不銹鋼材料性能知識大匯總（二）

5、關于硬度的問題

a、硬度概念

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標。

b、硬度試驗方法:

劃痕法——表征金屬切斷強度

回跳法——表征金屬彈性變形功

壓入法——表征塑性變形抗力及應變硬化能力

布氏硬度

壓頭：淬火鋼球（HBS），硬質合金球（HBW）

載荷：3000Kg 硬質合金，500Kg 軟質材料

保載時間：10-15s 黑色金屬，30s 有色金屬

壓痕相似原理

只用一種標準的載荷和鋼球直徑,不能同時適應硬的材料或者軟的材料。為保證不同載荷和直徑測量的 硬度值之間可比，壓痕必須滿足幾何相似。

布氏硬度表示方法：600HBW1/30/20

①度值，②符號HBW，③球直徑，④試驗力(1kgf=9.80665N)，⑤試驗力保持時間

布氏硬度試驗的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：壓頭直徑較大→壓痕面積較大→硬度值可反映金屬在較大范圍內各組成相的平均性能，不受個別組成 相及微小不均勻性的影響。

缺點：對不同材料需更換壓頭直徑和改變試驗力，壓痕測量麻煩，自動檢測受到限制；壓痕較大時不宜在成品上試驗

洛氏硬度

以測量壓痕深度表示材料硬度值。

壓頭有兩種：α＝120°的金剛石圓錐體，一定直徑的淬火鋼球。

洛氏硬度試驗優(yōu)缺點：

優(yōu)點：操作簡便、迅速，硬度可直接讀出；壓痕較小，可在工件上試驗；用不同標尺可測定軟硬不同和厚薄不一的試樣。

缺點：壓痕較小，代表性差；材料若有偏析及組織不均勻等缺陷，測試值重復性差，分散度大；用不同標尺測得的硬度值沒有聯系，不能直接比較。

維氏硬度

原理與布氏硬度試驗相同，根據單位面積所承受的試驗力計算硬度值。不同的是維氏硬度的壓頭是兩個相對面夾角α為136°的金剛石四棱錐體。

努氏硬度

與維氏硬度的區(qū)別1）壓頭形狀不同；2）硬度值不是試驗力除以壓痕表面積，而是除以壓痕投影面積

肖氏硬度

一種動載荷試驗法，原理是將一定質量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘，從一定高度落于金屬試樣表面，根據重錘回跳的高度來表征金屬硬度值大小，也稱回跳硬度。用HS表示。

里氏硬度

動載荷試驗法，用規(guī)定質量的沖擊體在彈力作用下以一定的速度沖擊試樣表面，用沖頭的回彈速度表征金屬的硬度值。用HL表示。

6、關于金屬在沖擊載荷下的力學性能

a、相關概念

沖擊韌性：指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標準試樣的沖擊吸收功AK表示。

沖擊測量參數：測量沖擊脆斷后的沖擊吸收功（AkU或AKV），沖擊吸收功并不能真正反映材料的韌脆程度（沖擊吸收功 并非完全用于試樣變形和破壞）

低溫脆性:體心立方或某些密排六方晶體金屬及合金，當試驗溫度低于某一溫度tk或溫度區(qū)間時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y晶狀。tk或溫度區(qū)間稱為韌脆轉變溫度，又稱冷脆轉變溫度。

b、相關理論

韌脆的評價方法：材料的缺口沖擊彎曲試驗，材料的沖擊韌性

韌脆的影響因素：溫度（低溫脆性）；應力狀態(tài)（三向拉應力狀態(tài)）；變形速度的影響（沖擊脆斷）

低溫脆性的本質：低溫脆性是材料屈服強度隨溫度降低急劇增加的結果。屈服強度σs的隨溫度降低而升高，而斷裂強度σc隨溫度變化很小。

t>tk ,σc>σs ,先屈服再斷裂；t<tk ,σc<σs ,脆性斷裂

韌脆轉變溫度是金屬材料的韌性指標，它反映了溫度對韌脆性的影響。

影響韌脆轉變溫度的冶金因素：

晶體結構：體心立方金屬及其合金存在低溫脆性。普通中、低強度鋼的基體是體心立方點陣的鐵素體，故這類鋼 有明顯的低溫脆性。

化學成分：間隙溶質元素溶入鐵素體基體中，偏聚于 位錯線附近，阻礙位 錯運動，致σs升高， 鋼的韌脆轉變溫度提高。

顯微組織：晶粒大小，細化晶粒使材料韌性增加；減小亞晶和胞狀結構尺寸也能提高韌性。

細化晶粒提高韌性的原因：晶界是裂紋擴展的阻力；晶界前塞積的位錯數減少，有利于降低應力集中；晶界總面積 增加，使晶界上雜質濃度減少，避免產生沿晶脆性斷裂。

7、關于金屬疲勞的問題

a、金屬疲勞現象

疲勞：金屬機件在變動應力和應變長期作用下，由于積累損傷而引起的斷裂現象。

疲勞的破壞過程是材料內部薄弱區(qū)域的組織在變動應力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當裂紋擴展達到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個從局部區(qū)域開始的損傷累積，*終引起整體破壞的過程。

