硬度

1.硬度实验的意义1.1硬度的定义硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。1.2硬度的实验方法分类按照加载方式分压入法刻划法莫氏硬度顺序法、锉刀法等动载压入法：超声波硬度、肖氏硬度、捶击式布氏硬度静载压入法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度材料物理性能---硬度1.3硬度值的物理意义压入法：表征材料表面抵抗外物压入时引起塑性变形的能力。划刻法：表征材料表面对局部切断破坏的抗力。硬度是指材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力。材料物理性能---硬度2.硬度实验方法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度与显微硬度其他硬度：奴氏硬度、肖氏硬度、莫氏硬度等材料物理性能---硬度2.1布氏硬度原理：用一定的压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值，符号用HB表示。材料物理性能---硬度2.1.1布氏硬度实验原理图和计算方法222()FdShFFFHBSDhDDDdHB：载荷的大小：卸载后残留圆形压痕的直径：卸载后残留圆形压痕的表面积：卸载后残留圆形压痕的深度量纲一般定义不标，越大，公式：材料越硬材料物理性能---硬度压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBW•HBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。•例：150HBSl0／3000／30表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值为150；•500HBW5／750，表示用硬质合金球，压头直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒(保持时间为10-15时，可不加标注)，测得布氏硬度值为500。符号表示材料物理性能---硬度由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须相似，压入角应相等。大量实验表明，F/D2为常数时，压入角相等，此即压痕几何相似原理。国标GB6270－86根据材料的种类及布氏硬度范围，见表2-2（教材）。3.1.3压痕几何相似原理材料物理性能---硬度22sin22(11sin)2dDFHBD：压入角计算方法：计算方法材料物理性能---硬度试件的厚度应大于压痕深度的10倍。尽可能选用大直径的压头。根据材料及其硬度范围，参照表2-2选择F/D2，保证压入角在28-74o，压痕直径d在（0.25–0.6）D范围。测试加载压力与试件表面垂直，均匀平稳，无冲击。压力作用下的保持时间有规定，对黑色金属应为10秒，有色金属为30秒，对HB＜35的材料为60秒。3.1.4加载参数的选定材料物理性能---硬度优点：压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。布氏硬度分散性小，重复性好。3.1.6布氏硬度的特点和适用范围缺点：由于压痕面积大，不适于成品件；测硬度不同的材料需要更换压头直径和载荷；压痕直径测量麻烦。适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，灰铸铁和轴承合金等。材料物理性能---硬度原理：洛氏硬度是直接测量压痕深度，压痕愈浅表示材料愈硬。如右图所示由于深度可直接用百分表测出，洛氏硬度无需计算公式。2.2洛氏硬度材料物理性能---硬度洛氏硬度试验机2.2.1实验设备材料物理性能---硬度先加10kgf预载，压入材料表面的深度为t0，此时将表盘上指针调零(上图a)。然后再加上F2主载荷，压头压入表面的深度为h2，表盘上的指针逆时针方向转到相应的刻度(上图b)卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复，压头将回升一段距离h3，则实际压入深度为h=h2－h3。(上图c)为符合普通思维，即数值越大越硬，规定：h＝kmm时,HR＝0；h＝0,HR＝100，压痕深度每增0.002mm,HR降低1个单位。于是有HR=(k-h)/0.002。2.2.2洛氏硬度的试验方法材料物理性能---硬度常用压头：顶角为1200的金刚石圆锥体；直径为Φ1.588mm、3.175mm的淬火钢球压头。•实验程序：先加10kg预压力，再加主压力。预压力+主压力=总压力，总压力视材料的软硬而定；“不同压头,不同的总压力”组成不同的洛氏硬度标尺。•常用标尺：常用A、B和C三种标尺，C标尺最普遍。用这三种标尺的硬度记为HRA、HRB和HRC。材料物理性能---硬度2.2.3洛氏硬度的特点优点：①硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，简便迅速,工效高；②对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验；③加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。