材料的機(jī)械特性測量第一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日第一部分：材料的機(jī)械特性測量第二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日材料的機(jī)械特性主要就是指材料的力學(xué)特性，如材料的抗壓能力、形變性能、斷裂和摩擦等，主要反映在一些物理量上，如，硬度、彈性模量（楊氏模量）、屈服強(qiáng)度等。以金屬為例，介紹一下硬度及其測量。第三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日硬度：硬度是指金屬在表面上的不大體積內(nèi)抵抗變形或者破裂的能力。究竟它表征哪一種抗力則決定于采用的實(shí)驗(yàn)方法，如刻劃法型硬度實(shí)驗(yàn)則表征抵抗破裂的能力，而壓入法型硬度實(shí)驗(yàn)則表征表征金屬抵抗變形的能力。生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是壓入法硬度。大致常用的是：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度。第四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日Po1/2Dba1/2ddt1/2D-t布氏硬度：基本原理：布氏硬度實(shí)驗(yàn)始于1900年，在直徑D的鋼珠上，加一定負(fù)荷P,壓入被試金屬的表面，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹面積A計(jì)算出應(yīng)力值，以此值作為硬度值大小的計(jì)量指標(biāo)，HB第五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日有上式可知，在P和D一定時(shí)，HB的高低取決于t的大小，二者成反比。在實(shí)際測定時(shí)，由于測定t較困難，而測定陷凹直徑d卻較容易，根據(jù)幾何知識(shí)可得：則：第六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日上式中只有d是變數(shù)，故實(shí)驗(yàn)時(shí)只要測出d即可計(jì)算出HB值。（在生產(chǎn)中P和D都有規(guī)定值，故布氏硬度已經(jīng)計(jì)算出成表，查表即得硬度值。）實(shí)驗(yàn)規(guī)程：布氏硬度的基本條件是負(fù)荷P和鋼球直徑D必須事先確定，這樣得到的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行比較。如果都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的P和D，對于硬合金適用，對軟合金就不適用了，整個(gè)鋼球?qū)⑾萑氩牧现校瑯訉癫牧线m用，對薄的材料就不適用，容易壓透。壓痕直徑d和鋼球的直徑D的比值不能太大或太小，否則HB失真。一般,0.2D<d<0.5D。第七頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日D2D1P2P1d1d2所以要采用不同的P和D，但要滿足不同的P和D，對同一種材料測得的硬度值得相同。用相似原理解決此問題。如右圖，要滿足測得的硬度值相等，就必須使二者的壓入角相等。由右圖可得：則：

第八頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日只要使P/D2為一常數(shù)，就能保證壓入角相等。生產(chǎn)上常用的P/D2值規(guī)定有30、10、2.5三種。布氏硬度實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)條件在國標(biāo)GB231-84中有明確規(guī)定。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：代表性全面，壓痕面積達(dá)，能反映表面較大體積范圍內(nèi)各組成相綜合平均的性能數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：鋼球本身形變的問題；不適于薄件樣品。第九頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日洛氏硬度：洛氏硬度值的規(guī)定：始于1919年，洛氏硬度的壓頭分硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)的由頂角為120o的金剛石圓錐體制成；軟質(zhì)的為直徑1/16’’（1.5875mm)和1/8’’(3.175mm)鋼球。它是直接利用壓痕度大小作為硬度值高低的試驗(yàn)。隨著不同壓頭和所加不同負(fù)荷的搭配出了各種稱號的洛氏硬度級。下面列出主要應(yīng)用的幾種：第十頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日符合壓頭負(fù)荷kgf硬度值的范圍使用范圍HRA1200金剛石圓錐60>70測硬質(zhì)合金、