循環(huán)應力的波形：正弦波、矩形波和三角波等。

表征應力循環(huán)特征的參量有：

*大循環(huán)應力σmax，*小循環(huán)應力σmin；平均應力:σm=(σmax+σmin)/2；應力幅或應力范圍:σa=(σmax-σmin)/2；應力比:r=σmin/σmax

疲勞按應力狀態(tài)分：彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及復合疲勞；

疲勞按環(huán)境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞及接觸疲勞等。

疲勞按應力高低和斷裂壽命分：高周疲勞和低周疲勞。

b、金屬疲勞特點

疲勞的特點：該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞，在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料在疲勞破壞前均不會發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂。

疲勞對缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會引起應力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷(夾雜、疏松、白點、脫碳等)，將降低材料的局部強度，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。

c、金屬疲勞宏觀斷口

疲勞宏觀斷口的特征：疲勞斷裂經歷了裂紋萌生和擴展過程。由于應力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴展階段，相應的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)與瞬時斷裂區(qū)的特征。

疲勞源：是疲勞裂紋萌生的策源地。

位置：多出現在機件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內部存在嚴重冶金缺陷(夾雜、縮孔、伯析、白點等)，也會因局部材料強度降低而在機件內部引發(fā)出疲勞源。

特點：因疲勞源區(qū)裂紋表面受反復擠壓，摩擦次數多，疲勞源區(qū)比較光亮，而且因加工硬化，該區(qū)表面硬度會有所提高。

數量：機件疲勞破壞的疲勞源可以是一個，也可以是多個，它與機件的應力狀態(tài)及過載程度有關。如單向彎曲疲勞僅產生一個源區(qū)，雙向反復彎曲可出現兩個疲勞源。過載程度愈高，名義應力越大，出現疲勞源的數目就越多。

產生順序：若斷口中同時存在幾個疲勞源，可根據每個疲勞區(qū)大小、源區(qū)的光亮程度確定各疲勞源產生的先后，源區(qū)越光亮，相連的疲勞區(qū)越大，就越先產生；反之，產生的就晚。

疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展形成的區(qū)域。

宏觀特征：斷口較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣)，有時還有裂紋擴展臺階。

斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱，反映裂紋擴展快饅、擠壓摩擦程度上的差異。

貝紋線——疲勞區(qū)的*典型特征：產生原因:一般認為是因載荷變動引起的，因為機器運轉時常有啟動、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。

形貌特點：疲勞區(qū)的每組貝紋線好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側指向疲勞源，凸側指向裂紋擴展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細密，表明裂紋擴展較慢；遠離疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙，表明此段裂紋擴展較快。

影響因素:貝紋區(qū)的總范圍與過載程度及材料的性質有關。若機件名義應力較高或材料韌性較差，則疲勞區(qū)范圍較小，貝紋線不明顯；反之，低名義應力或高韌性材科，疲勞區(qū)范圍較大，貝紋線粗且明顯。貝紋線的形狀則由裂紋前沿線各點的擴展速度、載荷類型、過載程度及應力集中等決定。

瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域。在疲勞亞臨界擴展階段，隨應力循環(huán)增加，裂紋不斷增長，當增加到臨界尺寸ac時，裂紋**的應力場強度因子KI達到材料斷裂韌性KIc(Kc)時。裂紋就失穩(wěn)快速擴展，導致機件瞬時斷裂。

瞬斷區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載，隨材料性質而變。

脆性材料斷口呈結晶狀；

韌性材料斷口，在心部平面應變區(qū)呈放射狀或人字紋狀，邊緣平面應力區(qū)則有剪切唇區(qū)存在。

位置：瞬斷區(qū)一般應在疲勞源對側。但對旋轉彎曲來說，低名義應力時，瞬斷區(qū)位置逆旋轉方向偏轉一角度；高名義應力時，多個疲勞源同時從表面向內擴展，使瞬斷區(qū)移向中心位置。

大?。核矓鄥^(qū)大小與機件承受名義應力及材料性質有關，高名義應力或低韌性材科，瞬斷區(qū)大；反之。瞬斷區(qū)則小。

d、疲勞曲線及基本疲勞力學性能

疲勞曲線：疲勞應力與疲勞壽命的關系曲線，即S－N曲線。

用途：它是確定疲勞極限、建立疲勞應力判據的基礎。

有水平段（碳鋼、合金結構鋼、球鐵等）：經過無限次應力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，將對應的應力稱為疲勞極限，記為σ-1（對稱循環(huán)）

