第2章金屬的硬度

1、1金屬力學(xué)性能 第2章 金屬的硬度2本章內(nèi)容硬度及其意義布氏硬度維氏硬度洛氏硬度硬度測(cè)量操作要點(diǎn)金屬的硬度與強(qiáng)度的關(guān)系3 1、硬度 表征材料軟硬程度的一種性能,隨試驗(yàn)方法的不同，物理意義不同。 2、硬度的種類 壓入法：布氏硬度、洛氏、維氏、普氏等。表征材料的塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力。應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大，2，幾乎所有的材料都能產(chǎn)生塑性變形。 刻劃法：莫氏硬度。表征材料對(duì)切斷的抗力。 回跳法：肖氏硬度。表征金屬?gòu)椥宰冃喂Φ拇笮　?同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一材料進(jìn)行標(biāo)定。硬度及其意義4 硬度測(cè)試過(guò)程中壓痕區(qū)域材料發(fā)生彈性變形、塑性變形甚至斷裂； 壓痕區(qū)域材料的力學(xué)行為復(fù)雜

2、，反映了材料彈塑性變形以及加工硬化能力； 硬度試驗(yàn)較簡(jiǎn)便，工程上多作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用，如鑒別材料和工藝好壞； 硬度數(shù)據(jù)與其它力學(xué)性能指標(biāo)存在一定關(guān)系，如與抗拉強(qiáng)度。原因在于硬度和抗拉強(qiáng)度都與大塑性變形抗拉有關(guān)。5表面滲氮處理齒輪6布氏硬度（Brinell hardness）1900年，瑞典工程師J.A. Brinell（1849-1925）提出。7Brinell設(shè)計(jì)和制造第一臺(tái)布氏硬度儀目前機(jī)器8原理用一定直徑D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，施以一定的試驗(yàn)力，將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力。試樣表面留下壓痕。力除以壓痕球形表面積的商就是布氏硬度。壓頭：淬火鋼球；或硬質(zhì)合金鋼球布氏

3、硬度9球冠表面積（壓痕面積）22222()( )222(11() )2(11(sin) )22SRHDHDDdHDdHDDH1022222()( )222(11() )2(11(sin) )22SRHDHDDdHDdHDDH壓痕面積=球冠表面積11其中P為施加的壓力；D為鋼球直徑；d為球冠直徑HB的單位是Kgf/mm2上面的式子中， ，當(dāng) 確定時(shí)，張角 也就唯一確定，從而HB也唯一確定。為了保證對(duì)同一材料，測(cè)量的HB相同，那么必須滿足： 此時(shí)，也就是兩次測(cè)量在幾何上是相似的，這就是布氏硬度測(cè)量的相似性原理。sin2dD2DP222211DPDP2112問(wèn)題：選擇多大的 ？要靠標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定！ 大，那

4、么壓痕深；否則，壓痕淺。 對(duì)于布氏硬度測(cè)量，希望硬度不要太深，也不要太淺。因此對(duì)硬的材料， 大一些，對(duì)軟的材料， 小一些。 試驗(yàn)表明，壓痕太深、太淺測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性都不好，大量試驗(yàn)表明，在下面的試驗(yàn)條件下，測(cè)量結(jié)果最為穩(wěn)定： 當(dāng)2DP2DP2DP2DPODdD6029, 5 . 0sin25. 0,5 . 025. 0O即即時(shí)，測(cè)試效果最好。O5 .4413布氏硬度試驗(yàn)規(guī)程 試樣厚度: 樣品厚度一般要遠(yuǎn)大于壓痕深度, 載荷較大，樣品要厚。 P/D2：樣品硬度高，P/D2要大。查表。 載荷保持時(shí)間：壓頭壓入材料后，材料的塑性變形需要時(shí)間，硬度越高，塑性往往越小，載荷保持時(shí)間可以越小14以鋼（黑色金

5、屬）和鋁合金（有色金屬）為例，說(shuō)明：為什么鋼的P/D2取30，而鋁的P/D2取10？為什么鋼的載荷保持時(shí)間比鋁的??？1. 試樣厚度與載荷大小的關(guān)系？為什么樣品厚度壓痕深度10倍？15布氏硬度數(shù)據(jù)表示方法 載荷、壓頭直徑、保持時(shí)間是布氏硬度試驗(yàn)三要素。 150HBS10/1000/30表示：硬度150，S表示采用淬火鋼球；10表示壓頭直徑10mm，1000表示載荷為1000Kg，30表示載荷保持時(shí)間為30s 200HBW10/3000/10表示：硬度200，硬質(zhì)合金鋼球；壓頭直徑10mm，載荷3000Kg，載荷保持時(shí)間10s。16布氏硬度試驗(yàn) 查待測(cè)材料可能的硬度 查手冊(cè)選擇試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，包括載荷、

