上式中F和D都是已知的定值(试验钢铁时F为3000kgf,D为10mn),只有压痕直 径d是变数,所以测得压痕直径后,可通过上式算出或根据d查有关表格,即可确定HBS值 标注时一般只写出其大小,而不注明单位 布氏硬度试验比较准确,用淬火钢球压头只熊测HBS<450的材料。因为硬度太高时,将 使试验所用的钢球产生变形,影响试验结果的准确性,在这种情况下可换用硬质合金球压头, 测定HBW值 二、洛氏硬度 洛氏硬度试验原理是利用一定的载荷,将夹角为120°的金刚石锥体或直径1.588mm的 淬火钢球压入试样,去除载荷后,根据压痕深度确定硬度值,其值可直接从硬度机的刻度表盘 上读出。材料愈软,压入愈深反之材料愈硬,压入深度愈浅 使用金刚石锥体压头,在总载荷150kgf下测得的硬度值用符号HRC表示:当总载荷为 60kgf时,用符号HRA表示。使用溶火钢球压头,所加总载荷为100kgf,测得的硬度值用 HRB表示。 HRC和HRA适用于测量淬火钢等较硬材料的硬度;HRB适用于退火钢、有色金属等较 软的材料。 一了解决表面薄层硬度的测量,常用洛氏表面硬度试验方法其原理与洛氏硬度试验方法4 ,但其所用的金刚石圆锥压头及刻度盘更为精密,所加的总载荷分别为15、30、45kgf,相 应的标度和符号为HR15NRR30N、H45N,除用于一般硬化层测量外,可用于表面硬 化层和薄钢材硬度测量。此外,还有其它一些标度,主要用于有色金属及较软材料的硬度测 洛氏硬度的优点是操作迅速简便,可直接读出硬度值压痕小,基本上不损伤零件表面, 可以测量较软到极硬的或较薄材料的硬度。缺点是由于压痕直径小,材料如有组织不均匀等 情况,结果的再觋性较差,通常测定三点硬度再取其平均值。 三、维氏硬度 维氏硬度是采用锥面夹角为136°的金刚石四方角锥体(图 1-4)的压头,在载荷F作用下,使试样上压出一个对角线长度为 的正方形压痕测量d的平均长度,即可计算压痕厕积A,单位面 积上所承受的力作为维氏硬度的指标,用符号HV表示,写成公 绕式下 HV=An=1.8544 载荷F的大小,可根据试样材料厚度及其它条件的不同, 用5~10kgf,可测得硬度值为HⅤ8~100 维氏硬度值可根据测得的压痕对角线的平均值d,从有关手 图1维氏硬度试 册的表格中查出 验原理示意 维氏硬度试验的优点是载荷可任意选择,而所得的硬度值相 ;试验时所如的载荷小,压入深度浅,适用于测量表丽很薄的硬化层。缺点是操作较麻烦
上述布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度之间没有直接的换算公式,但在200~350HBS之 间,HBS与HV非常接近。 洛氏硬度值与布氏硬度值之间存在着如下的近似关系: HBS 硬度不是一个单纯的物理量,它与强度指标(如、04)和塑性指标(、p)之间有一定的联 系,但无理论上的关系。下面的经验数据可供参考 低碳钢σ6≈3.6 高碳钢0。≈3.4 第四节冲击韧性 许多机械零件工作时要受到冲击载荷的作用,如汽车刹车以及速度突然改变都会受到冲 击,还有一些机被本身就是利用冲击能量来工作的,如锻锸、冲床、破醉机等。因此,在机械 设计中必须考虑冲击问题。 材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性。由于冲击载荷是一种能量,所以冲击韧性指标 是以材料受到冲击破坏时,单位面积上所消耗的能量来表示的。 次接锤冲击试验 冲击韧性测试方法是在摆锤冲击试验机上进行的。