無水平段（鋁合金、不銹鋼、高強度鋼等）：只是隨應力降低，循環(huán)周次不斷增大。此時，根據材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應力作為條件疲勞極限。

疲勞曲線的測定——升降法測定疲勞極限

d、疲勞過程及機理

疲勞過程：裂紋萌生、亞穩(wěn)擴展、失穩(wěn)擴展三個過程。

疲勞壽命Nf＝萌生期N0＋亞穩(wěn)擴展期Np

金屬材料的疲勞過程也是裂紋萌生相擴展的過程。

裂紋萌生往往在材料薄弱區(qū)或高應力區(qū)，通過不均勻滑移、微裂紋形成及長大而完成。

疲勞微裂紋常由不均勻滑移和顯微開裂引起。主要方式有：表面滑移帶開裂；**相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂；晶界或亞晶界處開裂。

e、如何提高疲勞強度 

如何提高疲勞強度——滑移帶開裂產生裂紋角度

從滑移開裂產生疲勞裂紋形成機理看，只要能提高材料滑移抗力（固溶強化、細晶強化等），均可阻止疲勞裂紋萌生，提高疲勞強度。

如何提高疲勞強度——相界面開裂產生裂紋角度

從**相或夾雜物可引發(fā)疲勞裂紋的機理來看，只要能降低**相或夾雜物脆性，提高相界面強度，控制**相或夾雜物的數量、形態(tài)、大小和分布、使之“少、圓、小、勻”，均可抑制或延緩疲勞裂紋在**相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強度。

如何提高疲勞強度——晶界開裂產生裂紋

從晶界萌生裂紋來看，凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點夾雜物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氫及晶粒粗化等，均易產生晶界裂紋、降低疲勞強度；反之，凡使晶界強化、凈化和細化晶粒的因素，均能抑制晶界裂紋形成，提高疲勞強度。

f、影響疲勞強度的主要因素

表面狀態(tài)的影響：應力集中——機件表面缺口因應力集中往往是疲勞策源地，引起疲勞斷裂，可用Kf與qf表征缺口應力集中對材料疲勞強度的影響。Kf與qf越大，材料的疲勞強度就降得越低。且這種影響隨材料強度的增高，更加顯著。

表面粗糙度——表面粗糙度越低，材料的疲勞極限越高；表面粗糙度越高，疲勞極限越低。材料強度越高，表面粗糙度對疲勞極限的影響越顯著。

殘余應力及表面強化的影響：殘余壓應力提高疲勞強度；殘余拉應力降低疲勞強度。殘余壓應力的影響與外加應力的應力狀態(tài)有關，不同應力狀態(tài)，機件表面層的應力梯度不同。彎曲疲勞時,效果比扭轉疲勞大；拉壓疲勞時，影響較小。殘余壓應力顯著提高有缺口機件的疲勞強度，殘余應力可在缺口處集中，能有效地降低缺口根部的拉應力峰值。殘余壓應力的大小、深度、分布以及是否發(fā)生松弛都會影響疲勞強度。

表面強化的影響——表面強化可在機件表面產生殘余壓應力，同時提高強度和硬度。兩方面的作用都會提高疲勞強度。（方法：噴丸、滾壓、表面淬火、表面化學熱處理）硬度由高到低的順序：滲氮→滲碳→感應加熱淬火；強化層深度由高到低順序：表面淬火→滲碳→滲氮。

材料成分及組織的影響：疲勞強度是對材料組織結構敏感的力學性能。合金成分、顯微組織、非金屬夾雜物及冶金缺陷

g、低周疲勞

低周疲勞：金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102～105次的疲勞斷裂。

循環(huán)硬化和循環(huán)軟化現象與位錯循環(huán)運動有關。

在一些退火軟金屬中，在恒應變幅的循環(huán)載荷下，由于位錯往復運動和交互作用，產生了阻礙位錯繼續(xù)運動的阻力，從而產生循環(huán)硬化。

在冷加工后的金屬中，充滿位錯纏結和障礙，這些障礙在循環(huán)加載中被破壞；或在一些沉淀強化不穩(wěn)定的合金中。由于沉淀結構在循環(huán)加載中校破壞均可導致循環(huán)軟化。

熱疲勞：機件在由溫度循環(huán)變化時產生的循環(huán)熱應力及熱應變作用下發(fā)生的疲勞。

熱機械疲勞：溫度循環(huán)和機械應力循環(huán)疊加所引起的疲勞。

產生熱應力的兩個條件：①溫度變化②機械約束

沖擊疲勞：沖擊次數N>105次時，破壞后具有典型的疲勞斷口，即為沖擊疲勞。