πd²)（S₀—試樣原始橫截面積，mm²）

雙剪抗剪強(qiáng)度：τ_b=F/(πd₀t)（d₀—沖孔直徑，mm²；t——試樣厚度，mm）

抗剪強(qiáng)度的計(jì)算精確到3位有效數(shù)。

剪斷后發(fā)生彎曲、斷口出現(xiàn)鍥形、橢圓形等剪切截面，結(jié)果無(wú)效，應(yīng)重做。

 

2.4    扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

2.4.1 概述

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是測(cè)定材料抵抗扭矩作用的一種試驗(yàn)，是材料機(jī)械性能試驗(yàn)的基本試驗(yàn)方法之一。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是對(duì)試樣施加扭矩T，測(cè)量扭矩T及相應(yīng)的扭角φ ，繪制出扭轉(zhuǎn)曲線圖，一般扭至斷裂，以便測(cè)定金屬材料的各項(xiàng)扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能指標(biāo)。

在機(jī)械、石油、冶金等工程中有許多機(jī)械零部件承受扭轉(zhuǎn)載荷作用的實(shí)例，如如軸、彈簧等需進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

特點(diǎn)

扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)較大，因而可用于測(cè)定那些在拉伸時(shí)表現(xiàn)為脆性的材料。如：淬火低溫回火工具鋼的塑性。

圓柱試件在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)度上的塑性變形始終是均勻的。試件截面及標(biāo)距長(zhǎng)度基本保持不變，不會(huì)出現(xiàn)靜拉伸時(shí)試件上發(fā)生的頸縮現(xiàn)象。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以明確地區(qū)分材料的斷裂方式，正斷或切斷。對(duì)于塑性材料，斷口與試件的軸線垂直，斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，試件截面上的應(yīng)力應(yīng)變分布表明，該試驗(yàn)對(duì)金屬表面缺陷顯示很大的敏感性。因此，可利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究或檢驗(yàn)工件熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，試件受到較大的切應(yīng)力，因而還被廣泛地應(yīng)用于研究有關(guān)初始塑性變形的非同時(shí)性的問(wèn)題。如彈性后效、彈性滯后以及內(nèi)耗等。

 

2.4.2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的應(yīng)用

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可用于測(cè)定塑性材料和脆性材料的剪切變形和斷裂的全部力學(xué)性能指標(biāo)，并且還有著其他力學(xué)性能試驗(yàn)方法所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

 

扭轉(zhuǎn)斷口形態(tài)

（a—切斷斷口，b—正斷斷口，c—層狀斷口）

塑性材料斷口與試件的軸線垂直，斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡（圖a），這是由切應(yīng)力造成的切斷；

脆性材料斷口約與試件軸線成45度成螺旋狀（圖b）；
如果材料的軸向切斷抗力比橫向的低，扭轉(zhuǎn)斷裂時(shí)可能出現(xiàn)層狀或木片狀斷口（圖c）。

可以根據(jù)斷口特征，判斷產(chǎn)生斷裂的原因以及材料的抗扭強(qiáng)度和抗拉（壓）強(qiáng)度相對(duì)大小。

 

2.4.3 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的原理

在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著扭矩的增大，試件標(biāo)距兩端截面不斷產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使扭轉(zhuǎn)角的增大，利用試驗(yàn)機(jī)的繪圖裝置繪出曲線，即M_n—φ曲線（又稱扭轉(zhuǎn)圖）來(lái)描述。

根據(jù)材料性能的不同，扭轉(zhuǎn)曲線可以分為兩種典型——低碳鋼和鑄鐵。

扭轉(zhuǎn)圖與拉伸試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力—應(yīng)變曲線相似，這是因?yàn)樵谂まD(zhuǎn)時(shí)試件的形狀不變，其變形始終是均勻的，即使進(jìn)入塑性變形階段，扭矩仍隨變形的增大而增加，直至試件斷裂。

 

低碳鋼的扭轉(zhuǎn)曲線

 

彈性階段OA  

曲線到達(dá)D點(diǎn)，在試件比較薄弱的某一局部(材質(zhì)不均勻或有缺陷處)，變形顯著增加，有效橫截面急劇減小，出現(xiàn)了縮頸現(xiàn)象。此后，試件的軸向變形主要集中在頸縮處，試件最后在頸縮處被拉斷。

