Material Testing-硬度測試

1、1Design. Build. Ship. Service.Flextronics Mechanical Technology Center Doumen, ZhuhaiMay, 2009Alex Du Mechanical Property Test Method for Metal 2金屬材料特性基本試驗金屬材料特性基本試驗金屬材料特性之基本試驗方法主要采用下列幾種：金屬材料特性之基本試驗方法主要采用下列幾種： 拉伸試驗 彎曲試驗 Erichsen試驗 圓筒深引伸試驗 （LDR試驗） 硬度測試3拉伸試驗拉伸試驗拉伸試驗拉伸試驗屈服強度ss抗拉強度sb延伸率d楊氏模量E4拉伸試驗拉伸試驗根據(jù)

2、JIS的規(guī)定，板材的試驗樣片主要有5號和13號兩種。其規(guī)格如下：試驗樣片型號寬度 W標距長度 L平行部長度 P肩部半徑 R厚度 T13A2080約1202030試片厚度13B12.550約602030試片厚度52550約6015以上試片厚度5材料應(yīng)力應(yīng)變曲線材料應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼的拉伸曲線圖低碳鋼的拉伸曲線圖6材料應(yīng)力應(yīng)變曲線材料應(yīng)力應(yīng)變曲線從開始加載到斷裂過程中的力學(xué)特性從開始加載到斷裂過程中的力學(xué)特性 在作用于試件上的應(yīng)力小于屈服極限ss以前，材料只產(chǎn)生彈性變形。當此力去除后材料又回復(fù)至原來的狀態(tài)。此階段之伸延荷重關(guān)系是直線比例關(guān)系。 當施加的應(yīng)力大于屈服強度ss時，材料產(chǎn)生永久塑性變形。

3、此時試驗樣片除去荷重也不會回復(fù)至原來狀態(tài)。B點是材料從彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形的邊界點。 在曲線的B點處出現(xiàn)了一段所謂的屈服平臺。大多數(shù)工業(yè)用塑性金屬，如調(diào)質(zhì)處理的合金鋼，退火鋁合金，青銅，鎳等，則沒有明顯的屈服點。這時的屈服應(yīng)力規(guī)定用e0.2時的應(yīng)力表示。 試樣在屈服點以上繼續(xù)拉伸，應(yīng)力隨變形程度的增加而上升，直到最大拉力點P。這時的條件應(yīng)力即強度極限sb。 P點以后繼續(xù)拉伸，試樣斷面出現(xiàn)局部收縮，形成所謂的縮頸。此后應(yīng)力逐漸減小，曲線下降，直到Z 點發(fā)生斷裂。7工程應(yīng)力應(yīng)變工程應(yīng)力應(yīng)變 VS 真實應(yīng)力應(yīng)變真實應(yīng)力應(yīng)變0APS 0010llllld)1 ()1 (0ddsSAPAP工程應(yīng)力應(yīng)變工

4、程應(yīng)力應(yīng)變 工程應(yīng)力 P：載荷 A0：試樣原始斷面積工程應(yīng)變 l1：拉伸后標距的長度 l0：試樣原始標距長度真實應(yīng)力應(yīng)變真實應(yīng)力應(yīng)變 真實應(yīng)力 )1ln()ln(ln0001delllll P：即時載荷 A：即時試樣斷面積 S：工程應(yīng)力 d： 工程應(yīng)變真實應(yīng)變 l1：拉伸后標距的長度 l0：試樣原始標距長度 d: 工程應(yīng)變8工程應(yīng)力應(yīng)變工程應(yīng)力應(yīng)變 VS 真實應(yīng)力應(yīng)變真實應(yīng)力應(yīng)變工程應(yīng)力應(yīng)變曲線與真實應(yīng)力應(yīng)變曲線工程應(yīng)力應(yīng)變曲線與真實應(yīng)力應(yīng)變曲線9工程應(yīng)力應(yīng)變工程應(yīng)力應(yīng)變 VS 真實應(yīng)力應(yīng)變真實應(yīng)力應(yīng)變和條件應(yīng)力應(yīng)變曲線相比，真實應(yīng)力應(yīng)變曲線在塑性失穩(wěn)點b處沒有極大值，b以后的曲線仍是上升的。

