Mechanical Property of Materials

材料力学性能 Mechanical Property of Materials

Prof ： Li Min

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Department of Material Science and EngineeringDepartment of Material Science and Engineering

Softness factor of stress

Mechanical property under Compressive, bending and torsional force

Static force test of notched specimen

Hardness

Chapter Ⅱ

Chapter Ⅱ

Mechanical property under other

static forces

Softness factor of stress 应力状态软性系数

)(5.02 321

21

max

max

应力状态“软”－－最大切应力分量大，易于产生塑性变 形和韧性断裂；应力状态“硬”－－最大正应力分量大，不易于产生塑性 变形而产生脆性断裂；

Definition:

Chapter Ⅱ

压缩、弯曲、扭转载荷下的力学性能

Compressive test, bending test, torsional test

1. Characteristics and application

2. Tests

3. Property index

Chapter Ⅱ

max

a) b)

max max

平均 maxtK

应力集中系数手册

与材料性质无关，只决定于缺口几何形状

Chapter Ⅱ

Tests of notched specimen under static force

理论应力集中系数Theoretical stress concentration factor

薄板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布

厚板缺口拉伸时弹性状态下的应力分布

Chapter Ⅱ

Stress distribution of notched specimen under

elastic state 缺口试样在弹性状态下的应力分布

Chapter Ⅱ

Stress distribution of notched specimen under

plastic state 缺口试样在塑性状态下的应力分布

Effect Ⅰ ： stress concentration ；

Effect Ⅱ ： notch strengthen ；

“缺口强化”是强化金属材料的手段？

缺口效应（ Notch effect ）：

无论是脆性材料或塑性材料，缺口均因造成两向或三向应力状态和应力应变集中而产生变脆倾向，降低使用安全性。

Chapter Ⅱ

缺口试样静拉伸试验

缺口试样静弯曲试验

轴向拉伸

偏斜拉伸

缺口敏感度：b

bnNSR

断裂时的残余挠度

断裂功的大小

造船、压力容器用钢必须进行的试验

Tests

安全力学性能指标

Chapter Ⅱ

评定材料的缺口敏感性

Hardness

definition and features

Chapter Ⅱ

It is a measure of a material’s resistance to localized plastic deformation.

The reasons that hardness tests are performed more frequently than any other mechanical test:

1. Simple and inexpensive;

2. nondestructive;

3. Other mechanical properties often may be estimated from hardness date;

1. Scratch hardness 划痕硬度（表征金属切断强度）

2. Rebound hardness 回跳硬度（表征金属弹性变 形功的大小）

3. Indentation hardness 压痕硬度（表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力）

Chapter Ⅱ

Three test techniques of hardness

1 、布氏硬度 HB ( Brinell Hardness test)原理：用负荷 P ，将直径为 D 的硬质合金球压入试样表面，并保持一段时间，而后卸除载荷，计算压痕面积 A 。

Chapter Ⅱ

Indentation hardness 压痕硬度

Indenter(tungsten carbide)

Chapter Ⅱ

• 表示方法：硬度值；符号 HBW ；球直径；试验力；试验力保持时间（压头为硬质合金球， HB

W ）

• 表示方法示例：

• 120HBW10/30/30 450HBW1/30

由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。

要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，要保证压入角相等，故 P/D2 应为常数。

压痕直径 d 应控制在（ 0.24~0.6 ） D 之间。

压力作用下的保持时间有规定，对黑色金属应为 10 秒，有色金属为 30 秒，对 HB ＜ 35 的材料为 6

0 秒。

Chapter Ⅱ

特点：

测量时压坑较大，误差小，试验数据稳定，重复性强，能准确地反映试验的真实硬度；

不适宜成品零件或薄件硬度测量，通常用作毛坯和原材料检验；

操作麻烦；

Chapter Ⅱ

布氏硬度计

2 、洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )

洛氏硬度试验以测量压痕深度表示材料的硬度值。

原理：采用金刚石 120° 圆锥体或淬火钢球、硬质合金球压入金属表面，在规定的载荷下根据压入深度来度量材料硬度。

Chapter Ⅱ

h1-h0

洛氏硬度测试示意图

洛氏硬度计

Chapter Ⅱ

Chapter Ⅱ

•HR= （ k-h ） /0.002

h ＝ 0.2mm 时， HRC ＝ 0 ；•h ＝ 0, HRC ＝ 100 ；•压痕深度每增 0.002mm, HRC 降低 1 个单位。 •HRC ＝ (0.2-h) ／ 0.002 ＝ 100- h ／ 0.002

洛氏硬度值是如何计算出来的 ?