外加扭矩不超過(guò)彈性范圍時(shí)，變形是彈性的，M_n-φ 曲線是一條直線。當(dāng)邊緣處的剪應(yīng)力達(dá)到剪切屈服極限，此時(shí)對(duì)應(yīng)的扭矩為M_p。截面上的應(yīng)力成線形分布，表面的剪應(yīng)力最大。即τ_max= M_n /W_n

 

屈服階段AB  

超過(guò)彈性范圍后試樣開(kāi)始屈服。屈服過(guò)程是由表面至圓心逐漸進(jìn)行的，這時(shí)_Mn-φ曲線開(kāi)始變彎，橫截面的塑性區(qū)逐漸向圓心擴(kuò)展，截面上的應(yīng)力不再是線形分布試樣整體屈服后，_Mn-φ曲線上出現(xiàn)屈服平臺(tái)，此時(shí)主動(dòng)指針指示的最小值屈服扭矩記作_Ms。

外加扭矩不超過(guò)彈性范圍時(shí)，變形是彈性的，_Mn-φ曲線是一條直線。當(dāng)邊緣處的剪應(yīng)力達(dá)到剪切屈服極限，此時(shí)對(duì)應(yīng)的扭矩為M_p。截面上的應(yīng)力成線形分布，表面的剪應(yīng)力最大。即τ_max= M_n / W_n

 

屈服強(qiáng)度τ_s=(3/4)(M_s/W_n)

 

 強(qiáng)化階段BC  

超過(guò)屈服階段后M_n—φ曲線又開(kāi)始上升，表明材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，即材料要繼續(xù)變形扭矩就必須不斷增長(zhǎng)。低碳鋼有很長(zhǎng)的強(qiáng)化階段但沒(méi)有頸縮直至斷裂。

 

抗扭強(qiáng)度極限τ_b=(3/4)(M_b/W_n)

 

鑄鐵的扭轉(zhuǎn)曲線

鑄鐵的M_n—φ 曲線加載到一定程度就較明顯地偏離了直線直至斷裂。說(shuō)明鑄鐵扭斷前的塑性變形較拉伸時(shí)明顯。鑄鐵斷裂時(shí)的最大剪應(yīng)力定義為強(qiáng)度極限記作τ_b。

τ_b=(3/4)(M_b/W_n)

 

 

2.4.4 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的試樣

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分為圓柱形試樣和管形試樣兩類。

圓柱形試樣推薦采用直徑為10mm，標(biāo)距分別為50mm和10mm，平行長(zhǎng)度分別為70mm和120mm的試樣。如采用其他直徑的試樣，其平行長(zhǎng)度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。

管形試樣的平行長(zhǎng)度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍外直徑。

 

2.3.5 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的儀器設(shè)備

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)

允許使用不同類型的機(jī)械式或電子式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)扭矩示值相對(duì)誤差應(yīng)不大于士1%，應(yīng)由計(jì)量部門定期進(jìn)行檢定；

試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)兩夾頭中之一應(yīng)能沿軸向自由移動(dòng)，對(duì)試樣無(wú)附加軸向力，兩夾頭保持同軸；

試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩，無(wú)沖擊和震動(dòng)，在30s內(nèi)保持扭矩恒定。

 

扭轉(zhuǎn)計(jì)

允許使用不同類型的扭轉(zhuǎn)計(jì)測(cè)量扭角，如鏡式扭轉(zhuǎn)計(jì)、表式扭轉(zhuǎn)計(jì)、電子型扭轉(zhuǎn)計(jì)等，推薦使用電子型扭轉(zhuǎn)計(jì)。

1—試樣；2—固定夾塊；3—緊定螺母；

4—旋轉(zhuǎn)夾塊；5—標(biāo)距標(biāo)尺；6—數(shù)字百分表

 

2.3.6 相關(guān)力學(xué)性能

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)應(yīng)在室溫10～35℃下進(jìn)行；扭轉(zhuǎn)速度:屈服前應(yīng)在3°～30°/min范圍內(nèi)，屈服后不大于720°/min。速度的改變應(yīng)無(wú)沖擊。

 

（1）剪切模量的測(cè)定

圖解法

用自動(dòng)記錄方法記錄扭矩—扭角曲線。在曲線的彈性直線段上讀出扭矩增量和扭角增量。

扭矩—扭角曲線

剪切模量：G=(△TL_e)/(△ΦI_p)

L_e—扭轉(zhuǎn)計(jì)標(biāo)距；I_p—極慣性矩

逐級(jí)加載法

在彈性直線段范圍內(nèi)，用不少于5級(jí)等扭矩對(duì)試樣加載。記錄每級(jí)扭矩和相應(yīng)的扭角，計(jì)算出平均每級(jí)扭角增量，按圖解法中公式計(jì)算剪切模量G。

