金屬材料的硬度 材料力學(xué)性能

1、第四章第四章金屬材料的硬度金屬材料的硬度主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 硬度試驗(yàn)的分類(lèi)、物理意義和特點(diǎn)硬度試驗(yàn)的分類(lèi)、物理意義和特點(diǎn)2. 硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn) 1）布氏硬度）布氏硬度 2）洛氏硬度）洛氏硬度 3）維氏硬度）維氏硬度 4）顯微硬度）顯微硬度 顯微維氏硬度、顯微努氏硬度顯微維氏硬度、顯微努氏硬度 5）肖氏硬度）肖氏硬度一、硬度試驗(yàn)的分類(lèi)、物理意義和特點(diǎn)一、硬度試驗(yàn)的分類(lèi)、物理意義和特點(diǎn) 1. 硬度試驗(yàn)的分類(lèi)硬度試驗(yàn)的分類(lèi)硬硬度度試試驗(yàn)驗(yàn)靜載靜載壓入法壓入法刻劃法刻劃法壓入法壓入法加載速度加載速度載荷、壓頭載荷、壓頭表示方法表示方法布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度維氏硬度維氏硬度顯微硬度顯微硬度肖

2、氏硬度肖氏硬度動(dòng)載動(dòng)載壓入法壓入法刻劃法只能對(duì)硬度作定性評(píng)估，工程中已經(jīng)很少使用刻劃法只能對(duì)硬度作定性評(píng)估，工程中已經(jīng)很少使用或者：壓入法、回跳法、刻劃法或者：壓入法、回跳法、刻劃法2. 硬度試驗(yàn)的物理意義硬度試驗(yàn)的物理意義 1）壓入法：）壓入法：材料表面抵抗物體壓入引起的塑性變形的抗力材料表面抵抗物體壓入引起的塑性變形的抗力 2）刻劃法：）刻劃法：材料抵抗表面局部斷裂的能力材料抵抗表面局部斷裂的能力 3）回跳法：）回跳法：材料彈性變形功的大小材料彈性變形功的大小 硬度值：硬度值：表征材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性表征材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜

3、合性能指標(biāo)等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標(biāo)3. 硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)硬度試驗(yàn)的特點(diǎn) 1）應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大（）應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大（2），塑性和脆性材料都可以），塑性和脆性材料都可以測(cè)量，甚至像玻璃、陶瓷、金剛石等脆性材料，在硬度試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量，甚至像玻璃、陶瓷、金剛石等脆性材料，在硬度試驗(yàn)時(shí)，也表現(xiàn)為塑性狀態(tài)也表現(xiàn)為塑性狀態(tài) 2）實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，無(wú)須加工試樣）實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，無(wú)須加工試樣 3）造成的表面損傷小，基本屬于）造成的表面損傷小，基本屬于“無(wú)損無(wú)損”或微損檢測(cè)范圍或微損檢測(cè)范圍 4）與其他靜載荷下的力學(xué)性能指標(biāo)之間存在一定關(guān)系，如）與其他靜載荷下的力學(xué)性能指標(biāo)之間存在一定關(guān)系，如可以由

4、硬度大致推測(cè)強(qiáng)度值可以由硬度大致推測(cè)強(qiáng)度值 5）測(cè)量范圍大可至多個(gè)晶粒，小可測(cè)單個(gè)晶粒，甚至幾個(gè)）測(cè)量范圍大可至多個(gè)晶粒，小可測(cè)單個(gè)晶粒，甚至幾個(gè)原子范圍（納米壓痕儀原子范圍（納米壓痕儀(NanoIndenter)）二、硬度試驗(yàn)二、硬度試驗(yàn) 1. 布氏硬度布氏硬度 1）布氏硬度測(cè)試法布氏硬度測(cè)試法 1900年年 瑞典瑞典 布利奈爾布利奈爾(Brinell)說(shuō)明說(shuō)明: a）布氏硬度值的大小是壓痕單位面積上所承受的壓力）布氏硬度值的大小是壓痕單位面積上所承受的壓力 b）布氏硬度值一般不標(biāo)出單位）布氏硬度值一般不標(biāo)出單位 c）只要測(cè)量出壓痕直徑，就可以得出硬度值）只要測(cè)量出壓痕直徑，就可以得出硬度值