• 总压力视材料的软硬而定；不同压头和施加不同的总压力，组成不同的洛氏硬度标尺。

• 常用 A 、 B 和 C 三种标尺， C 标尺最普遍。用这三种标尺的硬度记为 HRA 、 HRB 和HRC 。

Chapter Ⅱ

标尺

硬度符号

压头类型

初始试验力 F0/N

主试验力F1/N

总试验力F/N

测量硬度范围

A HRA120° 金刚石

圆锥

98.07

490.3 588.4 20~88

B HRBφ1.588mm

球 882.6 980.7 20~100

C HRC120° 金刚石

圆锥 1373 1471 20~70

常用洛氏硬度试验的标尺、试验规范

洛氏硬度的表示方法：硬度值、 HR 、标尺字母

55HRC

82HRA

60HRBW( 硬质合金球 W ，钢球 S)

Chapter Ⅱ

表面洛氏硬度

• 洛氏硬度施加的压力大，不宜用于测定极薄的工件和表面硬化层。发展了表面洛氏硬度试验。

与普通洛氏硬度主要不同点：

1 ）预载荷为 3kgf(29.42N) ，总载荷比较小，分别为 15kgf, 30kgf 和 45kgf

(441.3N);

2）取 t＝ 0.1mm时的洛氏硬度为零，深度每增大 0.001mm, 表面洛氏硬度降低一个单位。

Chapter Ⅱ

六种标尺

表示方法：

70HR30N

优点：①硬度值可从硬度计的表盘上直接读出，故测定洛氏

硬度更为简便迅速 ,工效高；②对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质

量检验；③ 加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。

缺点 :① 不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。

② 由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很 敏感，测试结果比较分散，重复性差。

Chapter Ⅱ

3 、维氏硬度 HV ( Vicker hardness)

原理：基本与布氏硬度相同，根据压痕凹痕面积上单位应力作为硬度值计量。

不同点：压头采用锥面夹角为 136° 的金刚石四方角锥体

Chapter Ⅱ

d= （ d1+d2 ） /2

Chapter Ⅱ

2/1891.0 dFA

FHV

Chapter Ⅱ

•维氏硬度的表示方法与布氏硬度的相同，•例： 640HV30／ 20，最前数字为硬度值，后面数字依次为载荷 /保持时间。

Chapter Ⅱ

Chapter Ⅱ

显微维氏硬度

显微维氏硬度试验实质上就是小载荷（ 0.09

8～ 0.9807N ）的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，仍用 HV 表示。

测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理，必须注明载荷大小，以便比较。

Chapter Ⅱ

FEM-7000型自动显微硬度计

特点：

适用范围宽；

维氏硬度有连续一致的标度，试验时负载可任意选择，所得硬度值相同；

精确可靠，但操作麻烦，效率低；

Chapter Ⅱ

其他硬度试验方法

努氏硬度（ Knoop hardness ）

肖氏硬度（ Shore hardness ）

里氏硬度（ HL ）

Chapter Ⅱ

• 努氏硬度 :努氏硬度试验使用的是两个对面角不等的四角棱锥金刚石压头 ( 对面角分别为 172°30′

和 130°), 硬度值是试验力除以压痕投影面积之商值。

• 已知载荷 P 、压痕长对角线长度 L ，计算努氏硬度值 (HK)

HK ＝ 1.451P/L2

Chapter Ⅱ

• 肖氏硬度：将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大小。（ 51HSD ）

• 里氏硬度：用规定质量的冲头（碳化钨球）在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头的回弹速度表征金属的硬度值。（ HL ）

Chapter Ⅱ

总 结：

1 、布氏硬度

2 、洛氏硬度

3 、维氏硬度

Chapter Ⅱ

Chapter Ⅱ

Chapter Ⅱ

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