金属理论

1金属力学性能第2章金属的硬度2本章内容1.硬度及其意义2.布氏硬度3.维氏硬度4.洛氏硬度5.硬度测量操作要点6.金属的硬度与强度的关系31、硬度表征材料软硬程度的一种性能,随试验方法的不同，物理意义不同。2、硬度的种类压入法：布氏硬度、洛氏、维氏、普氏等。表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。应力状态软性系数最大，α2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。刻划法：莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。回跳法：肖氏硬度。表征金属弹性变形功的大小。同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一材料进行标定。1.硬度及其意义4•硬度测试过程中压痕区域材料发生弹性变形、塑性变形甚至断裂；•压痕区域材料的力学行为复杂，反映了材料弹塑性变形以及加工硬化能力；•硬度试验较简便，工程上多作为经验数据使用，如鉴别材料和工艺好坏；•硬度数据与其它力学性能指标存在一定关系，如与抗拉强度。原因在于硬度和抗拉强度都与大塑性变形抗拉有关。5表面渗氮处理齿轮6布氏硬度（Brinellhardness）1900年，瑞典工程师J.A.Brinell（1849-1925）提出。7Brinell设计和制造第一台布氏硬度仪目前机器8原理•用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力。试样表面留下压痕。•力除以压痕球形表面积的商就是布氏硬度。•压头：淬火钢球；或硬质合金钢球2.布氏硬度9球冠表面积（压痕面积）22222()()222(11())2(11(sin))22SRHDHDDdHDdHDDH1022222()()222(11())2(11(sin))22SRHDHDDdHDdHDDH压痕面积=球冠表面积11其中P为施加的压力；D为钢球直径；d为球冠直径HB的单位是Kgf/mm2上面的式子中，，当确定时，张角也就唯一确定，从而HB也唯一确定。为了保证对同一材料，测量的HB相同，那么必须满足：此时，也就是两次测量在几何上是相似的，这就是布氏硬度测量的相似性原理。sin2dD2DP222211DPDP2112问题：选择多大的？要靠标准规定！•大，那么压痕深；否则，压痕浅。•对于布氏硬度测量，希望硬度不要太深，也不要太浅。因此对硬的材料，大一些，对软的材料，小一些。•试验表明，压痕太深、太浅测量结果稳定性都不好，大量试验表明，在下面的试验条件下，测量结果最为稳定：•当2DP2DP2DP2DPODdD6029,5.0sin25.0,5.025.0O即即时，测试效果最好。O5.4413布氏硬度试验规程•试样厚度:样品厚度一般要远大于压痕深度,载荷较大，样品要厚。•P/D2：样品硬度高，P/D2要大。查表。•载荷保持时间：压头压入材料后，材料的塑性变形需要时间，硬度越高，塑性往往越小，载荷保持时间可以越小14以钢（黑色金属）和铝合金（有色金属）为例，说明：1.为什么钢的P/D2取30，而铝的P/D2取10？2.为什么钢的载荷保持时间比铝的小？3.试样厚度与载荷大小的关系？为什么样品厚度压痕深度10倍？15布氏硬度数据表示方法•载荷、压头直径、保持时间是布氏硬度试验三要素。•150HBS10/1000/30表示：硬度150，S表示采用淬火钢球；10表示压头直径10mm，1000表示载荷为1000Kg，30表示载荷保持时间为30s•200HBW10/3000/10表示：硬度200，硬质合金钢球；压头直径10mm，载荷3000Kg，载荷保持时间10s。16布氏硬度试验•查待测材料可能的硬度•查手册选择试验标准，包括载荷、压头直径、保持时间等•进行试验测试。•尽可能选择较大载荷！！17布氏硬度特点优点：•压痕面积大，反映较大范围内材料的硬度性能•试验数据稳定，重复性好，应用广泛•适用于晶粒粗大、相组成复杂、相尺寸较大的材料缺点：•为保证数据可靠，需根据材料的种类和试样的厚薄更换压头。d=0.24~0.6D•属有损检测，压痕较大，不能在成品表面进行检测•试验操作和压痕测量费时，工作效率低，不能连续检测，在大批量生产检验时不宜使用183.维氏硬度（Vickershardness）TheVickershardnesstestwasdevelopedin1921byRobertL.SmithandGeorgeE.SandlandatVickersLtdasanalternativetotheBrinellmethodtomeasurethehardnessofmaterials.19α=136o的金刚石四棱锥体取α=136o与布氏硬度的计算方法相同。总满足几何相似性！维氏硬度可分为宏观和微观两种：宏观：F=49.03～980.7N六级大载荷F=1.961～49.03N七级小载荷显微：F=98.07×10-3～1.961N五级22854.1)2/136sin(P2dPdFPHVo压痕20•为什么选择136o？布氏硬度中，要求：当为44o时，其对角为136o。•为什么维氏硬度测试不同的材料不需要更换压头？