金属材料的硬度-材料力学性能-2

金属材料的硬度主要内容1.硬度试验的分类、物理意义和特点2.硬度试验1）布氏硬度2）洛氏硬度3）维氏硬度4）显微硬度显微维氏硬度、显微努氏硬度5）肖氏硬度一、硬度试验的分类、物理意义和特点1.硬度试验的分类硬度试验静载压入法刻划法压入法加载速度载荷、压头表示方法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度显微硬度肖氏硬度动载压入法刻划法只能对硬度作定性评估，工程中已经很少使用或者：压入法、回跳法、刻划法2.硬度试验的物理意义1）压入法：材料表面抵抗物体压入引起的塑性变形的抗力2）刻划法：材料抵抗表面局部断裂的能力3）回跳法：材料弹性变形功的大小硬度值：表征材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标3.硬度试验的特点1）应力状态软性系数最大（α2），塑性和脆性材料都可以测量，甚至像玻璃、陶瓷、金刚石等脆性材料，在硬度试验时，也表现为塑性状态2）实验方法简单，无须加工试样3）造成的表面损伤小，基本属于“无损”或微损检测范围4）与其他静载荷下的力学性能指标之间存在一定关系，如可以由硬度大致推测强度值5）测量范围大可至多个晶粒，小可测单个晶粒，甚至几个原子范围（纳米压痕仪(NanoIndenter)）二、硬度试验1.布氏硬度1）布氏硬度测试法1900年瑞典布利奈尔(Brinell)说明:a）布氏硬度值的大小是压痕单位面积上所承受的压力b）布氏硬度值一般不标出单位c）只要测量出压痕直径，就可以得出硬度值d）硬度值越高，表示材料越硬e）若测量数据能相互比较，必须载荷和钢球直径恒定压痕相似原理压痕相似原理得到相同的硬度值压痕几何形状相似压入角φ相等3）布氏硬度实验需要注意的问题a）GB231-84规定了7种P/D2的值，不同材料选择不同值b)先选择压头直径D，再根据材料性质选P/D2，最后计算出P根据试样厚度选择压头直径：试样厚度大于10倍的压痕深度；试样厚度足够时，选择D=10mmc）测试时保持所加压力与试样表面垂直，压力施加均匀平稳d）压力保持时间：钢铁材料10s，有色金属30s，软金属60se）使用的压头材质不同，布氏硬度的符号不同HBS－淬火钢球；HBW－硬质合金球f）硬度表示法：硬度符号前数字为硬度值，后面数字为实验条件，依次为压头直径(mm)、压力(kgf)和保持时间(s)200HBS10/3000/30500HBW5/750（保持时间10~15s不标注）如果只采用一种载荷和钢球直径，则a）对于硬材料合适时，对较软材料不合适（钢球全部陷入材料内部）b）对于厚材料合适时，对薄材料不合适（薄材料被压透）c）对于大尺寸材料合适时，对小尺寸材料不合适（试样不能有过大的压痕）最终结果：不同场合采用不同载荷和钢球直径问题：对同一材料，不同P和D必须得到相同的硬度值解决方法：建立P和D的匹配关系，使不同P和D形成的压痕在几何形状上相似（压痕相似原理）2）压痕相似原理4）布氏硬度实验的优缺点和适用范围优点：a）压头直径和压力大，因而压痕面积大，能反映较大范围内材料各组成相综合影响的平均性能；适用于灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大相的材料b）压痕面积大，测量不受个别组成相以及微小不均匀度的影响，实验数据稳定，重复性强c）布氏硬度值和抗拉强度存在一定换算关系，可制定换算表k为材料常数kHBb缺点：a）压痕面积大，对表面有要求的样品不利，需要在图纸上注明测量位置b）不能用于测定薄壁件或表面硬化层的硬度c）淬火钢球压头测定HB450的材料硬度；硬质合金球压头测量值可达到650HB；HB450时压力过大，损坏压头洛氏硬度2.