02讲 硬度 冲击吸收功 疲劳强度 断裂韧度
硬度和冲击的关系-概述说明以及解释
硬度和冲击的关系-概述说明以及解释1.引言1.1 概述硬度和冲击是物体力学性质中的两个重要指标，它们在材料科学和工程领域中具有广泛的应用。
硬度指的是材料抵抗局部压力造成的形变或破坏的能力，而冲击则描述了材料在外界冲击下的响应能力。
在实际应用中，硬度常常被用来评估材料的耐磨性、切削性和耐腐蚀性等特性，因为硬度与材料的分子结构、结晶程度和晶格缺陷等密切相关。
硬度测试通常使用一些常见的测量方法，如巴氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等，通过对物体在受力下的形变或破坏情况进行观察和测量来获得硬度值。
而冲击性能则用于描述材料在受到突然冲击或外力作用下的行为。
冲击测试通常会通过将冲击载荷施加到材料样品上，观察其断裂形态和断裂表面分析来评估材料的冲击韧性和强度。
常见的冲击测试方法包括冲击试验机和钢珠冲击法等。
硬度和冲击性能之间存在着一定的关系。
一方面，硬度值一般情况下与材料的韧性呈负相关，硬度较高的材料通常韧性较低，而硬度较低的材料则韧性较高。
这是因为高硬度意味着材料对外力的反抗能力较强，难以形成塑性变形，更容易发生断裂。
另一方面，材料的冲击性能也会受到硬度的影响。
一些高硬度的材料在受到冲击载荷时容易发生断裂，而一些低硬度的材料可能会更好地吸收和分散冲击能量，从而具有较好的冲击性能。
对于工程和科学领域而言，了解硬度和冲击之间的关系具有重要的意义。
通过研究和分析材料的硬度和冲击性能，可以选择合适的材料用于不同应用领域。
同时，对于材料设计和加工工艺的优化也起到了指导作用。
此外，硬度和冲击的关系研究还有助于揭示材料性能背后的物理机制，推动材料科学的发展。
通过深入研究硬度和冲击性能之间的联系，我们可以不断提高材料的耐久性、安全性和可靠性，为各行业带来更多的创新和发展机遇。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以描述整篇文章的组织和章节安排，下面是一种可能的写作内容：文章结构:本篇文章将按照以下结构进行论述。
首先，在引言部分，将概述硬度和冲击的基本概念和重要性，介绍本文的研究目的和意义。
机械主要性能硬度强度刚度塑性弹性冲击韧性疲劳强度断裂韧性等
机械主要性能硬度强度刚度塑性弹性冲击韧性疲劳强度断裂韧性等文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-机械主要性能：硬度、强度、刚度、塑性、弹性、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等。
1、硬度：金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。
硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。
硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。
2、刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。
零件的刚度（或称刚性）常用单位变形所需的了或力矩来表示，刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类（即材料的弹性模量）。
刚度要求对于某些弹性变形量超过一定数值后，会影响机器工作质量的零件尤为重要，如机床的主轴、导轨、丝杠等。
3、强度：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。
也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。
强度是机械零部件首先应满足的基本要求。
机械零件的强度一般可以分为静强度、疲劳强度（弯曲疲劳和接触疲劳等）、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等项目。
强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。
4、塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破华的能力。
5、弹性：弹性是指物体在外力作用下发生形变，当外力撤消后能恢复原来大小和形状的性质。
在固体力学中是指：当应力被移除后，材料恢复到变形前的状态。
冲击韧度的概念
冲击韧度的概念冲击韧度是材料在受到冲击负载作用时能够吸收和消耗能量的能力。
简言之，冲击韧度是材料在遭受外部冲击力时不会破裂或破碎而能够继续保持结构完整性的特性。
冲击韧度是一种重要的材料力学性能指标，特别是在需要保证工程结构在受到冲击载荷时不会发生破裂的情况下。
这种性能常常是衡量一种材料是否适合用于承受冲击负载、抵御爆炸冲击或者其他类似负载的重要指标。
冲击韧度还常常是构建汽车、飞机和其他交通工具、建筑物和其他机械结构的材料强度评估中的关键指标。
冲击韧度是由材料内部组织的微观结构决定的。
通常来说，不同的材料对冲击负载的反应会有很大的差别。
比如金属和塑料材料对冲击负载的反应是不同的，这主要是因为金属晶体结构和塑料的分子结构不同。
在金属材料中，晶体结构可以通过滑移和位错运动等方式吸收和传递冲击负载，因而金属通常具有很高的冲击韧度。
而塑料材料往往由于其分子结构的限制，其冲击韧度要低于金属。
在实际应用中，选择合适的材料以确保所需的冲击韧度是非常重要的。
另外，材料的形状和尺寸也会对其冲击韧度产生影响。
通常来说，薄壁结构的材料由于其自身结构的限制，其冲击韧度要低于相同材料的厚壁结构。
这是因为薄壁结构在受到冲击负载时难以承受和分散负载，从而容易发生破裂。
因此在设计和选择材料时需要充分考虑材料的结构形式来保证所需的冲击韧度。
另外，材料的处理过程和工艺条件也会对其冲击韧度产生影响。