5、 d）硬度值越高，表示材料越硬）硬度值越高，表示材料越硬 e）若測(cè)量數(shù)據(jù)能相互比較，必須載荷和鋼球直徑恒定）若測(cè)量數(shù)據(jù)能相互比較，必須載荷和鋼球直徑恒定 壓痕相似原理壓痕相似原理 如果只采用一種載荷和鋼球直徑，則如果只采用一種載荷和鋼球直徑，則 a）對(duì)于硬材料合適時(shí)，對(duì)較軟材料不合適（鋼球全部陷入）對(duì)于硬材料合適時(shí)，對(duì)較軟材料不合適（鋼球全部陷入材料內(nèi)部）材料內(nèi)部） b）對(duì)于厚材料合適時(shí)，對(duì)薄材料不合適（薄材料被壓透）對(duì)于厚材料合適時(shí)，對(duì)薄材料不合適（薄材料被壓透） c）對(duì)于大尺寸材料合適時(shí)，對(duì)小尺寸材料不合適（試樣不）對(duì)于大尺寸材料合適時(shí)，對(duì)小尺寸材料不合適（試樣不能有過(guò)大的壓痕）能有過(guò)大的

6、壓痕） 最終結(jié)果：不同場(chǎng)合采用不同載荷和鋼球直徑最終結(jié)果：不同場(chǎng)合采用不同載荷和鋼球直徑 問(wèn)題：對(duì)同一材料，不同問(wèn)題：對(duì)同一材料，不同P和和D必須得到相同的硬度值必須得到相同的硬度值 解決方法：建立解決方法：建立P和和D的匹配關(guān)系，使不同的匹配關(guān)系，使不同P和和D形成的壓形成的壓痕在幾何形狀上相似（壓痕相似原理）痕在幾何形狀上相似（壓痕相似原理）2）壓痕相似原理壓痕相似原理壓痕相似原理壓痕相似原理得到相同的硬度值得到相同的硬度值壓痕幾何形狀相似壓痕幾何形狀相似壓入角壓入角相等相等3）布氏硬度實(shí)驗(yàn)需要注意的問(wèn)題布氏硬度實(shí)驗(yàn)需要注意的問(wèn)題 a）GB231-84規(guī)定了規(guī)定了7種種P/D2的值，不同材

7、料選擇不同值的值，不同材料選擇不同值b) 先選擇壓頭直徑先選擇壓頭直徑D，再根據(jù)材料性質(zhì)選，再根據(jù)材料性質(zhì)選P/D2，最后計(jì)算出，最后計(jì)算出P 根據(jù)試樣厚度選擇壓頭直徑：試樣厚度大于根據(jù)試樣厚度選擇壓頭直徑：試樣厚度大于10倍的壓痕倍的壓痕深度；試樣厚度足夠時(shí)，選擇深度；試樣厚度足夠時(shí)，選擇D = 10 mmc）測(cè)試時(shí)保持所加壓力與試樣表面垂直，壓力施加均勻平穩(wěn)）測(cè)試時(shí)保持所加壓力與試樣表面垂直，壓力施加均勻平穩(wěn)d）壓力保持時(shí)間：鋼鐵材料）壓力保持時(shí)間：鋼鐵材料10s，有色金屬，有色金屬30s，軟金屬，軟金屬60se）使用的壓頭材質(zhì)不同，布氏硬度的符號(hào)不同）使用的壓頭材質(zhì)不同，布氏硬度的符號(hào)不

8、同 HBS淬火鋼球；淬火鋼球；HBW硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球f）硬度表示法：硬度符號(hào)前數(shù)字為硬度值，后面數(shù)字為實(shí)驗(yàn)條）硬度表示法：硬度符號(hào)前數(shù)字為硬度值，后面數(shù)字為實(shí)驗(yàn)條件，依次為壓頭直徑件，依次為壓頭直徑(mm)、壓力、壓力(kgf)和保持時(shí)間和保持時(shí)間(s) 200HBS10/3000/30 500HBW5/750（保持時(shí)間（保持時(shí)間1015s不標(biāo)注）不標(biāo)注）4）布氏硬度實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍布氏硬度實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： a）壓頭直徑和壓力大，因而壓痕面積大，能反映較大范圍）壓頭直徑和壓力大，因而壓痕面積大，能反映較大范圍內(nèi)材料各組成相綜合影響的平均性能；適用于灰鑄鐵、軸承合內(nèi)