 

（2）規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的測(cè)定

用自動(dòng)記錄方法記錄扭矩—扭角曲線。在曲線上延長(zhǎng)彈性直線段交扭角軸于O點(diǎn)，截取OC段，過(guò)C點(diǎn)作彈性直線段的平行線CA交曲線于A點(diǎn)，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的扭矩為T_p。

 

規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度：τ_b=T_p/W

 

（3）上、下屈服強(qiáng)度的測(cè)定

采用圖解法或指針?lè)y(cè)定，試驗(yàn)時(shí)用自動(dòng)記錄方法記錄扭轉(zhuǎn)曲線，或直接觀測(cè)試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤指針的指示。

首次下降前的最大扭矩為上屈服扭矩，屈服階段中不計(jì)初始瞬間效應(yīng)的最小扭矩為下屈服扭矩。

上屈服強(qiáng)度：τ_eH=T_eH/W

下屈服強(qiáng)度：τ_eL=T_eL/W

 

（4）扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的測(cè)定

對(duì)試樣連續(xù)施加扭矩，直至扭斷。從記錄的扭轉(zhuǎn)曲線或試驗(yàn)機(jī)扭矩度盤上讀出試樣扭斷前所承受的最大扭矩，用公式計(jì)算抗扭強(qiáng)度。

 

抗扭強(qiáng)度：τ_m=T_m/W

(τ_m—抗扭強(qiáng)度；T_m—最大扭矩；W—截面系數(shù))

 

2.3.7 試樣斷口分析

 

碳鋼破壞斷口形狀：平面斷口

表明斷裂是由剪應(yīng)力引起的。斷面上可看出回旋狀塑性變形的痕跡，是典型的韌狀斷口。斷裂時(shí)的剪應(yīng)力定義為強(qiáng)度極限記作τ_b 。

鑄鐵破壞斷口形狀：45°螺旋斷口

表明斷裂是由最大拉應(yīng)力引起的。而最大拉應(yīng)力先于最大剪應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后發(fā)生斷裂又說(shuō)明了鑄鐵的抗拉能力弱于其抗剪能力。

 

純扭轉(zhuǎn)時(shí)圓試樣的表面處于純剪應(yīng)力狀態(tài)，與桿軸成±45º角的螺旋面上分別作用著兩個(gè)主應(yīng)力:  σ₁、σ₃ 并與最大剪應(yīng)力τmax絕對(duì)值數(shù)值相等。因此試樣的斷口角度直接顯示材料是拉斷還是剪斷、材料自身抗拉、抗剪能力的強(qiáng)弱由此得到直接地比較。

 

純扭轉(zhuǎn)時(shí)圓試樣的表面處于純剪應(yīng)力狀態(tài)
 

 

2.5 硬度試驗(yàn)

2.5.1 概述

硬度表征的是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，反映了材料的軟硬程度。

硬度不是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)。如刻劃法型硬度試驗(yàn)表征金屬抵抗破裂的能力，而壓入法型硬度試驗(yàn)表征金屬抵抗變形的能力。

硬度數(shù)據(jù)與其他力學(xué)性能存在一定關(guān)系，如抗拉強(qiáng)度。原因在于硬度和抗拉強(qiáng)度都與大塑性變形抗拉有關(guān)。

 

2.5.2 硬度的測(cè)試方法及分類

硬度試驗(yàn)是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)，根據(jù)受力方式，可分為壓人法和劃痕法。在壓入法中，按照加力速度不同又可分為靜態(tài)力試驗(yàn)法和動(dòng)態(tài)力試驗(yàn)法。通常所采用的布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等均屬于靜態(tài)力試驗(yàn)法，肖氏硬度、里氏硬度和錘擊布氏硬度等屬于動(dòng)態(tài)力試驗(yàn)法。

硬度測(cè)試方法的分類

硬度測(cè)量方法的使用范圍

 

其中肖氏硬度也稱為回跳法，所以又可以分為：壓入法、彈性回跳法和劃痕法。

同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一種材料進(jìn)行標(biāo)定。

 

硬度試驗(yàn)特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，無(wú)須加工試樣；

造成的表面損傷小，基本屬于“無(wú)損”或微損檢測(cè)范圍；

與其他靜載荷下的力學(xué)性能指標(biāo)之間存在一定關(guān)系，如可以由硬度大致推測(cè)強(qiáng)度值；

測(cè)量范圍大可至多個(gè)晶粒，小可測(cè)單個(gè)晶粒，甚至幾個(gè)原子范圍（納米壓痕儀(NanoIndenter)）。

2.5.3 概念

布氏硬度（HB）：材料抵抗通過(guò)硬質(zhì)合金球壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。