5、這說明材料抵抗塑性變形的能力隨應(yīng)變的增加而增加，就是不斷地產(chǎn)生硬化。所以真實應(yīng)力應(yīng)變曲線也稱做硬化曲線。真實應(yīng)力應(yīng)變曲線的精確部分是出現(xiàn)縮頸以前的階段，即在e0.20.3的范圍內(nèi)。為了實際應(yīng)用，常將真實應(yīng)力應(yīng)變曲線表達為函數(shù)形式。NK)(*0eesN值1：每次材料受到變形后即產(chǎn)生硬化，變形難以達成。 N值0：變形增加也不使負荷力變化10變形溫度對真實應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響變形溫度對真實應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響金屬在加熱的條件下，原子激活能增加，會促使變形中的硬化效應(yīng)得到消除或部分消除。這些軟化現(xiàn)象的出現(xiàn)，就使流動應(yīng)力降低。但在某些溫度區(qū)域，由于金屬脆性，出現(xiàn)了一些例外的情況。如鋼在400左右的藍脆區(qū)和8

6、00左右的相變區(qū)，流動應(yīng)力反而有所升高。 但總的趨勢仍是流動應(yīng)力隨溫度升高而下降。從真實應(yīng)力應(yīng)變曲線來看，隨溫度升高，金屬的硬化強度減小，并從一定溫度開始，應(yīng)力應(yīng)變曲線成為水平線，這表明金屬變形中的硬化效應(yīng)完全被軟化所抵消。右圖所示為低碳鋼在不同溫度下的真應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。11變形速度對真實應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響變形速度對真實應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響變形速度的增加，意味著位錯運動速度的加快，因此必然需要作用更大的剪應(yīng)力。由于變形速度的增加，沒有足夠時間發(fā)展軟化過程，會導(dǎo)致流動應(yīng)力的提高。增加變形速度又導(dǎo)致了熱效應(yīng)的增加。 變形速度最終對流動應(yīng)力的影響，關(guān)系比較復(fù)雜，它主要根據(jù)金屬在具體條件下變形時硬化和

7、軟化的相對強度而定。12成形極限圖成形極限圖FLD13成形極限圖成形極限圖FLD成形極限曲線FLC（Forming Limit Curve），也稱成形極限圖（Forming Limit Diagram），是對板料成形性能的一種定量描述，同時也是對板料成形工藝成敗的一種判斷曲線。通過試驗，求得一種材料在各種應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下的局部表面極限應(yīng)變量（e1,e2)或（e1,e2)。以e2（或e2）為橫坐標，e1（或e1）為縱坐標，建立表面應(yīng)變坐標系。將測定的表面極限應(yīng)變量（e1,e2)或（e1,e2)標繪在表面應(yīng)變坐標系中。根據(jù)表面極限應(yīng)變量在坐標系中的分布特征，將他們連成適當?shù)那€或構(gòu)成條帶形區(qū)域。這就

8、是材料的成形極限曲線FLC或成形極限圖FLD。在FLD以上的區(qū)域為破壞區(qū)，F(xiàn)LD以下的區(qū)域為安全區(qū)。對于較厚的板材，F(xiàn)LD會移向更高，而對于塑性較低的材料，F(xiàn)LD會較低。FLD可以全面反映薄板在單向或雙向拉應(yīng)力作用下的局部成形極限。FLD為分析解決板料成形生產(chǎn)中的破裂問題提供了工具，例如： 分析解決模具缺陷以及模具設(shè)計問題。 分析制定板料成形工藝規(guī)程。 分析解決原材料問題。 用于計算機輔助板料成形極限分析。14成形極限圖成形極限圖FLD實驗方法實驗方法 利用照相制版，光刻技術(shù)，電化學(xué)腐蝕或其他方法在試樣的一面繪制一定數(shù)量和排列圖案的網(wǎng)格圓。 采用剛性凸模對試樣進行脹形并讓其表面的網(wǎng)格圓發(fā)生畸變

