8金属材料的硬度、韧性及疲劳强度概述

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度☎布氏硬度原理

♥布氏硬度试验法的测试原理：在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压入到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕球缺的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度图1-4布氏硬度试验原理示意图图1-4布氏硬度试验原理示意图

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度布氏硬度表示方法及特点☎布氏硬度的表示方法如下：硬度值＋硬度符号＋试验条件。例如：210HBS10/1000/30表示用10mm直径的淬火钢球作为压头，在1000kgf作用下，保持时间为30秒，测得的布氏硬度值为210；500HBW5/750表示用5mm直径的硬质合金球压头，在750kgf作用下，保持10~15秒（持续时间10~15秒时，可以不标注），测得的布氏硬度值为500。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度☺布氏硬度试验时，当用淬火钢球作为压头时，用HBS表示，适用于布氏硬度低于450的材料；当用硬质合金球作为压头时，用HBW表示，适用于硬度值在450~650的材料。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度☺

布氏硬度的优点：压痕面积较大，能较好反映材料的平均硬度；数据较稳定，重复性好。缺点是：测试麻烦，压痕较大，不适合测量成品及薄件材料。目前，布氏硬度主要用于铸铁、非铁金属（如滑动轴承合金等）及经过退火、正火和调质处理的钢材。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度

☎洛氏硬度原理洛氏硬度试验法是目前应用最广泛的硬度测试方法，它是直接用压痕深度来确定硬度值的。试验时，用顶角为120°金刚石圆锥体或者用直径为1.588mm的淬火钢球作为压头，先加初载荷为98.07N(10kgf)，再加规定的主载荷，将压头压入金属材料的表面，卸去主载荷后，根据压头压入的深度最终确定其硬度值。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥硬度是衡量金属材料软硬的指标，是力学性能中最常用的性能之一。

♥硬度的测定方法有一般分为压入法、刻划法、回跳法三类。压入法包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等；刻划法包括莫氏硬度等；回跳法包括肖氏硬度等。♥生产中常用的是压入法，生产中应用广泛的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。☎硬度是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度

♥试验原理如图1-5所示

图1-5洛氏硬度试验原理示意图

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥洛氏硬度的表示方法

☺洛氏硬度没有单位，是一个无量纲的力学性能指标。最常用的是A、B、C三种标尺，分别记作HRA、HRB、HRC。表1-3给出了三种标尺的实验规范及应用范围．

☺洛氏硬度的表示方法为：硬度值+硬度符号。例如，60HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥洛氏硬度的特点及应用洛氏硬度试验的优点：测量迅速简便，压痕较小，可用于测量成品零件；缺点是：压痕较小，测得的硬度值不够准确，并且各硬度标尺之间没有联系，不同标尺硬度值之间不能直接比较大小。洛氏硬度C标尺应用最广泛。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥维氏硬度维氏硬度试验法原理与布氏硬度基本相同．金属材料的硬度、韧性及疲劳强度

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥维氏硬度的表示与应用

☺测出维氏硬度的表式方法为硬度值＋硬度符号＋测试条件。例如:620HV30/20表示在30kgf(249.3N)载荷作用下，保持20秒测得的维氏硬度值为620，如果保荷时间10~15秒可以不标注，如620HV30。

☺维氏硬度适合测定零件表面淬硬层及化学热处理的表面层等；可以测量极软到极硬的材料，由于维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小；由于测量载荷可任意选择，所以既可测尺寸厚大的材料，又能测很薄的材料．

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥金属材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，称为金属材料的韧性。

由于断裂前金属材料所受力的类型、大小不同，材料的韧性也表现为不同的形式，这里介绍冲击韧性和断裂韧性。☺冲击韧性☺断裂韧性

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度☎

金属材料在冲击载荷作用下，抵抗变形、破坏的能力叫做冲击韧性。材料冲击韧性通常用一次冲击试验来测定，用冲击吸收功表示冲击韧性的大小。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥摆锤式一次冲击弯曲试验1-7摆锤式冲击试验原理金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥韧脆转变温度范围通过测定材料在不同温度下的冲击吸收功，就可测出某种材料冲击吸收功与温度的关系曲线。在某个温度区间，冲击吸收功发生急剧下降，试样断口由韧性断口过渡为脆性断口，这个温度区间就称为韧脆转变温度范围。韧脆转变温度越低，材料的低温冲击性能就越好。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度图1-8冲击吸收功-温度曲线温度T冲击吸收功Ak韧脆转变温度范围上平台下平台金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥冲击韧性的用途

AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，但它是一个重要参考。主要应用如下：☺评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的韧脆转变温度范围。☺评定材料的冶金质量和热加工产品质量。

☺评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥疲劳现象

疲劳断裂是指在变动载荷的作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的突然断裂现象。♥疲劳断裂的特点☺疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限；

☺断裂前，零件没有明显的塑性变形，即使伸长率δ和断面收缩率ψ很高的塑性材料也是如此；☺疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口（如螺纹、刀痕、油孔等）、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞等处形成；☺实验数据分散性较大（手册上的数据是统计数据）。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥零件疲劳失效的过程零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图1-11所示。金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥图1-11疲劳断口示意图

1-疲劳源 2-扩展区 3-瞬时断裂

金属材料的硬度及韧性♥疲劳强度

疲劳强度是指材料经受无限次循环应力也不发生断裂的最大应力值，记作σD，就是疲劳曲线中的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳强度是在对称弯曲条件下测定的，对称弯曲疲劳强度记作σ-1。

金属材料的硬度、韧性及疲劳强度♥提高疲劳强度的途径☺合理的选择材料。