《材料成型检测技术》课件-4.材料力学性能试验

《材料成型检测技术》1.洛氏硬度（一）定义定义及发展历史洛氏硬度（RockwellHardness，符号HR）是由美国冶金学家斯坦利·P·洛克威尔（StanleyP.Rockwell）于1919年提出的一种硬度测试方法。作为20世纪最重要的硬度测试技术创新之一，洛氏硬度测试法因其操作简便、测试快速的特点，已成为现代工业生产中最广泛使用的硬度测试技术。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕（二）基本原理定义及发展历史1-1加上初载荷后压头的位置2-2加上初软荷+主载荷后压头的位置3-3卸去主载荷后压头的位置He：卸去主载的弹性恢复1.采用深度测量而非压痕尺寸测量2.通过预加载消除表面粗糙度影响洛氏硬度的核心原理是采用两级加载方式，先施加初试验力，再施加主试验力，通过测量压痕深度增量计算硬度值。这种测试方法的创新性在于：测试设备与仪器组成01金刚石圆锥压头（120°锥角，0.2mm尖端半径）硬质合金球压头（直径1.5875mm/3.175mm/6.35mm/12.7mm）压头系统：02初试验力：10kgf（98.07N）加载机构：杠杆式或闭环伺服控制主试验力：60/100/150kgf加载系统：03深度测量系统04控制系统测试步骤（一）试样制备表面要求：测试面需平整光滑（Ra<1.6μm）；厚度要求：≥10倍压痕深度（通常>1mm）；支撑要求：试样背面需有刚性支撑。（二）选择测试标尺根据材料类型和硬度范围选择合适标尺：比如HRA、HRAB、HRC。测试步骤（三）测试过程预加载：施加10kgf初试验力，建立测量基准；主加载：施加主试验力（60/100/150kgf）并保持一定时间；卸除主载荷：保留初试验力，测量深度残余增量；读取硬度值：直接从表盘或显示屏读取。计算公式钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度值（HR）由压头在初始试验力与总试验力下的压痕深度差（h）确定：HR=N-h/SN：标尺常数（如HRA/HRC标尺N=100，HRB标尺N=130）h：压痕深度差（单位：毫米，mm），即主试验力加载后与初始试验力下的深度差。S：标尺系数（通常S=0.002mm，依标尺不同而定）。洛氏硬度标尺分类标尺压头类型试验力（kgf）公式适用材料HRA金刚石圆锥60HRA=100-h/0.002硬质合金、薄硬材料HRB1.588mm钢球100HRB=130-h/0.002软金属（如铜、铝合金）HRC金刚石圆锥150HRC=130-h/0.002淬火钢、工具钢等高硬度材料表示方法钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA－金钢石圆锥压头用于测量高硬度材料，如硬质合金、表淬层和渗碳层。（90HRA）HRB－淬火钢球压头用于测量低硬度材料，如有色金属和退火、正火钢等。（120HRB）HRC金钢石圆锥压头用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。（59HRC）优缺点优点1快速直接：无需显微镜测量，测试后直接读数，效率高（适合生产线检测）。2多标尺覆盖广：不同标尺（HRA/HRB/HRC等）适应不同硬度范围材料。3对表面要求较低：允许试样表面有一定粗糙度。缺点1标尺切换复杂：不同材料需选择对应标尺，数据跨标尺不可直接对比。2压痕较大：钢球压头（HRB）可能损伤薄层或小零件。3精度受预压力影响：初始试验力的施加需严格标准化。总结洛氏硬度测试以其独特的测试原理和卓越的实用性，已成为现代工业中应用最广泛的硬度测试方法。虽然存在标尺转换复杂、精度相对较低等局限，但其在测试效率、操作简便性等方面的突出优势，使其在生产线质量控制、产品检验等领域占据不可替代的地位。《材料成型检测技术》2.布氏硬度（一）定义定义及发展历史布氏硬度（BrinellHardness，符号HB）是由瑞典工程师约翰·奥古斯特·布氏（JohanAugustBrinell）于1900年提出的一种硬度测试方法。作为最早被标准化的硬度测试技术之一，布氏硬度测试法在20世纪初的工业革命中发挥了重要作用，为当时快速发展的机械制造业提供了可靠的硬度检测手段。（二）基本原理定义及发展历史布氏硬度的核心原理是用硬质合金球或钢球压头在恒定载荷下压入材料表面，通过测量压痕直径计算硬度值。这种测试方法基于一个简单的物理概念：在给定载荷作用下，较硬的材料会产生较小的压痕，而较软的材料会产生较大的压痕。（一）压头系统测试设备与仪器组成硬质合金球（HBW）或钢球（HBS）压头，标准直径为10mm，小试样可用5mm或2.5mm。（二）加载系统液压或电机驱动加载机构，试验力范围：500kgf~3000kgf。（三）深度测量系统测试设备与仪器组成光学显微镜（放大倍数通常为20×或40×）；数字图像处理系统（现代自动硬度计）；测量分辨率至少达到0.01mm。（四）控制系统载荷保持时间设定、测试过程自动化控制、数据记录与输出功能。（一）试样制备测试步骤表面要求：被测表面需经过研磨或抛光，确保平整度，无氧化皮或油污，粗糙度Ra<1.6μm。厚度要求：试样厚度应至少为压痕深度的8~10倍（防止背面变形影响测试）。对于10mm压头，最小厚度建议为6mm。（二）测试参数选择测试步骤压头直径选择：10mm：标准尺寸，适用于大多数情况；5mm：中等尺寸试样；2.5mm：小尺寸或薄试样。试验力选择：软金属（铝、铜等）：500kgf；中硬材料（退火钢）：1000-1500kgf；较硬材料：3000kgf。载荷保持时间：通常为10-15秒，特殊材料可延长至30秒。计算公式