6、壓頭直徑、保持時(shí)間等 進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。 盡可能選擇較大載荷！17布氏硬度特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 壓痕面積大，反映較大范圍內(nèi)材料的硬度性能 試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好，應(yīng)用廣泛 適用于晶粒粗大、相組成復(fù)雜、相尺寸較大的材料缺點(diǎn)： 為保證數(shù)據(jù)可靠，需根據(jù)材料的種類和試樣的厚薄更換壓頭。d=0.240.6D 屬有損檢測(cè)，壓痕較大，不能在成品表面進(jìn)行檢測(cè) 試驗(yàn)操作和壓痕測(cè)量費(fèi)時(shí)，工作效率低，不能連續(xù)檢測(cè)，在大批量生產(chǎn)檢驗(yàn)時(shí)不宜使用18維氏硬度（Vickers hardness） The Vickers hardness test was developed in 1921 by Robert L. Smith and

7、George E. Sandland at Vickers Ltd as an alternative to the Brinell method to measure the hardness of materials.19=136o的金剛石四棱錐體取=136o 與布氏硬度的計(jì)算方法相同?？倽M足幾何相似性！維氏硬度可分為宏觀和微觀兩種：宏觀：F=49.03980.7 N 六級(jí) 大載荷 F=1.96149.03 N 七級(jí) 小載荷顯微：F=98.0710-31.961 N 五級(jí)22854. 1)2/136sin(P2dPdFPHVo壓痕20 為什么選擇136o？布氏硬度中，要求：當(dāng) 為44o時(shí)，

8、其對(duì)角為136o。 為什么維氏硬度測(cè)試不同的材料不需要更換壓頭？維氏硬度測(cè)量時(shí)，壓痕總接近于滿足幾何形狀的相似性O(shè)DdD6029, 5 . 0sin25. 0,5 . 025. 0O即即21維氏硬度特點(diǎn) 只需要測(cè)試壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d，根據(jù)公式可以計(jì)算出硬度 可以用于測(cè)量從軟到硬的材料 維氏硬度測(cè)試的數(shù)值可以直接比較 理論上可以選擇任意載荷 但是具體測(cè)試時(shí)，希望壓痕不要太淺，也不要太深，一般在5，10，20，30，50，100，120Kg選擇合適的載荷，選擇的依據(jù)是該材料的硬度。22顯微硬度 載荷很小的維氏硬度，載荷大小從5g到200g 可以用于分析材料中某一個(gè)相的硬度，或者單個(gè)晶粒內(nèi)的硬度 可以

9、用于分析滲層中的硬度變化 可以用于鑒別不同的相，例如：23維氏硬度測(cè)試方法根據(jù)材料種類、硬度選擇合適的載荷、保壓時(shí)間測(cè)試壓痕對(duì)角線直徑計(jì)算維氏硬度注意壓痕形狀需要在下圖a中為最佳24 計(jì)算題1：在294.3N（30kgf）載荷下測(cè)定某鋼材的維氏硬度。測(cè)得壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度為0.454mm，計(jì)算該鋼材的維氏硬度值。25 計(jì)算題1：在294.3N（30kgf）載荷下測(cè)定某鋼材的維氏硬度。測(cè)得壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度為0.454mm，計(jì)算該鋼材的維氏硬度值。26 計(jì)算題1：在294.3N（30kgf）載荷下測(cè)定某鋼材的維氏硬度。測(cè)得壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度為0.454mm，計(jì)算該鋼材的維氏硬度值。 答案：把30kgf帶入進(jìn)

10、行計(jì)算時(shí)： 270把294.3N帶入進(jìn)行計(jì)算時(shí)：28544. 1dPHV 21891. 0dPHV 22854. 1)2/136sin(P2dPdFPHVo壓痕27壓頭：圓錐角等于120O的金剛石圓錐體，或直徑D1.588mm的淬火鋼球P010Kgf98Nh0P0P1（140Kgf）h1P0e 最終深度洛氏硬度（Rockwell hardness）改用壓痕深度反映材料硬度28002. 0eHR,002. 0t,因此取kmmtekHRteHR 002. 0e100HR使用金剛石壓頭時(shí)，k0.2mm使用淬火鋼球時(shí)，k0.2mm，此時(shí)可能出現(xiàn)測(cè)試的結(jié)果為負(fù)值的情況，此時(shí)在上面公式中加30，得到：13