努氏硬度（HK）：材料抵抗通過(guò)金剛石菱形錐體壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。

肖氏硬度（HS）：應(yīng)用彈性回跳法將撞銷（具有尖端的小錐，尖端上鑲有金剛鉆）從一定高度落到所測(cè)試材料的表面上而發(fā)生回跳，用測(cè)得的撞銷回調(diào)高度來(lái)表示的硬度。

洛氏硬度（HR）：材料抵抗通過(guò)硬質(zhì)合金，或?qū)?yīng)某一標(biāo)尺的金剛石圓錐體壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。

維氏硬度（HV）：材料抵抗通過(guò)金剛石正四棱錐體壓頭施加試驗(yàn)力所產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。

里氏硬度（HL）：將規(guī)定質(zhì)量的沖擊體，在彈性力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計(jì)算的硬度值。

標(biāo)準(zhǔn)塊：用于壓痕硬度計(jì)間接檢驗(yàn)、帶有檢定合格的壓痕值得標(biāo)準(zhǔn)塊狀物質(zhì)。

硬度測(cè)試試驗(yàn)

 

 

2.5.4 硬度與材料抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

金屬的壓入硬度與抗拉強(qiáng)度成正比例關(guān)系：

σ_b=kHB

其中k為比例系數(shù)，不同金屬材料的k值不同，同一種類的金屬經(jīng)過(guò)熱處理后，硬度和強(qiáng)度發(fā)生變化，但k值基本保持不變；

經(jīng)過(guò)冷變形后，金屬材料的k值不再是常數(shù)；

鋼鐵材料的k大約是3.3；

精確的強(qiáng)度數(shù)據(jù)要靠直接測(cè)量得到。

 

2.5.5 布氏硬度

原理：用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。

壓頭：淬火鋼球或硬質(zhì)合金鋼球。

                                         

 

載荷、壓頭直徑、保持時(shí)間是布氏硬度試驗(yàn)三要素。

布氏硬度的表示方法

布氏硬度值單位為公斤力/mm²（N/mm²）；布氏硬度上限值為HB650，不能高于此值。

優(yōu)點(diǎn)：壓痕面積大，反映較大范圍內(nèi)材料的硬度性能；試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好，應(yīng)用廣泛；適用于晶粒粗大、相組成復(fù)雜、相尺寸較大的材料。

缺點(diǎn)：屬于有損檢測(cè)，壓痕較大，不能在成品表面進(jìn)行檢測(cè)；操作復(fù)雜，效率低，不能連續(xù)檢測(cè)。

 

布氏硬度測(cè)試設(shè)備

 

2.5.6  洛氏硬度

原理：用金剛石圓錐或淬火鋼球壓頭，在試驗(yàn)壓力F的作用下，將壓頭壓入材料表面，保持規(guī)定時(shí)間后，去除主試驗(yàn)力，保持初始試驗(yàn)力，用殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度值，實(shí)際測(cè)量時(shí)，可通過(guò)試驗(yàn)機(jī)的表盤直接讀出洛氏硬度的數(shù)值。

洛氏硬度載荷較大，不宜用于測(cè)量極薄試樣和表面硬化層，采用表面洛氏硬度測(cè)量。

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單迅速，效率高，可直接讀出硬度值；壓痕小，可測(cè)量成品或較薄工件；可測(cè)量軟硬不同的材料硬度。

缺點(diǎn)：壓痕較小，代表性差；材料有偏析或組織不均勻時(shí)，數(shù)據(jù)重復(fù)性差；不同等級(jí)的洛氏硬度數(shù)據(jù)不具可比性。

 

 

壓頭—頂角120°金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球

1-1 —加上初載荷后壓頭的位置；

2-2 —加上初載荷+主載荷后壓頭的位置；

3-3 —卸去主載荷后壓頭的位置；

he —卸去主載荷的彈性恢復(fù)；

 

洛氏硬度標(biāo)尺

 

洛氏硬度的表示方法

 

 

洛氏硬度試驗(yàn)設(shè)備

 

2.5.7  維氏硬度

原理：在一定的靜檢測(cè)力作用將壓頭下壓入試樣的表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除檢測(cè)力，試樣表面留下四方錐形的壓痕。計(jì)算出壓痕凹印面積，維氏硬度是檢測(cè)力除以壓痕表面積所得的商。