式中P—载荷A—表面压痕的凹陷面积D—压头直径d—压痕直径表示方法

120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。优缺点优点测量误差小，数据稳定。缺点压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。应用适于测量退火、正火、调质钢，铸铁及有色金属的硬度。与抗拉强度之间的经验关系

对于低碳钢:

b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：

b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：

b(MPa)≈1HB或

b(MPa)≈0.6(HB-40)总结布氏硬度测试作为最传统的硬度测试方法之一，在材料科学和工程领域仍然具有重要地位。虽然其存在压痕大、效率较低等缺点，但在测试中低硬度材料、粗晶材料等方面具有独特优势。随着测试技术的不断发展，布氏硬度测试方法正在向自动化、智能化方向演进，必将继续为材料性能评估和质量控制提供可靠的技术支持。《材料成型检测技术》3.维氏硬度（一）定义定义及发展历史维氏硬度（VickersHardness，符号HV）是由英国工程师罗伯特·L·史密斯（RobertL.Smith）和乔治·E·桑德兰（GeorgeE.Sandland）于1921年在Vickers公司工作时提出的一种硬度测试方法。作为显微硬度测试的奠基性技术，维氏硬度测试法因其独特的测试原理和广泛的适用性，已成为材料科学研究和工业检测中不可或缺的重要手段。（二）基本原理定义及发展历史维氏硬度的核心原理是使用金刚石正四棱锥压头在恒定载荷下压入材料表面，通过测量压痕对角线长度计算硬度值。这种测试方法的创新之处在于采用几何角度恒定的压头（136°），使得测试结果在不同载荷下具有可比性，这一特性被称为“几何相似性原理”。（一）压头系统测试设备与仪器组成金刚石正四棱锥压头（顶角136°±0.5°）；压头锥面夹角精度要求极高（误差<±0.5°）、压头尖端半径<0.5μm。（二）加载系统电磁或电机驱动加载机构、试验力范围：0.01gf~120kgf（涵盖显微到宏观硬度测试）、载荷精度：±1%以内。（三）深度测量系统测试设备与仪器组成高倍率光学显微镜（200倍到1000倍）、CCD数字图像采集系统、自动边缘识别软件。（四）控制系统全自动测试流程控制、数据自动采集与处理、测试结果数据库管理。（一）试样制备测试步骤表面要求：表面处理，需精密抛光至镜面（Ra<0.05μm）。清洁处理：使用无水乙醇或丙酮清洁表面。对于薄膜材料：厚度需大于压痕深度的1.5倍。（二）测试参数选择测试步骤试验力选择原则：显微硬度测试：0.01~1kgf、常规测试：1~30kgf、宏观测试：30~120kgf保载时间：金属材料：10-15秒脆性材料：5-10秒高分子材料：30-60秒计算公式