通常来说，金属材料通过热处理或者冷加工等方式可以提高其冲击韧度。
这是因为在热处理或者冷加工过程中材料会形成更加均匀和细小的晶界和晶粒，从而提高材料的抗疲劳性能和冲击韧度。
在工程实践中，对材料的处理和成形过程进行合理的控制和优化可以有效提高材料的冲击韧度，从而提高整个工程结构的抗冲击能力。
总的来说，冲击韧度是材料重要的力学性能指标，它反映了材料在受到冲击载荷时不会发生破裂而继续保持完整性的能力。
冲击韧度与材料的微观结构、形状尺寸和处理工艺密切相关。
断裂力学与断裂韧度优质内容
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3.1材料的断裂理论
英国科学家葛里菲斯(A.A.Griffith)对玻璃等材料进行了一系
列试验后，于1920年提出脆性材料的断裂理论。他指出：
脆性材料的断裂破坏是由于已经存在的裂纹扩展的结果，
断裂强度取决于施加载荷前就存在于材料中的裂纹的大小，
或者说断裂强度取决于使其中的裂纹失稳扩展的应力。当
U Ue W
通常把裂纹扩展单位面积时系统释放势能的数值称为 裂纹扩展能量释放率，简称能量释放率或能量率，用G 表示。
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由于裂纹扩展的动力为GI，而GI为系统势能U的
释放率，所以确定GI时必须知道U的表达式。
由于裂纹可以在恒定载荷F或恒位移 条件下扩 展，在弹性条件下上述两种条件的GI表达式为：
美国在二战期间有5000艘全焊接的“自由 轮”，其中有238艘完全破坏，有的甚至 断成两截。
20世纪50年代，美国发射北极星导弹，其Байду номын сангаас固体燃料发动机壳体采用了高强度钢 D6AC,屈服强度为1400MPa，按照传统的 强度设计与验收时，其各项性能指标包 括强度与韧性都符合要求，设计时的工 作应力远低于材料的屈服强度，但发射 点火不久，就发生了爆炸。
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由于许多表观脆性材料在断裂前裂纹顶端均已产
生了显著的塑性变形，而为此所消耗的功远大于
裂纹产生新表面需要的表面能，于是欧文和奥万
对葛氏公式进行了修正，各自独立提出：
1
c
2E
( s a
p
)
2
式中：rp——裂纹扩展单位面积所需的塑性变形
功。这个理论称为欧文-奥罗万理论。某些材料
金属材料的力学性能及测定材料的韧性和疲劳强度
1-2
1.3.1 韧性简介
冲击吸收功AK与温度有关，见右下图所示。韧脆转变温 度越低，材料的低温抗冲击性能越好。
1-3
1.3.1 韧性简介
2、多冲抗力 金属材料抵抗小能量多次冲击的能力叫做多冲抗力。
多冲抗力可用在一定冲击能量下的冲断周次N表示。 材料的多冲抗力取决于材料强度与韧性的综合力学
性能，冲击能量高时，主要取决于材料的韧性；冲击 能量低时，主要决定于强度。
1-4
本课题重点与难点
教
学 重
韧性指标的表示方法和实际应用。
点
教
学Leabharlann 疲劳的概念、表示难方法、提高疲劳强度措施。
点
1-1
1.3.1 韧性简介
外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得 多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足 强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。 1、冲击吸收功
力学性能指标
力学性能指标：拉伸强度、断裂伸长率、硬度、弹性模量、冲击强度。
影响力学性能的因素：温度、拉伸速度、环境介质、压力等。
弹性变形特点:可逆变形虎克定律弹性变形量很小，一般不超过0.5%-1% 材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大共价键的弹性模量最高.弹性比功：又称弹性比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。
循环韧性的意义:循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以高循环韧性对于降机器的噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂意义重大金属材料常见的塑性变形方式滑移和孪生金属应变硬化机理与高分子应变硬化机理的区别:金属机理：位错的增殖与交互作用导致的阻碍高分子机理：发生应变诱导结晶、分子链接近最大伸长韧性断裂：金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。
脆性断裂：突然发生断裂，基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因此危害性很大。
α值越大，表示应力状态越“软”，金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。
α值越小，表示应力状态越“硬”，金属越不易于产生塑性变形而易于产生脆性断裂。
拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂。
硬度：布氏、洛氏、维氏缺口效应：缺口根部产生应力集中，同时缺口截面上的应力分布发生改变。
断裂韧性：由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论就不再适用。
断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂强度科学，是在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。
分析裂纹体断裂问题的方法：应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂K判据。
第四章材料的断裂韧性..