9、。當凸包上某個局部產(chǎn)生縮頸或破裂時。停止實驗。 測量縮頸區(qū)或破裂區(qū)附近的網(wǎng)格圓長軸和短軸尺寸，由此計算金屬薄板允許的局部表面極限主應(yīng)變（e1,e2)。 以表面應(yīng)變e2（或e2)為橫坐標，表面應(yīng)變e1（或e1)為縱坐標，建立表面應(yīng)變坐標系。將試驗測定的表面極限應(yīng)變量（e1,e2)或（e1,e2)標繪在此坐標系中。根據(jù)表面極限應(yīng)變量在坐標系中的分布特征，將其連成適當?shù)那€或構(gòu)成條帶形區(qū)域。即成形極限圖FLD。15材料硬度測試材料硬度測試硬度的定義硬度的定義硬度是評定金屬材料力學(xué)性能最常用的指標之一。硬度的實質(zhì)是材料抵抗另一較硬材料壓入的能力。硬度是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標。硬

10、度測試方法分類硬度測試方法分類金屬硬度檢測主要有兩類試驗方法。v一類是靜態(tài)試驗方法，這類方法試驗力的施加是緩慢而無沖擊的。硬度的測定主要決定于壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小。靜態(tài)試驗方法包括布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等。其中布氏、洛氏、維氏三種試驗方法是最常用的，它們是金屬硬度檢測的主要試驗方法。 v另一類試驗方法是動態(tài)試驗法，這類方法試驗力的施加是動態(tài)的和沖擊性的。這里包括肖氏和里氏硬度試驗法。動態(tài)試驗法主要用于大型的，不可移動工件的硬度檢測。 16HB布氏硬度布氏硬度17材料硬度測試之布氏硬度材料硬度測試之布氏硬度 原理原理對直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭施加規(guī)定的試驗力，使

11、壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時間后，除去試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度用試驗力除以壓痕表面積的商來計算。 布氏硬度試驗原理 )(/2102. 0/22dDDDFDhFSFHB式中：F 試驗力，N； S 壓痕表面積，mm； D 球壓頭直徑，mm； h 壓痕深度， mm； d 壓痕直徑，d=(d1+d2)/2, mm 18材料硬度測試之布氏硬度材料硬度測試之布氏硬度特點特點 布氏硬度試驗的優(yōu)點是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直徑球形壓頭，3000kg試驗力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相綜合影響的平均值，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響，因此特別適用于測

12、定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料。它的試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，精度高于洛氏，低于維氏。 布氏硬度試驗的缺點是壓痕較大，成品檢驗有困難，試驗過程比洛氏硬度試驗復(fù)雜，測量操作和壓痕測量都比較費時，并且由于壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓滑過渡都會使壓痕直徑的測量產(chǎn)生較大誤差，因此要求操作者具有熟練的試驗技術(shù)和豐富經(jīng)驗，一般要求由專門的實驗員操作。試驗條件試驗條件布氏硬度試驗最常用的試驗條件是采用10mm直徑的球壓頭，3000kg試驗力。這一條件最能體現(xiàn)布氏硬度的特點。但是由于試樣材質(zhì)不同，硬度不同，試樣大小，薄厚也不同，一種試驗力，一種壓頭自然不能滿足要求。在試驗力和壓頭球直徑的選擇方面需要遵循

13、的規(guī)則有2個。19材料硬度測試之布氏硬度材料硬度測試之布氏硬度 規(guī)則一，要使試驗力和球壓頭直徑的平方之比為一個常數(shù)。即F1/D12=F2/D22=K根據(jù)相似律，在左圖中不同直徑的球壓頭D1、D2在不同的試驗力F1、F2作用下壓入試樣表面，壓痕直徑d1、d2是不同的，但是只要壓入角1、2相同，壓痕就具有相似性。這時試驗力和壓頭球直徑的平方之比就是一個常數(shù)。在這種條件下，采用不同的試驗力和不同直徑的球壓頭，在同一試樣上測得的硬度值是相同的，在不同的試樣上測得的硬度值是可以相互比較的。試驗力與壓頭球直徑平方之比在采用公斤力的舊標準中表示為F/D2，在采用牛頓力的新標準中表示為0.102 F/D2。