淬火層、滲碳層、氣化層等零部件HRBФ2.5或Ф5鋼球100

25--100(HB60-230)測有色金屬、退火、正火、回火等零部件HRC1200金剛石圓錐150

20-67

(HB230-700)測調(diào)質(zhì)鋼、

淬火鋼等零部件HRA(金剛石圓錐壓頭，60kgf負(fù)荷）；HRB(1/16’’鋼球壓頭、100kgf負(fù)荷）；HRC（金剛石圓錐壓頭、150kgf負(fù)荷）第十一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日由于洛氏硬度是以壓痕陷凹深度t作為計(jì)量硬度值的指標(biāo)，在同一級硬度下，如果t越大，則表明硬度大，是反比關(guān)系。不符合習(xí)慣，為此用選定的常數(shù)來減去測量值t,以其差來標(biāo)志洛氏硬度值。常數(shù)為0.2mm(用于HRA、HRC)和0.26mm(用于HRB)，在讀數(shù)上規(guī)定0.002mm為一度，這樣第一個(gè)常數(shù)為100度，第二個(gè)為130度。實(shí)驗(yàn)機(jī)的表盤為100格/周。第十二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）有硬、軟質(zhì)兩種壓頭，故適應(yīng)于不同硬質(zhì)材料，不存在壓頭變形問題。2）壓痕小，不傷工件表面。3）操作迅速立即得出數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：不同硬度級別的硬度無法統(tǒng)一。洛氏硬度實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件在國標(biāo)GB/T230-91。第十三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日維氏硬度：維氏硬度試驗(yàn)方法始于1925年。其原理和布氏硬度相同，也是根據(jù)單位壓痕陷凹面積上承受的負(fù)荷，即應(yīng)力值作為硬度值的計(jì)量指標(biāo)。不同：維氏硬度壓頭為錐面夾角為136o的四方角錐體，金剛石制成。采用四方角錐的原因是針對布氏硬度必須滿足P/D2為定值的缺點(diǎn)，采用四角錐，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)壓入角不變，因此負(fù)荷可以任意選擇。之所以采用136o，為了和布氏硬度值得到最好搭配。因?yàn)椴际显囼?yàn)中0.5D>d>0.25D,當(dāng)時(shí)，通過此壓痕直徑作鋼球的切線，切線的夾角正好等于136o。第十四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日D0.375Dd這樣布氏硬度和維氏硬度一致了。而壓痕陷凹面積A則維氏硬度Hv:第十五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）不存在P和D的約束條件及壓頭變形問題。2）不存在洛氏硬度無法統(tǒng)一的缺點(diǎn)。缺點(diǎn)：硬度值需要通過測量對角線后才能計(jì)算出，效率低。維氏硬度實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件在國標(biāo)GB4340-84。第十六頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日顯微硬度顯微硬度所用的載荷很小，所用壓頭兩種：一種是維氏壓頭。和宏觀的維氏壓頭一樣，只是在金剛石四方錐的制造和測量上更加嚴(yán)格；另一種是努氏壓頭，是一菱形的金剛錐。在縱向上錐體的頂角為172o30’,橫向上錐體的頂角為130o，壓痕長短對角線之比約為7:1，壓痕的深度約為其長度的1/30。努氏硬度：A是投影面積，l是長對角線的長度以um計(jì)，C是制造廠家提供的常數(shù)。第十七頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日l130o172o30’硬度換算各種硬度之間線性回歸關(guān)系：HRC=6.96+0.089HB(323<HB<501)HRC=8.32+0.0834HV(329<HV<517)HB=15.28+0.938HV(329<HV<517)HV:洛氏HB：布氏HR:洛氏HK：努氏

微觀硬度的測量主要是納米壓痕儀！以介紹過，不再重復(fù)了。第十八頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日橢圓偏振儀測量薄膜的厚度與折射率橢圓偏振儀是利用光學(xué)測量薄膜的厚度和折射率，屬于反射譜法。具有以下特點(diǎn)：1.可測量的薄膜很薄，可到幾納米。2.精度高、非破壞和非接觸測量。簡要原理：光波可以分解為兩個(gè)互相垂直的線形橢圓偏振的S波和P波，若S波和P波的相位差不等于的整數(shù)倍時(shí)，合成的光波為橢圓偏振光。當(dāng)橢圓偏振光通過薄膜時(shí)，其反射和折射的偏振態(tài)將發(fā)生變化，由此可以推出薄膜的厚度和折射率。第十九頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日d總的反射光為各個(gè)之和。相鄰光束之間的光程差為：對應(yīng)的相位差：第二十頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日設(shè)入射光和反射光振幅的兩分量在兩界面上分別為：由菲涅爾反射公式、麥克斯韋方程和邊界條件可得反射系數(shù)：第二十一頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日薄膜的總的反射系數(shù)：引入反射系數(shù)之比等于

RP/Rs=tanexp(i)=f(n1,n2,n3,

，d，）tan表示反射前后P分量和S分量相對振幅變化之比。△表示反射前后P分量和S分量位相變化之差。第二十二頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日橢偏儀的光路圖光源起偏器檢偏器波片光闌光電探測器樣品第二十三頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日測量反射系和數(shù)比線形偏振光的偏振角為P（可以直接讀出），1/4波片的光軸方向位被安置在45度處，經(jīng)過它后得到A快、A慢。且相差90度。YX慢快A0這樣獲得振幅相等，位相差為2P-90度的等幅橢圓偏振光。第二十四頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日上述等幅橢偏光以角入射樣品表面，反射后也有兩個(gè)分量。則若經(jīng)樣品反射的光為線偏振，即：第二十五頁，共二十七頁，編輯于2023年，星期日值為檢偏器方位角A的讀數(shù)。改變P值得線偏振光有2種情況。（1）P角記為