图1-5为一次摆锤冲击试验所用 的试样及其式验方法。将被测材料制成标准试样(图1-5a),安放在试验机的支座上,把具有 定重量G的拒锤(菌-5c)提高到高度F:的位置,此时摆锤的位能为GH,然后使其下 落,冲断试样撕锈的众能量为心H2,则冲断试样所做的功Ax=G(H,-H2),Ak除以试样 缺口处的原婚截面面积A,即得冲击韧性ar。 10÷0 ±0.1 冲击试样 刻度盘 试样 b)试样安放 c)冲击试验情况 图1-5摆冲击试验示意图
实践证明,组织缺陷对ax值的影响很大,冲击韧性能灵敏地反映出材料的品质、宏观缺陷 和显微组织方面的微小变化。因而冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量 的有效方法之一。冲击值般只作为选择材料的参考,不直接用于强度计算。 冲击韧性试验还经常用于测定材料由韧性向脆性的转变温度,即韧脆(也称冷脆)转变温 度。这一温度的高低,对于评断钢的脆性倾向 非常重要。一般来说,低碳钢和低强度钢的韧 脆转变温度较低且比较明显,而高碳钢和高强 0.31%C 度钢看不出明显的韧脆转变温度。图1-6所示 080%C为不同含碳量钢的冲击功随温度变化的曲线 材料的韧跪转变温度愈低,则材料在使用中愈 20209280360 验滥度:℃ 可靠。由图中曲线可知,为了避免发生脆性破 图1-6不同含碳盘钢的冲击能与温度的关系坏,多采用0,20%C以下的低碳钢。钢中加入 适量的锰、镲等合金元素:可使韧脆转变温度降低。 对于高碳和高强度钢,由于看不出明显的韧脆转变温度,往往人为地规定一定的能量值 (冲击功),而与此数值相对应然流度就作为该材料的韧跪转变温度 由于冷脆而造成船、桥梁将大型结构脆性断裂事故,曾在世界各国多次发生,造成巨大 的损失。尤其是今后液化石油储存罐以及其它低温结构件使用增多,更应该注意冷脆问题。 所以对于大型金属结构(如船体、桥梁等)都对钢材的韧脆转变温度以及最低使用温度所应具 有的最低韧性值作出规定,否则,将会导致灾难性后果 二、多次冲击试验 在冲击载荷下工作的机械零件,很少是受到大能量一次冲击而破坏的绝大多数是承受小 能量多次冲击载荷。材料在多次冲击下的破坏过程也是裂纹产生和扩展的过程,但它是多次 冲击损伤积累发展的结果,根本不同于一次冲击的破坏过程,所以,多次冲击抗力不能用冲击 韧性值简单代替 多次冲击抗力是一个取决于材料强度和塑性的综合机械性能,为了试验材料强度和塑性 对多冲抗力的影响,采用三种材料进行多次冲击试验,其结果如图1-7所示,图中右上角为 所用试样及试验方法。 由图可见,三种材料的多冲抗力曲线位置不同,存在着交点A、B、C。在交点C的左方 即在很高的冲击能登下以强度低而塑性高的25钢的多冲抗力最高,此时塑性对多冲抗力起 主导作用在交点A的右方,即在低冲击能量下,以强度高而塑性差的T8钢多冲抗力高, 此时强度对多冲搞力起主导作用。大量生产实践表明多数承受冲击的零件,其工作寿命要 求的冲击周次总在数万基至歉百万次以上,都在图中A、B、C交点以右,属于小能量多次冲 击因此,其多冲抗力主要决定于树料的强度。所以在选用材料时,应该尽量发挥材料的强度, 而不应该盲目追求塑性和冲击值。例如球墨铸铁的ax值仅为10~25J/cm2(45钢调质后ar >100Jcm2),却能满意地用来制造一般内燃机的曲轴 应当指出:中低强度材料制成的中小型零件,由于其断裂韧性高,一般不会发生脆性断裂, 因而可以应用多冲抗力績论。而用这些材料制成的大壅铸锻件、焊接件及高强廖钢制成的零 件,内部难免会出现一些缺陷,在没有进行严格的无损探伤情况下,应慎重应用上述多冲抗力