9、材料各組成相綜合影響的平均性能；適用于灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶?；虼执笙嗟牟牧辖鸬染哂写执缶Я；虼执笙嗟牟牧?b）壓痕面積大，測(cè)量不受個(gè)別組成相以及微小不均勻度的）壓痕面積大，測(cè)量不受個(gè)別組成相以及微小不均勻度的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng) c）布氏硬度值和抗拉強(qiáng)度存在一定換算關(guān)系，可制定換算表）布氏硬度值和抗拉強(qiáng)度存在一定換算關(guān)系，可制定換算表 k為材料常數(shù)為材料常數(shù)kHBb缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： a）壓痕面積大，對(duì)表面有要求的樣品不利，需要在圖紙上）壓痕面積大，對(duì)表面有要求的樣品不利，需要在圖紙上注明測(cè)量位置注明測(cè)量位置 b）不能用于測(cè)定薄壁件或表面硬化層的硬度）不能

10、用于測(cè)定薄壁件或表面硬化層的硬度 c）淬火鋼球壓頭測(cè)定）淬火鋼球壓頭測(cè)定HB450時(shí)壓力過(guò)大，損壞壓頭時(shí)壓力過(guò)大，損壞壓頭 洛氏硬度洛氏硬度2. 洛氏硬度洛氏硬度 1919年年 洛克威爾洛克威爾(Rockwell) 1) 試驗(yàn)方法：試驗(yàn)方法：硬質(zhì)壓頭：頂角硬質(zhì)壓頭：頂角為為1200的金剛石的金剛石圓錐體制成圓錐體制成軟質(zhì)壓頭：直徑軟質(zhì)壓頭：直徑為為1.588mm（1/16英寸）的英寸）的鋼球鋼球用壓痕深度用壓痕深度h的大小來(lái)衡量材料的硬度的大小來(lái)衡量材料的硬度說(shuō)明說(shuō)明: a）材料越硬，）材料越硬，h越??；材料越軟，越小；材料越軟，h越大越大 人為規(guī)定：常數(shù)人為規(guī)定：常數(shù)K減去壓痕深度減去壓痕深

11、度h的值為洛氏硬度單位；壓的值為洛氏硬度單位；壓痕深度每增加痕深度每增加0.002mm，硬度降低，硬度降低1個(gè)單位個(gè)單位 金剛石壓頭：金剛石壓頭：K = 0.2 mm；鋼球壓頭：；鋼球壓頭：K = 0.26 mm b）采用不同的壓頭和不同的總載荷，可以組成不同的洛氏硬）采用不同的壓頭和不同的總載荷，可以組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺，測(cè)定不同硬度范圍度標(biāo)尺，測(cè)定不同硬度范圍c）測(cè)定洛氏硬度，試樣表面應(yīng)為平面；在圓柱面或球面上測(cè)量）測(cè)定洛氏硬度，試樣表面應(yīng)為平面；在圓柱面或球面上測(cè)量時(shí)，硬度值比真實(shí)值低，需要修正時(shí)，硬度值比真實(shí)值低，需要修正 圓柱面圓柱面 球面球面2) 表面洛氏硬度表面洛氏硬度 洛氏硬

12、度載荷較大，不洛氏硬度載荷較大，不宜宜用于測(cè)量極薄試樣和表面硬化層用于測(cè)量極薄試樣和表面硬化層 表面洛氏硬度與普通洛氏硬度的不同：表面洛氏硬度與普通洛氏硬度的不同： a）預(yù)載荷和總載荷比較小預(yù)載荷和總載荷比較小 b）常數(shù)）常數(shù)K = 0.1 mm（壓痕殘余深度為（壓痕殘余深度為0.1mm時(shí)的洛氏硬度時(shí)的洛氏硬度為零），深度每減小為零），深度每減小0.001mm，表面洛氏硬度升高一個(gè)單位，表面洛氏硬度升高一個(gè)單位3）洛氏硬度優(yōu)缺點(diǎn)）洛氏硬度優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：a）硬度值可從表盤(pán)上直接讀出，簡(jiǎn)便迅速，工效高硬度值可從表盤(pán)上直接讀出，簡(jiǎn)便迅速，工效高b）表面損傷較小，可用于成品零件的質(zhì)量檢驗(yàn)表面損傷

