结构与性能 第六章

1.布氏硬度(HB)
• 布氏硬度法主要用来测定金属材料中较 软及中等硬度的材料，很少用于陶瓷。
• 原理：以一定的载荷(一般3000kg)把一 定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压 入材料表面，保持一段时间，去载后， 负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬 度 值 (HB) ， 单 位 为 公 斤 力 /mm2 (N/mm2)。
特制的材料测 试专用镜头
相机
与传统方式比较
视频测量仪 安装方式 非接触
传统设备：如：引伸计 应变计
性能
可能存在的问题
接触式
打滑 无法固定在试样上 试样断裂可能破坏引伸计
所有材质的材料； 测量对象
尺寸范围广
特殊材料无法测量 常规尺寸的材料 小试样无法测量
大试样需要贴很多应变片
宽泛； 测量环境 比如：高温、 高
断裂韧性测定
• 1. 单边切口梁法 （Single-Edge-NotchedBeam ）
• 2. Vickers 压痕弯曲梁法 (SEPB) • 3. 直接压痕法 (Indentation Method)
单边切口梁法 (SENB)
加载速率：0.05 mm/min，跨距：20 mm 试样尺寸：6(w) × 3(b) × > 30
巴氏裂纹：
K IC 0.5727 H 0.6 E 0.4a2c1.5 （0.25≤c/a≤2.
5）
IM法的优缺点
• 优点：无需特别制样。可利用很小的样品，测 定Hv的同时获得KIC，简单易行。
• 缺点：（1）表面要求高； （2）由于压痕周围应力应变场十分复
杂，目前并没有获得断裂力学的精确解，只有 近似解；
拉伸强度的测定
拉伸强度试样
拉伸法测定涂层附着力
在一个试柱的表面按其相应的涂料产品的技术条件进行涂 装。用胶结剂与另一个试柱胶结。2个试柱可借助于图2的 装置同轴地胶结，连同定中心装置，按其干燥工艺要求进 行固化，然后进行在万能材料试验机上测定涂层附着力。
实例：采用拉伸法测定砂浆和土 聚材料的结合力
mounting
Fine polishing
维氏硬度计
范例1-金属材料（标样）
范例2-陶瓷材料
d2 d1
d=(d1+d2)/2
！载荷选择过大，容易
造成硬度测量值偏高
×
抛光如镜面(致密度高是前提保证)， 不是试样抛光了就可以测显微硬度
×
经过表面抛光处理PMCC样品示意图
问题
• 透明陶瓷如何测维氏硬度？
(1) 最大试验力：10000N (2) 最大试样尺寸：600×600mm 、800×800mm、1000×1000mm (3)两支承辊间距160～810mm （每隔10mm调定）
力学性能测试 （万能材料试验机-高温）
抗弯法间接测定 牙科烤瓷材料与金属间结合强度
抗压强度的测定
陶瓷的抗压强度是抗弯强度的十倍左右，一般 只测定陶瓷抗弯强度。如果材料的抗弯强度很 低的情况下，才测抗压强度，如多孔陶瓷、生 物陶瓷。
• 动态压入法（Berkovich
或 Vickers金刚石压头）
测量薄膜和块体材料显微
硬度，弹性模量，接触刚
度
。
加载力0.5～300 mN 加载分辨率 40 nN
原子力显微镜观察微纳米压痕形貌
硅基体表面沉积 TiZrCrAlN 复合膜的硬 度曲线和Berkovich压痕形貌 载荷:50 mN 硬度:2450 Hv
单边切口梁法近似简化为单边尖锐裂纹试样
SENB计算公式
K1c

3Pl 2bw2
Y
a
a—切口深度；Y —几何形状 a/w=0.3~0.6; 切口宽度 ~0.1 mm
Y 1.93 3.07(a / w) 13.66(a / w)2 23.98(a / w)3 25.22(a / w)4
待测样品
土聚材料
砂浆
砂 土聚材料
浆பைடு நூலகம்
弹性模量的测试
• 应变测试技术（the strain measurement technique）
• 共振技术（the resonance technique）
• 超声脉冲-回波技术（the ultrasonic pulseecho method）
应变测试技术
速、辐射条件
常规条件
特殊的环境下无法测量
测量方向 二维空间任何方向 单一方向
测量不同方向需要更多的 应变计
材料领域的优势
• 非接触式（只要摄像机能拍摄到，就能测量） • 安装方便、节省时间、操作简单(无需专业人士即可操作)
• 测量对象：所有材料
如：金属、塑料、橡胶、复合材料、高分子材料、皮革等等
• 测量条件宽泛：高速、高温、有害条件测量 • 测量尺寸宽泛：从细小材料（<1mm）到大型建筑
长棒状试样三点抗弯强度测定
P D
L
8Pl f D3
抗弯强度试样的制备
平面磨床 抛光机
四点抗弯比 三点抗弯更 接近真实 值，工程实 际应用需要 四点抗弯； 写论文三点 抗弯就Ok, 每组试样至 少5根。
工程应用至少每组试样要20根， 并计算韦伯模数
陶瓷材料的力学性能曲线
两种材料的韦伯统计断裂几率图的比较
Vickers 压痕弯曲梁法 (SEPB)的缺点： 预制裂纹的成功率很低，而进一步控 制裂纹的深度以保证计算公式所要求 的尺寸就更困难。
直接压痕法
试样表面要求高，无划痕和缺陷
试样不平
计算公式
计算公式有很多，这里只给出新原皓一提出 的公式
半月型裂纹：
K IC 2.109H 0.6 E 0.4a 2c1.5 （ c/a≥2.5）
陶瓷材料的强度关系： • 拉伸强度=（0.5～0.7）抗弯强度 • 抗压强度=（8 ～ 10）抗弯强度
抗弯强度的测定
精细陶瓷弯曲强度试验方法 GB/T 6569-2006
长条试样三点抗弯强度测定
P w
3Pl f 2bw2
L=30 mm
加载速率：0.5 mm/min, 跨距：30 mm 试样尺寸：3(w) × 4(b) × > 35,抗张面抛 光,并45o倒角
努普硬度（HK）
• 努普硬度(Knoop hardness) 也是采用金刚 石压头，得到非常浅的金刚石形状的压 痕，特别适合于薄膜类材料的硬度测定.
