02講 硬度 沖擊吸收功 疲勞強度 斷裂韌度

《機械制造技術基礎》教案1=1教學內容：硬度沖擊吸收功疲勞強度斷裂韌度教學方式：結合實際，由淺如深講解教學目的：理解布氏硬度和洛氏硬度的試驗原理；掌握硬度表示方法；理解沖擊吸收功、疲勞強度、斷裂韌度的概念。重點、難點：硬度沖擊吸收功疲勞強度斷裂韌度教學過程：1.1.1.2硬度硬度是表征材料表面局部體積內抵抗其它物體壓入時變形的能力。它是材料性能的一個綜合的物理量。表示金屬材料在一個小的體積范圍內抵抗彈性變形、塑性變形或破斷的能力。金屬材料質量檢驗主要用壓入法進行硬度試驗，而其中應用最為廣泛是布氏硬度試驗、洛氏硬度試驗和維氏硬度試驗。布氏硬度試驗原理圖1-3為試驗原理圖。它是用一定直徑的淬火鋼球或硬質合金鋼球做壓頭以相應試驗力壓入被測材料表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸載，得到一直徑為d的壓痕，以壓痕單位面積上所受試驗力的大小來確定被測材料的硬度值，用符號HB表示。圖］-3前氐硬度試■原理示意圖符號HBSC淬火鋼球)或HBW(硬質合金球壓頭)表示。HBS=F/A、=2F/〔nD(D—(D—d)1/2))kgf/mm2試驗力為kgfHBS(HBW)=0.102X2F/{nd〔D—(D—d)1/2)}kgf/mm2試驗力為NA壓壓痕球形面積mm2D壓頭直徑mmd——壓痕平均直徑mm測出d值，通過計算或查表即可求得布氏硬度值。表示方法（1）表示布氏硬度值時應同時標出壓頭類型，當試驗壓頭為淬火鋼球時，硬度符號為HBS；當試驗壓頭為硬質合金鋼球時，硬度符號為HBW。（2）不標單位,HBS或HBW之前數(shù)字為硬度值，例如120HBS，450HBW。（3）符號后用相應數(shù)字依次表示壓頭直徑、試驗力及保持時間。（4）零件圖或工藝文件上標注硬度值時，不規(guī)定試驗條件，只需范圍符號。例：140HBS10/1000/30表示直徑10mm的淬火鋼球作壓頭，試驗力為1000kgf，保持30s的布氏硬度值為140。3）應用范圍HBS適于測量布氏硬度值小于450的材料，HBW適于測量硬度值小650的材料。因壓痕大，不適宜檢驗薄件或成品。主要用于鑄鐵、有色金屬、正火或調質處理的鋼材等。洛氏硬度試驗1）試驗原理圖1-4為試驗原理圖。洛氏硬度是用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588的淬火鋼球作為壓頭，試驗時先施加初始載荷，目的是使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測量結果準確，然后施加主載荷，保持規(guī)定時間后卸除主載荷，依據(jù)壓痕深度確定硬度值。金屬越硬，壓痕深度越小。為適應人們習慣上數(shù)值越大硬度越高的觀念，故人為的規(guī)定一常數(shù)K減去壓痕深度h的值作為洛氏硬度指標，并規(guī)定每0.002mm為一個洛氏硬度單位，用HR表示，測洛氏硬度值為：HR=（k—h）/0.002k——常數(shù)，金剛石圓錐時，k為0.2；淬火鋼球k為0.26。由此可見，洛氏硬度值是一個無量綱的材料性能指標，使用金剛石壓頭時，常數(shù)K為0.2，使用鋼球壓頭時，常數(shù)K為0.26。實際測量時，可直接從表盤上讀出硬度值。2）表示方法洛氏硬度計采用A、B、C三種標尺對不同硬度材料進行試驗。硬度分別用HRA（120°金剛石圓錐體、總試驗力0.5884KN）、HRB（直徑1.588mm鋼球、總試驗力0.9807KN）、HRC（120°金剛石圓錐體、總試驗力1.4711KN）表示。硬度值標在符號前，如45HRC。3）特點操作簡單（直接讀出硬度值）；測量范圍大（軟硬勻可）；壓痕小，可直接測量薄件或成品。但由于壓痕小，硬度波動大，為提高精度通常測定三個不同點取平均值。4）應用