13、較小，可用于成品零件的質(zhì)量檢驗(yàn)c）有預(yù)加載荷，可消除表面輕微不平度對(duì)結(jié)果的影響）有預(yù)加載荷，可消除表面輕微不平度對(duì)結(jié)果的影響 缺點(diǎn)缺點(diǎn): :a）洛氏硬度人為定義，不同標(biāo)尺的洛氏硬度值無(wú)法比較）洛氏硬度人為定義，不同標(biāo)尺的洛氏硬度值無(wú)法比較b）壓痕小，硬度值對(duì)組織不均勻性很敏感，測(cè)試結(jié)果比較）壓痕小，硬度值對(duì)組織不均勻性很敏感，測(cè)試結(jié)果比較分散，重復(fù)性差分散，重復(fù)性差3. 維氏硬度維氏硬度 1925年年 史密斯史密斯(Smith)和桑蘭德和桑蘭德(Sandland)提出提出 維克爾斯維克爾斯(Vickers)工廠最早使用工廠最早使用 1) 試驗(yàn)方法：試驗(yàn)方法： 壓頭：面間夾角為壓頭：面間夾角為1

14、360的金剛石四方角錐體的金剛石四方角錐體 單位壓痕表面積上承受單位壓痕表面積上承受的壓力的壓力說(shuō)明說(shuō)明: a）維氏硬度與布氏硬度定義相同（單位壓痕表面積上承受）維氏硬度與布氏硬度定義相同（單位壓痕表面積上承受的壓力）；壓頭形狀不同，加載較小的壓力）；壓頭形狀不同，加載較小 b）所加載荷有）所加載荷有6種：種：5kgf、10kgf、20kgf、30kgf、50kgf、100kgf c） d為兩對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度平均值為兩對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度平均值 d）維氏硬度值一般也不標(biāo)出單位）維氏硬度值一般也不標(biāo)出單位 e）維氏硬度表示方法與布氏硬度相同：符號(hào)前為硬度值，）維氏硬度表示方法與布氏硬度相同：符號(hào)前為硬度值，符號(hào)

15、后依次為載荷大小（符號(hào)后依次為載荷大?。╧gf）和保持時(shí)間（）和保持時(shí)間（s） 640HV30/203）維氏硬度優(yōu)點(diǎn)維氏硬度優(yōu)點(diǎn) a）特別適用于表面硬化層和薄片材料的硬度測(cè)定）特別適用于表面硬化層和薄片材料的硬度測(cè)定 載荷載荷P的選擇：使硬化層或試樣厚度大于的選擇：使硬化層或試樣厚度大于1.5d 不知硬化層厚度：按從小到大的載荷順序試驗(yàn)，直至兩相鄰不知硬化層厚度：按從小到大的載荷順序試驗(yàn)，直至兩相鄰載荷得出相同或相近結(jié)果載荷得出相同或相近結(jié)果 試樣較厚：盡可能選擇較大載荷，減小對(duì)角線(xiàn)測(cè)量誤差和試試樣較厚：盡可能選擇較大載荷，減小對(duì)角線(xiàn)測(cè)量誤差和試樣表面層影響樣表面層影響 b）四方角錐體壓頭使各

16、種載荷下的壓痕幾何相似，所得硬度四方角錐體壓頭使各種載荷下的壓痕幾何相似，所得硬度值均相同，不受布氏硬度載荷值均相同，不受布氏硬度載荷P和壓頭和壓頭D的條件約束的條件約束 c）測(cè)量范圍較寬，軟硬材料都可測(cè)，比洛氏硬度優(yōu)越（不同測(cè)量范圍較寬，軟硬材料都可測(cè)，比洛氏硬度優(yōu)越（不同標(biāo)尺無(wú)法比較）標(biāo)尺無(wú)法比較） d）壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度易于精確測(cè)量，精度比布氏法高；）壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度易于精確測(cè)量，精度比布氏法高；硬度小硬度小于于450HV時(shí)，維氏硬度值與布氏硬度值大致相同。時(shí)，維氏硬度值與布氏硬度值大致相同。4. 顯微硬度顯微硬度 定義：一般指加載小于定義：一般指加載小于0.2kgf的硬度試驗(yàn)的硬度試驗(yàn) 分類(lèi)