维氏硬度测量时，压痕总接近于满足几何形状的相似性ODdD6029,5.0sin25.0,5.025.0O即即213.维氏硬度特点•只需要测试压痕对角线长度d，根据公式可以计算出硬度•可以用于测量从软到硬的材料•维氏硬度测试的数值可以直接比较•理论上可以选择任意载荷•但是具体测试时，希望压痕不要太浅，也不要太深，一般在5，10，20，30，50，100，120Kg选择合适的载荷，选择的依据是该材料的硬度。22显微硬度•载荷很小的维氏硬度，载荷大小从5g到200g•可以用于分析材料中某一个相的硬度，或者单个晶粒内的硬度•可以用于分析渗层中的硬度变化•可以用于鉴别不同的相，例如：23维氏硬度测试方法•根据材料种类、硬度选择合适的载荷、保压时间•测试压痕对角线直径•计算维氏硬度•注意压痕形状需要在下图a中为最佳24•计算题1：在294.3N（30kgf）载荷下测定某钢材的维氏硬度。测得压痕对角线长度为0.454mm，计算该钢材的维氏硬度值。25•计算题1：在294.3N（30kgf）载荷下测定某钢材的维氏硬度。测得压痕对角线长度为0.454mm，计算该钢材的维氏硬度值。26•计算题1：在294.3N（30kgf）载荷下测定某钢材的维氏硬度。测得压痕对角线长度为0.454mm，计算该钢材的维氏硬度值。•答案：把30kgf带入进行计算时：270把294.3N带入进行计算时：28544.1dPHV21891.0dPHV22854.1)2/136sin(P2dPdFPHVo压痕27压头：圆锥角等于120O的金刚石圆锥体，或直径D＝1.588mm的淬火钢球P0＝10Kgf＝98N————h0P0＋P1（140Kgf）———h1P0————e最终深度4.洛氏硬度（Rockwellhardness）改用压痕深度反映材料硬度28002.0eHR,002.0t,－＝因此＝取kmmtekHRteHR002.0e100HR＝•使用金刚石压头时，k＝0.2mm•使用淬火钢球时，k＝0.2mm，此时可能出现测试的结果为负值的情况，此时在上面公式中加30，得到：1300.002eHR-硬度小，压入深，数值大，与实际经验感受不符。29•上面的测量中，初始载荷10Kgf，主载荷140Kgf，得到的洛氏硬度称为HRC•其它载荷组合可以扩展硬度测量范围，从而得到HRA，HRB30表面洛氏硬度•洛氏硬度载荷较大，不能用来测量较薄渗层如渗碳层，或表面镀层的硬度，为此发展了表面洛氏硬度。•表面洛氏硬度初始载荷为3Kgf，主载荷有12，27，42Kgf等，31洛氏硬度特点优点：•操作简便迅速，硬度值可以在设备上直接读出；•压痕较小，可在工件表面测量；•可测量软硬不同的材料硬度缺点：•压痕较小，代表性差•材料中有偏析或组织不均匀时，数据重复性差，分散度大•不同等级的洛氏硬度数据不具有可比性。如HRA，HRB，HRC数据不具有可比性。32洛氏硬度的测量335.硬度测量操作要点•压头和试样支撑架应当清洁并安装牢固；•测量表面应当清洁、干燥、光滑，没有氧化物•表面应当平坦，并与压头垂直•试样必须足够厚，厚度应当至少是压痕深度的10倍•两个压痕之间的间距应当是压痕直径的3～5倍•全部测试中的加载速率应保持一致•需要用标准硬度试块进行标定。标准硬度试块是经过特殊制备的金属样品，它的粗糙度、硬度和硬度均匀性都经过标定。346.硬度与材料抗拉强度的关系•金属的压入硬度与抗拉强度成正比例关系：•其中k为比例系数，不同金属材料的k值不同，同一种类的金属经过热处理后，硬度和强度发生变化，但k值基本保持不变；•经过冷变形后，金属材料的k值不再是常数；•钢铁材料的k大约是3.3•精确的强度数据要靠直接测量得到。kHBb351.⑴过于接近试样的端面；⑵过于接近其他测量点；⑶试样太薄。1.1、在用压入法硬度计测量硬度时，试讨论如下情况的误差：⑴过于接近试样的端面；⑵过于接近其他测量点；⑶试样太薄。2、硬度和材料抗拉强度之间具有上述比例关系的原因？⑴过于接近试样的端面；⑵过于接近其他测量点；⑶试样太薄。思考题核心：都反映材料的大塑性变形抗力36作业1、列举拉伸力学性能主要性能指标及其意义。2、推导：形变强化指数等于最大均匀真应变3、推导极限延伸率计算公式。说明5倍拉伸试样和10倍拉伸试样测量得到的极限延伸率差别的原因？4、一个直径为2.5mm，长度200mm的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为2.2mm，计算：a）杆的最终长度（体积不变原理）；b）该载荷作用的真应力与真应变；c）该载荷作用下的条件应力与条件应变。5、何为应力状态软性系数？详细说明拉伸、压缩和扭转的应力状态及其应力状态软性系数。6、简述弯曲和扭转试验的特点。7、说明布氏硬度测量原理及相似性原理？8、解释下面布氏硬度表示方法的意义1）150HBS10/1000/30；2）200HBW10/3000/109、名词解释：布氏硬度、维氏硬度、显微硬度、洛氏硬度和表面洛氏硬度。并说明各种硬度的适用范围。10、今有下面工件需要测量硬度，说明采用那种方法较好？1）渗碳层的硬度分布；2）球墨铸铁；3）鉴别钢中的马氏体和残余奥氏体；4）淬火钢；5）双相钢中的铁素体和马氏体11、说明维氏硬度与布氏硬度和洛氏硬度相比的优点和缺点。