14、布氏硬度壓痕相似原理 規(guī)則二，試驗后要使壓痕直徑處于以下范圍：0.24D d 0.6D 否則試驗結(jié)果是無效的,應(yīng)選擇合適的試驗力重新試驗。大量試驗結(jié)果表明，當壓頭直徑在0.24D0.6D之間時，測得的硬度值與試驗力大小無關(guān)。 20材料硬度測試之布氏硬度材料硬度測試之布氏硬度布氏硬度實驗規(guī)范布氏硬度實驗規(guī)范材料硬度范圍HB試件厚度(mm)載荷P (kgf)鋼球直徑D (mm)P/D2載荷保持時間 ( 秒 )黑色金屬140-4506-330001030104-275052187.52.5610001010106-32505610001010306-325056250102.5306-362.553

15、15.62.521HRx洛氏硬度洛氏硬度22材料硬度測試之洛氏硬度材料硬度測試之洛氏硬度原理原理在規(guī)定條件下，將壓頭（金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球）分2個步驟壓入試樣表面。卸除主試驗力后，在初試驗力下測量壓痕殘余深度h。以壓痕殘余深度h代表硬度的高低。 1在初始試驗力F0下的壓入深度；2在總試驗力F0+F1下的壓入深度；3去除主試驗力F1后的彈性回復(fù)深度；4殘余壓入深度h；5試樣表面；6測量基準面；7壓頭位置根據(jù)試驗材料硬度的不同，分三種不同的標度來表示： HRA：是采用60kg載荷和金剛石圓錐壓入求得的硬度，用于硬度極高的材料(如硬質(zhì)合金等)。HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬

16、硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。HRC：是采用150kg載荷和金剛石圓錐壓入求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。 23材料硬度測試之洛氏硬度材料硬度測試之洛氏硬度洛氏硬度值按下式計算：HR = N - h / s N常數(shù)，對于A、C、D、N、T標尺，N=100；其他標尺，N=130； h殘余壓痕深度，mm； S常數(shù)，對于洛氏硬度，S=0.002mm，對于表面洛氏硬度，S=0.001mm。特點特點HRC含意是洛式硬度C標尺 ，適用范圍HRC 2067，相當于HB225650。若硬度高于此范圍則用洛式硬度A標尺HRA。若硬度低于此范圍則用洛式硬度B標尺HRB

17、。 洛式硬度壓痕很小，測量值有局部性，須測數(shù)點求平均值，適用成品和薄片，歸于無損檢測一類。洛式硬度的硬度值是一無名數(shù)，沒有單位。（因此習慣稱洛式硬度為多少度是不正確的。）洛式硬度直接在表盤上顯示、也可以數(shù)字顯示，操作方便，快捷直觀，適用于大量生產(chǎn)中。 在一定條件下，HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為：1HRC1/10HB。 24材料硬度測試之洛氏硬度材料硬度測試之洛氏硬度洛氏硬度標尺技術(shù)條件洛氏硬度標尺技術(shù)條件 洛氏硬度標尺洛氏硬度標尺 硬度符號硬度符號 壓頭類型壓頭類型 初試驗力初試驗力F0（N）主試驗力主試驗力F1（N）總試驗力總試驗力F0+ F1（N）適用范圍適用范圍 AHR

18、A120金剛石圓錐 98.07490.3588.42088HRABHRB1.5875mm鋼球 98.07882.6980.720100HRBCHRC120金剛石圓錐 98.07137314712070HRCDHRD120金剛石圓錐 98.07882.6980.74077HRDEHRE3.175mm鋼球 98.07882.6980.770100HREFHRF1.5875mm鋼球 98.07490.3588.460100HRFGHRG1.5875mm鋼球 98.07137314713094HRGHHRH3.175mm鋼球 98.07490.3588.480100HRHKHRK3.175mm鋼球 9