17、：顯微維氏硬度和顯微努氏硬度分類(lèi)：顯微維氏硬度和顯微努氏硬度 顯微硬度的特點(diǎn)：顯微硬度的特點(diǎn)： a）布、洛、維氏三種硬度試驗(yàn)只能測(cè)得組織的平均硬度值，布、洛、維氏三種硬度試驗(yàn)只能測(cè)得組織的平均硬度值，測(cè)定極小范圍內(nèi)的硬度需用顯微硬度試驗(yàn)測(cè)定極小范圍內(nèi)的硬度需用顯微硬度試驗(yàn) b）布、洛、維氏三種硬度試驗(yàn)不能測(cè)定陶瓷等脆性材料的布、洛、維氏三種硬度試驗(yàn)不能測(cè)定陶瓷等脆性材料的硬度（在加載條件下易破裂），顯微硬度可測(cè)硬度（在加載條件下易破裂），顯微硬度可測(cè)1) 顯微維氏硬度顯微維氏硬度 與普通維氏硬度的相同點(diǎn)：與普通維氏硬度的相同點(diǎn)： a）測(cè)試方法與維氏硬度相同）測(cè)試方法與維氏硬度相同 b）硬度計(jì)算

18、公式相同）硬度計(jì)算公式相同 c）表示符號(hào)仍然為）表示符號(hào)仍然為HV 與普通維氏硬度的不同點(diǎn)：與普通維氏硬度的不同點(diǎn)： 加載較小，壓痕不一定符合幾何相似原理，測(cè)試結(jié)果需加載較小，壓痕不一定符合幾何相似原理，測(cè)試結(jié)果需要注明載荷大小要注明載荷大小 340HV0.1(載荷為載荷為0.1kgf) 340HV0.05 (載荷為載荷為0.05kgf)實(shí)質(zhì)上是小載荷的維氏硬度實(shí)質(zhì)上是小載荷的維氏硬度2) 顯微努氏硬度顯微努氏硬度 測(cè)試方法：測(cè)試方法：222.14LPHK 定義：定義：?jiǎn)挝粔汉蹎挝粔汉弁队懊娣e投影面積上承受的力上承受的力菱形壓痕菱形壓痕L是是S的的7.11倍倍說(shuō)明說(shuō)明: a）努氏硬度試驗(yàn)方法還

19、沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試載荷通常為）努氏硬度試驗(yàn)方法還沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試載荷通常為150N b）試樣按照金相試樣要求制備）試樣按照金相試樣要求制備 c）壓痕淺而細(xì)長(zhǎng)，適于測(cè)定極薄層或極薄零件）壓痕淺而細(xì)長(zhǎng)，適于測(cè)定極薄層或極薄零件 d）測(cè)量精度和對(duì)表面狀況的敏感度更高）測(cè)量精度和對(duì)表面狀況的敏感度更高 3) 顯微硬度的特點(diǎn)顯微硬度的特點(diǎn) a）測(cè)定極小范圍內(nèi)的硬度，幾乎不損壞試樣）測(cè)定極小范圍內(nèi)的硬度，幾乎不損壞試樣 某個(gè)晶粒、組成相或夾雜物的硬度某個(gè)晶粒、組成相或夾雜物的硬度 b）顯微硬度可測(cè)陶瓷、玻璃、瑪瑙等脆性材料的硬度顯微硬度可測(cè)陶瓷、玻璃、瑪瑙等脆性材料的硬度 c）靈敏度高）靈敏度高 特別適合評(píng)定細(xì)線(xiàn)材的加工硬化程度特別適合評(píng)定細(xì)線(xiàn)材的加工硬化程度5. 肖氏硬度（回跳硬度）肖氏硬度（回跳硬度） 肖氏硬度：動(dòng)載試驗(yàn)法肖氏硬度：動(dòng)載試驗(yàn)法 Shore提出提出 測(cè)試原理：測(cè)試原理：