11、00.002eHR-硬度小，壓入深，數(shù)值大，與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)感受不符。29 上面的測(cè)量中，初始載荷10Kgf，主載荷140Kgf，得到的洛氏硬度稱為HRC 其它載荷組合可以擴(kuò)展硬度測(cè)量范圍，從而得到HRA，HRB30表面洛氏硬度 洛氏硬度載荷較大，不能用來(lái)測(cè)量較薄滲層如滲碳層，或表面鍍層的硬度，為此發(fā)展了表面洛氏硬度。 表面洛氏硬度初始載荷為3Kgf，主載荷有12，27，42Kgf等，31洛氏硬度特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 操作簡(jiǎn)便迅速，硬度值可以在設(shè)備上直接讀出；操作簡(jiǎn)便迅速，硬度值可以在設(shè)備上直接讀出； 壓痕較小，可在工件表面測(cè)量；壓痕較小，可在工件表面測(cè)量； 可測(cè)量軟硬不同的材料硬度可測(cè)量軟硬不同的材料

12、硬度缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 壓痕較小，代表性差壓痕較小，代表性差 材料中有偏析或組織不均勻時(shí)，數(shù)據(jù)重復(fù)性差，分散度大材料中有偏析或組織不均勻時(shí)，數(shù)據(jù)重復(fù)性差，分散度大 不同等級(jí)的洛氏硬度數(shù)據(jù)不具有可比性。如不同等級(jí)的洛氏硬度數(shù)據(jù)不具有可比性。如HRA，HRB，HRC數(shù)據(jù)不具有可比性。數(shù)據(jù)不具有可比性。32洛氏硬度的測(cè)量33硬度測(cè)量操作要點(diǎn) 壓頭和試樣支撐架應(yīng)當(dāng)清潔并安裝牢固； 測(cè)量表面應(yīng)當(dāng)清潔、干燥、光滑，沒(méi)有氧化物 表面應(yīng)當(dāng)平坦，并與壓頭垂直 試樣必須足夠厚，厚度應(yīng)當(dāng)至少是壓痕深度的10倍 兩個(gè)壓痕之間的間距應(yīng)當(dāng)是壓痕直徑的35倍 全部測(cè)試中的加載速率應(yīng)保持一致 需要用標(biāo)準(zhǔn)硬度試塊進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)硬度試

13、塊是經(jīng)過(guò)特殊制備的金屬樣品，它的粗糙度、硬度和硬度均勻性都經(jīng)過(guò)標(biāo)定。34硬度與材料抗拉強(qiáng)度的關(guān)系 金屬的壓入硬度與抗拉強(qiáng)度成正比例關(guān)系： 其中k為比例系數(shù)，不同金屬材料的k值不同，同一種類的金屬經(jīng)過(guò)熱處理后，硬度和強(qiáng)度發(fā)生變化，但k值基本保持不變； 經(jīng)過(guò)冷變形后，金屬材料的k值不再是常數(shù)； 鋼鐵材料的k大約是3.3 精確的強(qiáng)度數(shù)據(jù)要靠直接測(cè)量得到。kHBb351、在用壓入法硬度計(jì)測(cè)量硬度時(shí)，試討論如下情況的誤差： 過(guò)于接近試樣的端面； 過(guò)于接近其他測(cè)量點(diǎn)； 試樣太薄。2、硬度和材料抗拉強(qiáng)度之間具有上述比例關(guān)系的原因？ 思考題核心：都反映材料的大塑性變形抗力36作業(yè)1、列舉拉伸力學(xué)性能主要性能指標(biāo)及其意義。2、推導(dǎo)：形變強(qiáng)化指數(shù)等于最大均勻真應(yīng)變3、推導(dǎo)極限延伸率計(jì)算公式。說(shuō)明5倍拉伸試樣和10倍拉伸試樣測(cè)量得到的極限延伸率差別的原因？4、一個(gè)直徑為2.5mm，長(zhǎng)度200mm的桿，在載荷2000N作用下，直徑縮小為2.2mm，計(jì)算：a）桿的最終長(zhǎng)度（體積不變?cè)恚?；b）該載荷作用的真應(yīng)力與真應(yīng)變；c）該載荷作用下的條件應(yīng)力與條件應(yīng)變。5、何為應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)？詳細(xì)說(shuō)明拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及其應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)。6、簡(jiǎn)述彎曲和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)。7、說(shuō)明布氏硬度測(cè)量原理及