19、8.071373147140100HRK25材料硬度測試之洛氏硬度材料硬度測試之洛氏硬度表面洛氏硬度標尺技術(shù)條件表面洛氏硬度標尺技術(shù)條件表面洛氏硬度標尺表面洛氏硬度標尺 硬度符號硬度符號 壓頭類型壓頭類型 初試驗力初試驗力F0（N）主試驗力主試驗力F1（N）總試驗力總試驗力F0+ F1（N）適用范圍適用范圍 15NHR15N120 金剛石圓錐 29.42117.7147.17094HR15N30NHR30N264.8294.24286HR30N45NHR45N411.9441.32077HR45N15THR15T1.5875mm鋼球 29.42117.7147.16793HR15T30THR3

20、0T264.8294.22982HR30T45THR45T411.9441.31072HR45T26材料硬度測試之洛氏硬度材料硬度測試之洛氏硬度洛氏硬度標尺的選擇洛氏硬度標尺的選擇試樣材料試樣材料 壓頭壓頭 標尺標尺 總試驗力（總試驗力（kg）高硬度或薄硬材料。如硬質(zhì)合金、硬化薄鋼帶、滲碳后的淬硬鋼。 金剛石壓頭 A60中低硬度材料。如退火后的中低碳鋼、不銹鋼、銅合金、超硬鋁合金、可鍛鑄鐵等。是應(yīng)用較廣的洛氏硬度標尺。 1/16鋼球 B100淬火及低溫回火的一般鋼材、冷硬鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵、鈦合金等，及硬度值超過HRB100的材料。是應(yīng)用最廣的洛氏硬度標尺。 金剛石壓頭 C150中等滲層表面

21、硬化鋼、薄硬鋼板、珠光體可鍛鑄鐵。 金剛石壓頭 D100鑄鐵、鋁合金、鎂合金、軸承合金。 1/8鋼球 E100退火黃銅、紫銅、鋁合金、軟鋼薄板。 1/16鋼球 F60鈹青銅、磷青銅、可鍛鑄鐵等（HRB值接近100的材料）。 1/16鋼球 G150鋁、鋅、鉛等軟金屬。 1/8鋼球 H60軟金屬薄材、軸承合金。 1/8鋼球 K15027HV維氏硬度維氏硬度28材料硬度測試之維氏硬度材料硬度測試之維氏硬度原理原理維氏硬度試驗使用正四棱錐形的金剛石壓頭，其相對面夾角為136。由于其硬度極高，金剛石壓頭可以用于壓入幾乎所有材料，而且棱錐的形狀使得壓痕和壓頭本身的大小無關(guān)。將壓頭用一定的負荷（試驗力）壓入

22、被測材料表面。保持負荷一定時間后，卸除負荷，測量材料表面的方形壓痕之對角線長度。對相互垂直的二對角線長度（l1和l2）取其算術(shù)平均值。 維氏硬度值的計算公式為： F = 負荷 (牛頓力) S = 壓痕表面積 (平方毫米) = 壓頭相對面夾角=136 d = 平均壓痕對角線長度 (毫米) 29材料硬度測試之維氏硬度材料硬度測試之維氏硬度表示方法表示方法維氏硬度表示為HV，維氏硬度符號HV前面的數(shù)值為硬度值，后面為試驗力值。標準的試驗保持時間為1015S。如果選用的時間超出這一范圍，在力值后面還要注上保持時間。例如：600HV30表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間1015S時得到的硬度值為600。600HV30/20表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間20S時得到的硬度值為600。試驗分類試驗分類試驗力范圍/N 硬度符號 試驗名稱 F49.03HV5維氏硬度試驗 1.961F49.03HV0.2HV5小負荷維氏硬度試驗 0.09807F1.961HV0.01HV0.2顯微維氏硬度試驗 30材料硬度測試之維氏硬度材料硬度測試之維氏硬度維氏硬度試驗力維氏硬