ASME标准讲解3(材料硬度、疲劳.ppt
硬度(hardness),1.定义：是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。ASME SA370-2001给出各种不同试验结果的对照表以及相应的大致抗拉强度。,2.硬度试验方法：（1）压入法（2）划痕法（3）回跳法,布氏硬度HB：ASTM E10 洛氏硬度HR：ASTM E18 维氏硬度HV：ASTM E,压入法,(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness),观看布氏硬度,1.压头：,淬火钢球 HBS硬质合金钢球 HBW,2.试验原理：,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,F F HB=S Dh,D h=2,D d 2 2,2,2,布氏硬度值450的材料,选用淬火钢球压头,例如：200HBS 350HBS,布氏硬度值450650的材料,选用硬质合金球压头,例如：550HBW 600HBW,3.标注：,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,4.特点：,优点：,测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。,缺点：,压痕面积较大，测量费时。,应用：,常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。,不适于测量成品零件或薄件的硬度。,(二)洛氏硬度 HR(Rockwll hardness),1.压头：,120金刚石圆锥体钢球钢球,HRAHRC,HRB,2.试验原理：,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。,h1,h2,h3,h,1-1 初载10kg h1,2-2 总载150kg h2,3-3 卸载140kg h3,最后测得：残余压痕深度增量 h,HR=C-h/0.002,h=h3-h1,HR=h/0.002,洛氏硬度值的表示：,7085HRA25100HRB2070HRC,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小,例如：50HRC40HRC,3.特点：,优点：,测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。,缺点：,测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。,是生产中应用最广 泛的硬度 试验方法。可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。,应用：,(三)维氏硬度 HV(diamond penetrator hardness),维氏硬度计,1.压头：,锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体,2.试验原理：,与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。,以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。,2.试验原理：,用压痕两对角线的平均长度来计算。,H V=F/S,3.标注：,与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015S不标）。,例：580HV30表示用30kgf(294.2N)试验力保持1015S测定的维氏硬度值为580。,4.特点：,优点：,适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。,缺点：,测量操作较麻烦，测量效率低。,应用：,广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。,不适于大批生产和测量组织不均匀材料。,韧性(toughness):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击试验ASTM E23,1.定义：,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,2.金属的夏比冲击试验:,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k=m g H m g h(J),g,冲击韧度ak 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。,3.韧脆转变温度:,-40,-20,0,20,20,40,60,ak,T(c),T，ak急剧韧性脆性,脆性转变温度 FATT50,金属材料的韧脆转变温度，材料的低温冲击韧性愈好。,冲击试验中的侧向膨胀量,“侧向膨胀值按照ASTM A370的技术要求”。测微仪的读数也应得到认可，并应该预先注意以下事项：eL=（ee1）mm 其中eL=侧向膨胀值；试样两个平分段的A和B面，必须处于精确的同一平面（P）中。侧向膨胀值应取3次不同测量结果的平均值。,Pellini 落锤试验（TNDT温度的确定）试样制备及试验条件应符合ASTM E208标准规定的要求。在进行每组试验前应确保重锤是从正确的高度（在+10%到0%的误差范围内）自由坠落的。所用重锤的重量也是已知的。采用P3型试样，其尺寸如图MC1230.1所示。如果技术规范中规定的RTNDT0，则按表MC1230.1所列温度进行试验；如果技术规范中规定的RTNDT16，则按表MC1230.2所列温度进行试验。,图437 落锤试验装置1底座；2限位块，3缺口；4落锤；6脆性焊道，6试样,ASTM E208 规定的一些技术条件,1.试样形状（其中一种见下页）2.打击能量（按照材料屈服强度决定）3.弯曲限度（由试样形状确定）4.判断标准（一边或双边裂纹到边）,落锤试验试样,基准无延性转变温度的确定RTNDT的温度应通过Pellini落锤试验和KV冲击试验两者确定。试验温度应根据TNDT温度确定。试验应按下列方法进行（关于KV试样）：a）以3个试样为1组，其中每一个试样在给定的温度下同时满足下列要求，则认为试验有效：断裂吸收能量68J；侧向膨胀值0.9mm。b）第一组试样冲击的温度为：TCV1=TNDT+33如果满足上述a）的条件，则：RTNDT=TNDT如果结果不能满足上述a）的条件，则第二组试验按照下列c）的规定进行试验。c）如果进行第二组试验，第二组试样的试验温度规定如下：TCV2=TCV1+5如果满足上述a）的条件，则：RTNDT=TCV33d）如果c）条规定温度下的试验，结果不能满足上述a）的条件，则另外一些试验应在5的间隔温度下进行试验。直到求得满足上述a）的条件的温度TCV。则认为：RTNDT=TCV33,断裂韧度,1、低应力脆断 有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。,式中：Y_裂纹的几何形状因子;_外加应力（N/mm2）；a_裂纹的半长（mm）；K1_ 强度因子（MPam1/2或MNm-3/2）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。,2、应力场强度因子,当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。,3、断裂韧度K1C,材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度表示。,反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。K1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。为安全设计提供了一个重要的力学性能指标,常见工程材料的断裂韧度K1C值（MNm-3/2）,根据K1=Ya K1C的临界判据知：为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度K1C、名义工作应力和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题：,1）根据零件的实际工作应力和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度K1C，为正确选材提供依据；2）根据零件所使用的材料断裂韧度K1C及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临界断裂应力C，为零件最大承载能力设计提供依据；3）根据已知材料的断裂韧度K1C和零件的实际工作应力，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为零件的裂纹探伤提供依据。,1、疲劳现象,零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。,疲劳（fatigue）,2、疲劳极限-1:表示金属材料在无数次交变载荷作 用而不破坏的最大应力。,迴轉彎曲疲勞試驗機的構造原理圖,疲劳试验的应力分析,疲劳曲线,钢材的循环次数一般取 N=107,有色金属的循环次数一般取 N=108,3、提高疲劳极限途径,改善零件的结构形状,降低表面粗糙度值,采取表面强化,1943年美国T-2油轮发生断裂,