壓頭——金剛石材質(zhì)，正四棱錐體，面角為136°

維氏硬度檢測(cè)時(shí)對(duì)于硬度均勻的材料可以任意選擇檢測(cè)力，其硬度值不變，這是維氏硬度檢測(cè)法最大的優(yōu)點(diǎn)。

選擇面角為136°的角錐體，是為了使維氏硬度和布氏硬度有相近的示值以便進(jìn)行比較。

 

表示方法：HV前面的數(shù)值為硬度值，后面為試驗(yàn)力值。標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)保持時(shí)間為10 ~ 15s，超出范圍需要標(biāo)注上保持時(shí)間。600HV30—表示采用30kgf的試驗(yàn)力，保持10 ~ 15s得到的硬度值為600；600HV30/20—表示采用30kgf的試驗(yàn)力，保持20s得到的硬度值為600。

 

適用范圍：按試驗(yàn)力的大小，分為維氏硬度、小負(fù)荷維氏硬度、顯微維氏硬度。維氏硬度檢測(cè)：除特別小和薄試樣層的樣品外，測(cè)量范圍可覆蓋所有金屬。小負(fù)荷維氏硬度檢測(cè)：特別適宜于測(cè)量鋼表面強(qiáng)化層及化學(xué)熱處理表面層以及各種滲層、渡層等的表面硬度。顯微維氏硬度檢測(cè)：除用于產(chǎn)品的硬度檢驗(yàn)外，在金屬學(xué)、金相學(xué)研究方面也是最常用的試驗(yàn)方法之一。

 

優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測(cè)量；測(cè)量精度高，可比性強(qiáng)；硬度值與試驗(yàn)力大小無(wú)關(guān)。

缺點(diǎn)：測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低；不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。

 

維氏硬度試驗(yàn)設(shè)備

 

2.5.8 顯微硬度

顯微硬度是指一般指加載小于0.2kgf的硬度試驗(yàn)，分為顯微維氏硬度和顯微努氏硬度。

顯微硬度測(cè)定極小范圍內(nèi)的硬度，幾乎不損壞試樣，例如某個(gè)晶粒、組成相或夾雜物的硬度，顯微硬度可測(cè)陶瓷、玻璃、瑪瑙等脆性材料的硬度，且靈敏度高，適合評(píng)定細(xì)線材的加工硬化程度。

 

維氏壓頭壓痕（左）、努氏壓頭壓痕（右）

 

顯微硬度應(yīng)用

（1）金屬材料和金相的研究：廣泛用于測(cè)定金屬及合金中各組成相的硬度，剖析其對(duì)合金性能的供獻(xiàn)，為合金的正確設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）金屬表面層性能的研究：擴(kuò)散層性能的研究，例如滲碳層，氮化層，金屬擴(kuò)散層等；（表面加工硬化層性能的研究。如金屬表層受機(jī)械加工，熱加工的影響。

（3）晶粒內(nèi)部不均勻性的研究；

（4）極細(xì)薄金屬制成品硬度的測(cè)量。

 

2.5.9 肖氏硬度

原理：將規(guī)定形狀的金剛石沖頭從固定的高度h₀落在試樣表面上，沖頭彈起一定高度h，用h與h₀的比值計(jì)算肖氏硬度值（材料的硬度與回調(diào)高度成正比）。與前面三種靜態(tài)壓入法硬度不同，肖氏硬度是一種動(dòng)態(tài)力試驗(yàn)法。

 

肖氏硬度計(jì)及結(jié)構(gòu)圖

試樣要求：試樣的質(zhì)量應(yīng)至少在0.1kg以上，厚度一般應(yīng)在10mm以上；試樣的試驗(yàn)面積應(yīng)盡可能大；表面應(yīng)無(wú)氧化皮及外來(lái)污物，不應(yīng)帶有磁性。

表示方法：HS前數(shù)字表示硬度數(shù)值，HS后表示硬度標(biāo)尺類型。45HSC—表示C型硬度計(jì)測(cè)定的硬度值為45；45HSD—表示D型硬度計(jì)測(cè)定的硬度值為45。

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、效率高；試驗(yàn)后幾乎不產(chǎn)生壓痕，可在成品件上試驗(yàn)

缺點(diǎn)：測(cè)量精度低、重復(fù)性差，適合精度要求高的測(cè)試。

 

2.6 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

 

來(lái)源：材易通