缺点:①不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。②由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差.材料物理性能---硬度2.2.4表面洛氏硬度洛氏硬度施加的压力大，不宜用于测定极薄的工件和表面硬化层,因此发展了表面洛氏硬度试验。与普通洛氏硬度主要不同点：（1）预载荷为3kgf，总载荷比较小,分别为15kgf,30kgf和45kgf。（2）k值不同；此外规定表面洛氏硬度每降低一个单位所增加的深度为0.001mm。。材料物理性能---硬度原理与方法基本上与布氏硬度的相同，根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。但测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为1360，所加的载荷较小。2.3维氏硬度2.3.1原理材料物理性能---硬度2.3.2方法压头压入试件表面，保持一定的时间后卸除压力，试件表面上留下压痕。已知载荷F，测得压痕两对角线长度后取平均值d，计算维氏硬度值，HV=1.8544F/d2，单位一般不标注。材料物理性能---硬度载荷为5kgf,10kgf，20kgf，30kgf，50kgf和100kgf等6种。与布氏硬度相同，例：640HV30／20，最前面数字为硬度值，后面数字依次为载荷/保持时间。2.3.2.1表示方法材料物理性能---硬度维氏硬度测试采用了四方角锥体压头，各种载荷作用下所得的压痕几何相似，载荷大小任意选择，所得硬度值均相同，不受布氏法那种载荷F和压头D的规定条件的约束。测量范围较宽，软硬材料都可测。压痕为一轮廓清晰的正方形，对角线长度易于精确测量，故精度较布氏法的高。材料的硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。2.3.3特点和应用材料物理性能---硬度2.4显微硬度布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均硬度值．测定极小范围内的硬度，需用显微硬度试验，例如某个晶粒，某个组成相或夹杂物的硬度显微硬度试验一般是指测试载荷小于200g力的硬度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度。材料物理性能---硬度显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，仍用HV表示。如340HV0.1表示用0.1kgf的载荷测得的维氏显微硬度为340，340HV0.05则是表示用0.05kgf的载荷测得的硬度为340.2.4.1显微维氏硬度表示方法测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理，必须注明载荷大小，以便比较。材料物理性能---硬度努氏硬度是维氏硬度的发展。长棱形金刚石压头，两长棱夹角为172.50，两短棱夹角为1300。压痕是长短对角线比值为7.11的菱形压痕。2.5努氏硬度材料物理性能---硬度努氏硬度值与维氏硬度的不同，定义单位压痕投影面积上所承受的力。已知载荷F、压痕长对角线长度L，计算努氏硬度值(HK)努氏硬度试验法无国家标准，测试载荷通常为1-50N。压痕浅而细长，较维氏法优越。适于测定极薄层或极薄零件，丝、带等细长件以及硬而脆的材料(如玻璃、玛瑙、陶瓷等)的硬度。测量精度和对表面状况的敏感度也更高。2.5.1努氏硬度的表示方法材料物理性能---硬度特点：（1）载荷小，压痕极小，几乎不损坏试件，便于测定微小区域内的硬度值。（2）灵敏度高。2.5.2显微硬度试验特点及应用材料物理性能---硬度包括：肖氏硬度、超声波硬度……2.6动载试验法2.6.1肖氏硬度原理：金刚石圆头或钢锭球的标准冲头从一定高度h0自由下落到试件表面，因试件的弹性变形使其回跳到某高度h，用两个高度的比值计算肖氏硬度值:HS=Kh/h0材料物理性能---硬度•优点：操作简便，测量迅速，压痕小，携带方便，可到现场进行测试等；硬度机一般为手提式，主要用于检验大型工件：轧辊、机床床面、导轨，曲轴、大齿轮等的硬度。•缺点：测定精度较低，重复性差；弹性模数不同的材料，其结果不能相互比较。2.6.2肖氏硬度的特点材料物理性能---硬度2.7莫氏硬度陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度，它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度，后面的材料可以划破前面材料的表面。起初为10级，后来因为出现了人工合成的高硬度材料，分为15级。材料物理性能---硬度材料物理性能---硬度莫氏硬度顺序顺序材料顺序材料1滑石1滑石2石膏2石膏3方解石3方解石4萤石4萤石5磷灰石5磷灰石6正长石6正长石7石英7SiO2玻璃8黄玉8石英9刚玉9黄玉10金刚石10石榴石11熔融氧化锆12刚玉13碳化硅14碳化硼15金刚石2.8硬度与其他力学性能的联系至今没有从理论上确定材料的硬度与其他力学性能指标的内在联系。根据大量实验确定了硬度与某些力学性能指标（抗拉强度等）之间的对应关系。但硬度的测量对实际材料的应用具有很好的实用意义。材料物理性能---硬度