T8(沛许 多冲抗力试验 多冲周次 图1-7三种材料的多冲抗力曲线 理论,不能忽视韧性和塑性的积极作用。 第五节疲劳强度 许多机械零件,如轴、齿轮连杆等所承受的载荷,不仅大小可能改变,同时方向也可能改 变,这种载荷将在零件内部引起随时间而不断变化的应力(称为交变应力)。图1-8所示为对 称循环交变应力,用0-表示。材料在交变应力作用下发生断裂的现象称为金属的疲劳。 疲劳裂纹扩展区 疲势裂纹策漂地 最后断裂区 图1-8对称环交变应力 图-9疲劳晰裂宏观断口示意图 、金属疲劳断裂的特点 疲劳断裂与静载荷下的断裂不同。在静载荷下无论显示脆性或塑性的材料,疲劳断裂时 都不产生明显的塑性变形,断裂是突然发生的,因此具有很大的危险性,常常会造成严重事 疲劳破坏断口(图1-9)的宏观特征是由两个明显的部分组成的。一部分悬疲劳裂纹扩展 部分,其特征是经过摩擦而较光滑,像细瓷断口一样;另部分是突然断裂区,也就是最后断裂
区,其特征是对塑性材料断口呈纤维状,对脆性材料则是结晶状。从疲劳断口的特征可以看出 疲劳裂纹的产生和发展与金属材料内部的组织结构变化有关。一般认为,在交变应力作用下, 金属表面或断面内部的某一缺陷处,由于应力集中,开始产生微裂纹,并逐渐扩大,当最后的断 面不能承受所加的载荷时,即发生魔性断裂。疲劳裂纹扩展区和最后断裂区所占面积的比例, 随所受应力大小而变化,一般来说最后断裂区的面积愈大,愈靠近中心,则表示过载荷程度愈 、疲劳曲线 工程上研究材料疲劳性能的基本方法,通常是 依试验得到的疲劳曲线,如图1-10所示,它表示 了材料承受的交变应力0和断裂循环周次N之间 的关系 从疲劳曲线上可以看出,当交变应力的最大值 N(次)低于某一定值时,材料可能经受无限次循环仍不会 图1-10疲劳曲线示意图 发生疲劳断裂。这个最大应力值就称为疲劳强度。 对称循环交变应力的发劳强度用-1表示。换句话说,材料承受的交变应力值低于疲劳强度 时,则可经受无限次应力循环而不断裂,对钢铁循环周次N=107次,对有色金属N=10 三、影响疲劳强度的主要因囊 彩响疲劳强度的因素很多,内部因素有材料的强度塑性、组织结构、表面残余应力状态 等,外部因素有零件的几何因素(如键槽、螺纹,尖角等)、应力循环特性、工作环境等 疲劳强度和抗拉强度之间存在着相应的经验关系,般来说,抗拉强度增高,疲劳强度也 相应提高。钢材的0-1约为的50%左右。因此影响强度和塑性的组织因素,都对疲劳强 度有明显的影响。例如,非金属夹杂物是容易产生疲劳裂纹的危险地区,所以,减少其数 大小和改变其形状等,都能有效地捷高疲劳强度。 表层残余压应力能提高疲劳强度;残余拉应力则降低疲劳强度。这是因为残余压应力能 对拉应力起消减作用。因此,在机械制造中常采用表面强化的工艺措施来提高零件的耐疲劳 性能。 零件表面上的螺纹、键槽、小孔、尖角等都相当于表面缺口,这些缺口的根部都存在着较大 的应力集中现象,它是导致疲劳断裂的重要原因之一。 疲劳强度通常是用直径6~12mm的小试棒测定的。试验指出,随着试样直径的加大,疲 劳强度下降。此外,使用温度升高及在有腐蚀性介质环境下工作的零件,都将使疲劳强度降 低 据统计分析,机械零件的断裂大部分是由金属疲劳造成的因此,研究疲劳断裂的原因,寻 找提高材料疲劳强度的途径,以及防止断裂事故的发生,对于提高机器的使用寿命,有着重大 的实际意义