式中HV：维氏硬度值，无量纲，但需标注试验条件（如试验力、保持时间）。F：试验力，单位为千克力（kgf）或牛顿（N）。若使用牛顿（N），需转换为千克力：Fkgf=FN/9.80665。d：压痕两条对角线的算术平均值，单位为毫米（mm）。压头是正四棱锥金刚石，对面角是136度表示方法维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。640HV300/20优缺点优点1测试范围广，适用于从极软材料（如铝）到超硬材料（如陶瓷、硬质合金）。2对试样损伤小，压痕微小（尤其显微维氏硬度），适合薄层材料（如涂层）、小零件样品。3高精度与一致性，硬度值与载荷大小无关（理想条件下），结果可比性强。4统一标尺，与其他硬度标尺（如洛氏、布氏）不同，维氏硬度无需切换标尺。缺点1对试样表面要求高，试样表面需高度抛光，粗糙或不平整会导致压痕变形，影响测量准确性。2操作复杂且耗时，需显微镜精确测量压痕对角线长度（通常测两次取平均），依赖操作者经验，显微镜对焦、对角线测量精度受操作者技能影响，人为误差风险较高。总结维氏硬度测试以其独特的测试原理和广泛的适用性，在材料科学研究和工业检测领域占据着不可替代的地位。虽然存在试样制备要求高、测试效率较低等缺点，但其在测试范围、测量精度等方面的优势使其成为硬度测试领域的“黄金标准”。随着测试技术的不断发展，维氏硬度测试正在向更高精度、更智能化的方向发展，必将继续为材料性能研究和质量控制提供强有力的技术支持。《材料成型检测技术》4.静拉伸试验定义静拉伸试验（StaticTensileTest）是指在常温、准静态条件下，对标准试样施加单向拉伸载荷，直至试样断裂，从而测定材料强度与塑性指标的试验方法。核心目标强度：弹性极限σe

、屈服强度σs

、抗拉强度σb塑性：断后伸长率δ、断面收缩率ψ组成机构室温拉伸试验机五部分机身加载机构测力机构载荷伸长记录装置夹持机构高/低温拉伸试验机高温炉视频引伸计试样形状尺寸01.圆形截面拉伸试样

试样形状尺寸02.矩形截面拉伸试样

l0tb拉伸试样拉伸曲线

F拉伸断口总结静拉伸试验是一种较简单的力学性能试验，能够清楚地反映出材料受力后所发生的弹性、弹塑性与断裂三个变形阶段的基本特性。经拉伸试验对所测试的力学性能指标的测量稳定可靠，而且理论计算方便，因此各国及国际组织都制定了完善的拉伸试验方法标准，同学们在实际试验中可以根据需要查阅具体的标准来进行拉伸试验。《材料成型检测技术》5.强度和塑性主要力学性能指标当外力作用于材料时，材料会发生变形。根据变形的可逆性，可分为弹性变形和塑性变形。强度指标弹性极限、屈服强度、抗拉强度。刚度指标弹性模量。塑性指标伸长率、断面收缩率。强度指标强度定义：材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。01.弹性极限（σe）指材料能保持完全弹性变形的最大应力值，即应力超过该值后，材料开始进入塑性变形阶段。σe=Fe/S0(MPa)物理意义：表征材料抵抗弹性变形的能力。弹性极限越高，材料在受力时越不容易发生永久变形。工程应用：精密仪器（如弹簧、传感器）需选用高σₑ材料，以确保变形可完全恢复。强度指标02.屈服强度（σS）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。σS=FS/S0(MPa)它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。下屈服强度（√）定义：屈服阶段中应力波动的最低稳定值（即曲线平台区的最低应力）。特点：反映材料抵抗塑性变形的真实能力，工程设计的核心依据。上屈服强度（×）定义：材料首次发生塑性变形时的最高应力（即曲线中屈服阶段的第一个峰值）。特点：对试样表面状态、加载偏心等敏感，数据分散性大，工程上较少直接使用。强度指标02.屈服强度（σS）对于没有明显屈服平台的材料（如铝合金、铜合金、奥氏体不锈钢、大多数聚合物等），其屈服强度的确定需要采用条件屈服强度的方法。明显屈服条件屈服条件屈服强度σ0.2=F0.2/S0(MPa)工程应用塑性材料（如结构钢）的选材依据。设计时需确保工作应力σ工作<σS，以防止结构失效。强度指标03.抗拉强度（σb）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。σb=Fb/S0(MPa)物理意义：表征材料在拉伸条件下的最大承载能力。反映材料抵抗最大均匀塑性变形的能力。工程应用：抗拉强度是脆性材料选材的依据，塑性材料的失效预警指标。屈服强度与抗拉强度的比值σS/σb（屈强比）。刚度材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。

比例系数E称为弹性模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度”。E↑-材料抵抗弹性变形的能力越大。弹性模量的大小主要取决于材料的本性，随温度升高而逐渐降低。塑性材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力。常用δ和Ψ作为衡量塑性的指标延伸率

断面收缩率

良好的塑性是材料进行塑性加工的必要条件。工程意义：δ、ψ高→材料成形性好（如深冲钢板要求δ>30%）。δ、ψ低→材料脆性大（如铸铁δ<5%）。