材料性能学 四、裂纹尖端塑性区及KⅠ的修正
1、裂纹尖端塑性区： 裂纹尖端附近的σ≥σs→塑性变形→存在裂纹尖端塑性区。
2、塑性区的边界方程
3、在x轴上，θ＝0，塑性区的宽度r0为：
4、修正后塑性区的宽度R0为：
18
材料性能学 四、裂纹尖端塑性区及KⅠ的修正
5、等效裂纹的塑性区修正值ry：
6、KⅠ的修正 (σ/σs≥0.6～0.7)： 线弹性断裂力学计算得到σy的分布曲线为ADB； 屈服并应力松弛后σy的分布曲线为CDEF； 若将裂纹顶点由O虚移至O´点， 则在虚拟的裂纹顶点O´以外的弹性应力分布曲线为GEH。 采用等效裂纹长度(a+ry)代替实际裂纹长度a，即
14
材料性能学 三、断裂韧度KⅠc和断裂K判据
已知
K Y
1、平面应变断裂韧度KⅠc (MPa·m1/2)
σ↑(或，和) ↑→KⅠ↑ σ↑→σc (或) ↑→c 裂纹失稳扩展→断裂 →KⅠ=KⅠc 2、平面应力断裂韧度Kc σ↑(或，和) ↑→KⅠ↑ σ↑→σc (或) ↑→ c 裂纹失稳扩展→断裂 →KⅠ=Kc ***Kc>KⅠc
无限远处有均匀应力σ的线弹性问题。
AB两点的张开位移为
36
材料性能学
各种断裂韧度关系：
平面应力：
平面应变：
37
材料性能学
§4.3
一、化学成分、组织结构对断裂韧度的影响 1、化学成分的影响 2、基体相结构和晶粒尺寸的影响 3、夹杂和第二相的影响 4、显微组织的影响：影响材料的断裂韧度。 二、特殊改性处理对断裂韧度的影响 1、亚温淬火 2、超高温淬火 3、形变热处理 三、外界因素对断裂韧度的影响 1、温度 2、应变速率
8
材料性能学
金属硬度 冲击韧性 疲劳
零件材料内部：
• 冶金缺陷 • 晶体滑移产生裂纹 • 相界面处产生裂纹 • 晶界处产生裂纹
疲劳断裂
最后断裂区的面积与所受载荷有关，面积大，说明过载越重。当 其面积小于断口面积的一半时，说明零件无过载或过载很小。
影响疲劳强度的因素
1．突发性：断裂前无明显的塑变；
2．疲劳断裂前零件一般经较长时间的使用；
3．工作应力小于材料的强度极限，甚至小于屈服强度；
4．零件的几何形状、尺寸、表面质量和表面受力状态直接影响 零件的疲劳断裂；
5．断口形貌特殊：分三个区（每个区对应一个过程）。 （1）疲劳源。 （2）裂纹扩展区：贝纹状，是裂纹扩展留下的痕迹。 以上两部分由于受长时间的研磨，呈磨光状态。 （3）最后断裂区：晶粒粗大。
一、高温疲劳和热疲劳
1.高温疲劳
定义：零件在高于材料的0.5Tm（Tm用绝对温度表示的熔点）或 高于其再结晶温度时，在交变应力（机械、热）作用下引起疲劳 破坏的过程。
• 中温疲劳：高于常温，低于0.5Tm的疲劳。
典型零件：汽轮机的叶片、柴油机的排气阀等。 在高温下，材料的蠕变极限、持久强度、疲劳极限均下降。
10 5 时，破坏后具有典型的疲劳断口特征，说明是各次冲 击损伤累积的结果，不同于一次冲击破坏过程，所以多次 冲击抗力不能用AK值简单代替。
强度和塑性对多冲抗力的响应
多冲抗力是一个取决于材料强度和塑性的
综合机械性能，随条件不同，对强度和塑性的
要求是不同的。一般来说：
• 冲击能量高时，材料多冲抗力取决于塑性；
硬度试验方法分类
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《机械制造技术基础》教案
教学内容：硬度冲击吸收功疲劳强度断裂韧度
教学方式：结合实际，由浅如深讲解
教学目的：
1．理解布氏硬度和洛氏硬度的试验原理；
2．掌握硬度表示方法；
3．理解冲击吸收功、疲劳强度、断裂韧度的概念。
重点、难点：硬度冲击吸收功疲劳强度断裂韧度
教学过程：
1.1.1.2 硬度
硬度是表征材料表面局部体积内抵抗其它物体压入时变形的能力。
它是材料性能的一个综合的物理量。