洛氏硬度1919年洛克威尔(Rockwell)1)试验方法：硬质压头：顶角为1200的金刚石圆锥体制成软质压头：直径为1.588mm（1/16英寸）的钢球用压痕深度h的大小来衡量材料的硬度说明:a）材料越硬，h越小；材料越软，h越大人为规定：常数K减去压痕深度h的值为洛氏硬度单位；压痕深度每增加0.002mm，硬度降低1个单位金刚石压头：K=0.2mm；钢球压头：K=0.26mmb）采用不同的压头和不同的总载荷，可以组成不同的洛氏硬度标尺，测定不同硬度范围c）测定洛氏硬度，试样表面应为平面；在圆柱面或球面上测量时，硬度值比真实值低，需要修正圆柱面球面2)表面洛氏硬度洛氏硬度载荷较大，不宜用于测量极薄试样和表面硬化层表面洛氏硬度与普通洛氏硬度的不同：a）预载荷和总载荷比较小b）常数K=0.1mm（压痕残余深度为0.1mm时的洛氏硬度为零），深度每减小0.001mm，表面洛氏硬度升高一个单位3）洛氏硬度优缺点优点：a）硬度值可从表盘上直接读出，简便迅速，工效高b）表面损伤较小，可用于成品零件的质量检验c）有预加载荷，可消除表面轻微不平度对结果的影响缺点:a）洛氏硬度人为定义，不同标尺的洛氏硬度值无法比较b）压痕小，硬度值对组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差3.维氏硬度1925年史密斯(Smith)和桑兰德(Sandland)提出维克尔斯(Vickers)工厂最早使用1)试验方法：压头：面间夹角为1360的金刚石四方角锥体单位压痕表面积上承受的压力3）维氏硬度优点a）特别适用于表面硬化层和薄片材料的硬度测定载荷P的选择：使硬化层或试样厚度大于1.5d不知硬化层厚度：按从小到大的载荷顺序试验，直至两相邻载荷得出相同或相近结果试样较厚：尽可能选择较大载荷，减小对角线测量误差和试样表面层影响b）四方角锥体压头使各种载荷下的压痕几何相似，所得硬度值均相同，不受布氏硬度载荷P和压头D的条件约束c）测量范围较宽，软硬材料都可测，比洛氏硬度优越（不同标尺无法比较）d）压痕对角线长度易于精确测量，精度比布氏法高；硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。说明:a）维氏硬度与布氏硬度定义相同（单位压痕表面积上承受的压力）；压头形状不同，加载较小b）所加载荷有6种：5kgf、10kgf、20kgf、30kgf、50kgf、100kgfc）d为两对角线长度平均值d）维氏硬度值一般也不标出单位e）维氏硬度表示方法与布氏硬度相同：符号前为硬度值，符号后依次为载荷大小（kgf）和保持时间（s）640HV30/204.显微硬度定义：一般指加载小于0.2kgf的硬度试验分类：显微维氏硬度和显微努氏硬度显微硬度的特点：a）布、洛、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b）布、洛、维氏三种硬度试验不能测定陶瓷等脆性材料的硬度（在加载条件下易破裂），显微硬度可测1)显微维氏硬度与普通维氏硬度的相同点：a）测试方法与维氏硬度相同b）硬度计算公式相同c）表示符号仍然为HV与普通维氏硬度的不同点：加载较小，压痕不一定符合几何相似原理，测试结果需要注明载荷大小340HV0.1(载荷为0.1kgf)340HV0.05(载荷为0.05kgf)实质上是小载荷的维氏硬度2)显微努氏硬度测试方法：222.14LPHK定义：单位压痕投影面积上承受的力菱形压痕L是S的7.11倍说明:a）努氏硬度试验方法还没有国家标准，测试载荷通常为1~50Nb）试样按照金相试样要求制备c）压痕浅而细长，适于测定极薄层或极薄零件d）测量精度和对表面状况的敏感度更高3)显微硬度的特点a）测定极小范围内的硬度，几乎不损坏试样某个晶粒、组成相或夹杂物的硬度b）显微硬度可测陶瓷、玻璃、玛瑙等脆性材料的硬度c）灵敏度高特别适合评定细线材的加工硬化程度5.肖氏硬度（回跳硬度）肖氏硬度：动载试验法Shore提出测试原理：使一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤从高度h0落向试样表面，用回跳高度h与h0的比值计算硬度K为肖氏硬度系数h越高，HS越高；硬度值的大小取决于材料的弹性性质特点：a）操作简便，压痕小，可现场测试b）精度较低，重复性差c）不同弹性材料的测试结果不能比较，如钢和橡胶0hhKHS金属材料的硬度小结一、硬度试验的分类、物理意义和特点1.硬度试验的分类2.硬度的物理意义3.硬度试验特点（塑、脆都可测；无损检测）二、各种硬度试验1.布氏硬度测试方法、计算方法、压痕相似原理、优缺点2.洛氏硬度测试方法、计算方法、表面洛氏硬度、优缺点3.维氏硬度测试方法、计算方法、特点4.显微硬度显微维氏硬度、显微努氏硬度、测试和计算方法、特点5.肖氏硬度测试方法及特点本章完