HRA：硬質合金，表面淬硬層，滲碳層；HRB:非鐵金屬，退火、正火鋼等；HRC:淬火鋼，調質鋼。維氏硬度試驗1）試驗原理（與布氏硬度原理相似）用一定大小的試驗力F，把144。的硬質合金四棱錐壓入被測金屬的表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力測出壓痕的大小，然后求出維氏硬度HV值。HV=F/S2）應用范圍：測薄片和鍍層。3）優(yōu)缺點：數(shù)值精確，但操作麻煩。1.1.1.3沖擊吸收功許多機械零件是在沖擊載荷下工件的。沖擊載荷比靜載荷的破壞能力大，對于承受沖擊載荷的材料，還必須具備足夠的沖擊韌度。沖擊韌度概念圖1-5沖擊試驗示意圖所謂沖擊韌度，是指材料抵抗沖擊載荷作用而破壞的能力，通常用一次擺錘沖擊試驗來圖1-5沖擊試驗示意圖沖擊韌度試驗試驗原理如圖1-5所示。將標準試樣安放在擺錘試驗機的支座上，試樣缺口背向擺錘，將具有一定重力的G的擺錘舉至一定高度h1，使其獲得一定勢能Gh1，然后由此高度落下將試樣沖斷，試樣斷裂后擺錘上擺到h2高度，在忽略摩擦和阻尼等條件下，擺錘沖斷試樣所做的功，稱為沖擊吸收功，以ak表示，則有Ak=G(h1-h)。用試樣的斷口處截面積去除沖擊吸收功即得到?jīng)_擊韌度即：aK=Ak/S°（"cm2）。需要說明一點，使用不同類型的標準試樣（U型或V型缺口）進行試驗時，沖擊韌度分別以。跖或aKv表示。aK值愈大，材料的韌性愈好，受到?jīng)_擊時不易斷裂。生產實踐證明，AK和aK值對材料組織缺陷十分敏感，能靈敏地反映材料品質、宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化，生產上用來檢驗冶煉和熱加工質量的有效方法之一。隨溫度的降低而減小，在某一溫度范圍，材料的AK值急劇下降，材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉變，此時的溫度稱為韌脆轉變溫度。1.1.1.4疲勞強度

1.疲勞概念許多機械零件，例如軸、齒輪、軸承等，在工作時承受的是交變載荷。在這種載荷作用下，雖然零件所受應力遠低于材料的屈服點，但在長期使用中往往會突然發(fā)生斷裂，這種破壞過程稱為疲勞斷裂。2.疲勞強度工程上規(guī)定，材料經(jīng)無數(shù)次重復交變載荷作用而不發(fā)生斷裂的最大應力稱為疲勞強度。圖1-6是通過試驗測定的材料交變應力a和斷裂前應力循環(huán)次數(shù)N之間的關系曲線。曲線表明材料受的交變應力越大，則斷裂時應力循環(huán)次數(shù)(N)越少，反之，則N越大。當應力低于一定值時，試樣經(jīng)無限次循環(huán)也不破壞，此應力值稱為材料的疲勞強度，用。「表示；對稱循環(huán)r=-1，疲勞極限用。表示。r提高疲勞強度途徑金屬產生疲勞同許多因素有關，目前普遍認為是由于材料內部有缺陷，如夾雜、氣孔、疏松等；表面劃痕、殘余應力及其它能引起應力集中的缺陷導致微裂紋產生，這種微裂紋隨應力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，致使零件突然斷裂。1.1.1.5斷裂韌度前述力學性能的研究前提是假定材料是均勻、連續(xù)、各向同性的。實際上材料的組織遠非是均勻、各向同性的，組織中有微裂紋，還會有夾雜、氣孔等宏觀缺陷，這些缺陷可看成材料中的裂紋。當材料受到外力作用時，裂紋的尖端附近產生應力集中，形成一個裂紋尖端的應力場，應力場的強弱主要取決于一個力學參數(shù)一一應力強度因子KI。對某一個有裂紋的試樣，在拉伸外力作用下，應力強度因子也隨之增大，當起增大到某一臨界值時，虱樣中的裂