表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。
金属材料质量检验主要用压入法进行硬度试验，而其中应用最为广泛是布氏硬度试验、洛氏硬度试验和维氏硬度试验。
1.布氏硬度
1）试验原理
图1-3为试验原理图。
它是用一定直径的淬火钢球或硬质合金钢球做压头以相应试验力压入被测材料表面，经规定保持时间后卸载，得到一直径为ｄ的压痕，以压痕单位面积上所受试验力的大小来确定被测材料的硬度值，用符号HB表示。
符号ＨＢＳ（淬火钢球）或ＨＢＷ（硬质合金球压头）表示。
HBS=F/A
压＝２F／〔πD（D—（D
２
—d
２
）１／２）〕kgf/mm2
试验力为kgf
HBS（HBW）=0.102×2F/｛πd〔D—（D
2—d
2
）1/2〕｝kgf/mm2
试验力为N
A压——压痕球形面积 mm2
D——压头直径 mm
d——压痕平均直径 mm
测出d值，通过计算或查表即可求得布氏硬度值。
2）表示方法
(1) 表示布氏硬度值时应同时标出压头类型，当试验压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS；当试验压头为硬质合金钢球时，硬度符号为HBW。
(2) 不标单位,HBS或HBW之前数字为硬度值，例如120HBS，450HBW。
(3) 符号后用相应数字依次表示压头直径、试验力及保持时间。
(4) 零件图或工艺文件上标注硬度值时，不规定试验条件，只需范围符号。
例：140HBS10/1000/30
表示直径10mm的淬火钢球作压头，试验力为1000kgf，保持30s的布氏硬度值为140。
3）应用范围
HBS适于测量布氏硬度值小于450的材料，HBW适于测量硬度值小650的材料。
因压痕大，不适宜检验薄件或成品。
主要用于铸铁、有色金属、正火或调质处理的钢材等。
2．洛氏硬度试验
1）试验原理
图1-4为试验原理图。
洛氏硬度是用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588的淬火钢球作为压头，试验时先施加初始载荷，目的是使压头与试样表面接触良好，保证测量结果准确，然后施加主载荷，保持规定时间后卸除主载荷，依据压痕深度确定硬度值。
金属越硬，压痕深度越小。
为适应人们习惯上数值越大硬度越高的观念，故人为的规定一常数K减去压痕深度h的值作为洛氏硬度指标，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用HR表示，测洛氏硬度值为：
HR=（k—h）/0.002
ｋ——常数，金刚石圆锥时，ｋ为0.2；淬火钢球ｋ为0.26。
由此可见，洛氏硬度值是一个无量纲的材料性能指标，使用金刚石压头时，常数K为0.2，使用钢球压头时，常数K为0.26。
实际测量时，可直接从表盘上读出硬度值。
2）表示方法
洛氏硬度计采用A、B、C三种标尺对不同硬度材料进行试验。
硬度分别用HRA（120°金刚石圆锥体、总试验力0.5884KN）、HRB（直径1.588mm 钢球、总试验力0.9807KN）、HRC（120°金刚石圆锥体、总试验力1.4711KN）表示。
硬度值标在符号前，如45HRC。
3）特点
操作简单（直接读出硬度值）；
测量范围大（软硬匀可）；
压痕小，可直接测量薄件或成品。
但由于压痕小，硬度波动大，为提高精度通常测定三个不同点取平均值。
4）应用
HRA ：硬质合金，表面淬硬层，渗碳层；
HRB ：非铁金属，退火、正火钢等；
HRC ：淬火钢，调质钢。
3．维氏硬度试验
1）试验原理（与布氏硬度原理相似）
用一定大小的试验力F ，把144°的硬质合金四棱锥压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力测出压痕的大小，然后求出维氏硬度HV 值。
HV ＝F/S
2）应用范围：