微纳米综合力学测量系统
• Open Plateform微纳米综 合力学测量系统主要由 Open Plateform 微纳米 压入测量系统，显微划痕 测量系统，原子力显微 镜，光学显微镜以及高分 辨彩色CCD及图形采集卡 组成，其具体用途如下：
抗弯强度的测定
混凝土样品
混凝土一般抗弯强 度10MPa, 采用短 纤维或聚合物等措 施可提高到30MPa 甚至50MPa.
国标：试样尺寸=40x40x160；跨距=120； 加载速率=0.5mm/min
陶瓷砖抗折仪
• 国标GB/T3810.4—2006《陶瓷砖试验方 法—第4部分：断裂模数和破坏强度的测 定》：断裂模数与破坏强度的测定方法》
无机材料的力学性能测试方法
饶平根 ☆断裂强度的测试 ☆弹性模量的测试 ☆硬度的测试 ☆断裂韧性的测试
断裂强度的测试 (fracture strength)
• 抗弯强度的测定(bending strength or flexural
strength)
• 抗压强度的测定 （compressive strength） • 拉伸强度的测定 (tensile strength )
（>100m） • 测量分辨率高：位移分辨率0.012m，应变5
• 能够进行静态和动态测试
• 取代传统传感器。如：应变计、引伸计、加速度计等等。
• 实时测量多达100个点（每两个点之间相当于一个传感器） • 同步测量多项指标（如：同时测量位移、应变、加速度）
• 能够录制下实验过程，从而，对实验进行新的测量。
•
ct=c1{(1-2)/2(1-)}2
—待测样品的泊松比
可得弹性模量E:
E=ct{[(3/4)-(ct/cl)2]/[1- (ct/cl)2]}
—试样的密度
剪切模量 G=ct
硬度的测试
• 硬度是材料的一个重要的力学性能，反 映材料表面层抵抗永久形变或破裂的能 力，它与晶体结构、晶体缺陷、结合键 类型、体积密度、晶粒尺寸和材料纯度 有关。 划痕法
• 拉伸法 需要应变仪或引伸计，在试样拉伸强度 测试过程中，测定应力-应变曲线 E=
引伸计测 量精度 ≥0.m
采用12.5mm引伸计、加载0.02 in./mm,室温
抗弯法测陶瓷的弹模 • 满足线弹性
应变仪
跨距＞60
加载速率 0.5mm/min
95氧化铝试样测试
非接触式视频应变测量仪
维氏硬度（Hv）
• 陶瓷材料常用。对于普通陶瓷材料，载 荷5～30 Kg。对于脆性材料（如玻 璃），载荷≤1 Kg，也称显微硬度。
• 试样要求：表面平整，抛光如镜面(致 密度高)，尺寸大小、形状无要求。
• 计算公式：Hv=1.8544P/d2 • P—载荷；d—压痕两对角线长度平均值
维氏硬度试样的制备
（3）随材料性质不同会产生较大误 差，特别是材料中存在相变增韧效应时误差更 大；
（4）四角裂纹长度由于压痕周围残余 应力的作用会发生变化，产生压痕裂纹后若放 置不同时间，裂纹长度会发生变化，影响测定 值的精度。
牙科烤瓷材料的压痕应力扩展
IM法测定相变增韧材料的修正
• 半月型裂纹：
K IC (1 0.0083V f E) 2.109H 0.6 E 0.4a 2c 1.5
Vickers 压痕弯曲梁法 (SEPB)