测薄片和镀层。
3）优缺点：
数值精确，但操作麻烦。
1.1.1.3 冲击吸收功
许多机械零件是在冲击载荷下工件的。
冲击载荷比静载荷的破坏能力大，对于承受冲击载荷的材料，还必须具备足够的冲击韧度。
1．冲击韧度概念
所谓冲击韧度，是指材料抵抗冲击载荷作
用而破坏的能力，通常用一次摆锤冲击试验来
测定。
2.冲击韧度试验
试验原理如图1-5所示。
将标准试样安放
在摆锤试验机的支座上，试样缺口背向摆锤，
将具有一定重力的G 的摆锤举至一定高度h 1，
使其获得一定势能Gh 1，然后由此高度落下将
试样冲断，试样断裂后摆锤上摆到h 2高度，在
忽略摩擦和阻尼等条件下，摆锤冲断试样所做
的功，称为冲击吸收功，以A K 表示，则有
12()K A G h h =-。
用试样的断口处截面积去除冲击吸收功即得到冲击韧度即：2
0/(/)K K a A S J cm =。
需要说明一点，使用不同类型的标准试样（U 型或V 型缺口）进行试验时，冲击韧度分别以Ku a 或Kv a 表示。
K a 值愈大，材料的韧性愈好，受到冲击时不易断裂。
生产实践证明，A K 和K a 值对材料组织缺陷十分敏感，能灵敏地反映材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，生产上用来检验冶炼和热加工质量的有效方法之一。
随温度的降低而减小，在某一温度范围，材料的A K 值急剧下降，材料由韧性状态向脆性状态转变，此时的温度称为韧脆转变温度。
1.1.1.4 疲劳强度
1．疲劳概念
许多机械零件，例如轴、齿轮、轴承等，在工作时承受的是交变载荷。
在这种载荷作用下，虽然零件所受应力远低于材料的屈服点，但
在长期使用中往往会突然发生断裂，这种破坏过程称为疲劳断裂。
2．疲劳强度
工程上规定，材料经无数次重复交变载荷作
用而不发生断裂的最大应力称为疲劳强度。
图
1-6是通过试验测定的材料交变应力σ和断裂前应力循环次数N 之间的关系曲线。
曲线表明材
料受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数
（N ）越少，反之，则N 越大。
当应力低于一定
值时，试样经无限次循环也不破坏，此应力值称
为材料的疲劳强度，用r σ表示；对称循环r=-1，
疲劳极限用r σ表示。
3．提高疲劳强度途径
金属产生疲劳同许多因素有关，目前普遍认为是由于材料内部有缺陷，如夹杂、气孔、疏松等；表面划痕、残余应力及其它能引起应力集中的缺陷导致微裂纹产生，这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件突然断裂。
1.1.1.5 断裂韧度
前述力学性能的研究前提是假定材料是均匀、连续、各向同性的。
实际上材料的组织远非是均匀、各向同性的，组织中有微裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺陷，这些缺陷可看成材料中的裂纹。
当材料受到外力作用时，裂纹的尖端附近产生应力集中，形成一个裂纹尖端的应力场，应力场的强弱主要取决于一个力学参数——应力强度因子KI 。
对某一个有裂纹的试样，在拉伸外力作用下，应力强度因子也随之增大，当起增大到某一临界值时，虱样中的裂纹会突然失稳扩展，导致断裂。
这个应力强度因子的临界值称为材料的断裂韧度。
断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的性能指标，是强度和韧性的综合体现，他与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要取决于材料的成分、内部组织和结构。
小结：略
作业： 1.4—1.7 1.23—1.27 1.58 图1-6 疲劳曲线
σ
lgN 10。