金屬材料力學(xué)性能最常用的幾項(xiàng)指標(biāo)

1、金屬材料力學(xué)性能最常用的幾項(xiàng)指標(biāo)     硬度是評定金屬材料力學(xué)性能最常用的指標(biāo)之一。        對于金屬材料的硬度，至今在國內(nèi)外還沒有一個包括所有試驗(yàn)方法的統(tǒng)一而明確的定義。就已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的、被國內(nèi)外普通采用的金屬硬度試驗(yàn)方法而言，金屬材料硬度的定義是:材料抵抗另一較硬材料壓入的能力。硬度檢測是評價金屬力學(xué)性能最迅速、最經(jīng)濟(jì)、最簡單的一種試驗(yàn)方法。硬度檢測的主要目的就是測定材料的適用性，或材料為使用目的所進(jìn)行的特殊硬化或軟化處理的效果。對于被檢測材料而言，硬度是代表著在一定壓頭和試

2、驗(yàn)力作用下所反映出的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能。由于通過硬度試驗(yàn)可以反映金屬材料在不同的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和熱處理工藝條件下性能的差異，因此硬度試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于金屬性能的檢驗(yàn)、監(jiān)督熱處理工藝質(zhì)量和新材料的研制。金屬硬度檢測主要有兩類試驗(yàn)方法。一類是靜態(tài)試驗(yàn)方法，這類方法試驗(yàn)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(yàn)方法包括布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等。其中布、洛、維三種測試方法是最長用的，它們是金屬硬度檢測的主要測試方法。而洛氏硬度試驗(yàn)又是應(yīng)用最多的，它被廣泛用于產(chǎn)品的檢測，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前應(yīng)用中的硬度計(jì)7

3、0%是洛氏硬度計(jì)。另一類試驗(yàn)方法是動態(tài)試驗(yàn)法，這類方法試驗(yàn)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(yàn)法。動態(tài)試驗(yàn)法主要用于大型的及不可移動工件的硬度檢測。1.布氏硬度計(jì)原理對直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭施加規(guī)定的試驗(yàn)力，使壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時間后，除去試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度用試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商來計(jì)算。圖1布氏硬度試驗(yàn)原理HB =F / S (1-1)=F / Dh (1-2)= (1-3)式中：F 試驗(yàn)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，mm布氏硬度計(jì)的特點(diǎn)：布氏硬度檢測的優(yōu)點(diǎn)是其硬度代表性好，由于

4、通常采用的是10 mm直徑球壓頭，3000kg試驗(yàn)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，因此特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料。它的試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，精度高于洛氏，低于維氏。此外布氏硬度值與抗拉強(qiáng)度值之間存在較好的對應(yīng)關(guān)系。布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是壓痕較大，成品檢驗(yàn)有困難，試驗(yàn)過程比洛氏硬度試驗(yàn)復(fù)雜，測量操作和壓痕測量都比較費(fèi)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(yàn)技術(shù)和豐富經(jīng)驗(yàn)，一般要求由專門的實(shí)驗(yàn)員操作。布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系由于布氏硬度

5、試驗(yàn)?zāi)軌蚍从吵鲈嚇虞^大范圍內(nèi)的綜合性能，因此布氏硬度與材料的其他機(jī)械性能關(guān)系密切，尤其是與抗拉強(qiáng)度存在近似的換算關(guān)系：b=K·HB (1-6)式中：b抗拉強(qiáng)度值，MN/m2；K常數(shù)，不同材料有不同的數(shù)值。通過測試布氏硬度可以間接得到材料的抗拉強(qiáng)度。這一點(diǎn)在生產(chǎn)實(shí)際中具有重大意義?？梢酝ㄟ^測量硬度的方法得到近似的強(qiáng)度值，這樣既可以提高工作效率，又可以節(jié)省材料。部分金屬材料的換算關(guān)系如1-3表所示。材料布氏硬度值近似換算關(guān)系鋼125175175b0.343HB×10MN/m2b0.363HB×10MN/m2鑄鋁合金 b0.26HB×10MN/m2退

6、火黃銅、青銅 b0.55HB×10MN/m2冷加工后的黃銅、青銅 b0.40HB×10MN/m2 2.洛氏硬度計(jì)原理在規(guī)定條件下，將壓頭(金剛石圓錐、鋼球或球)分2個步驟壓入試樣表面。卸除主試驗(yàn)力后，在初試驗(yàn)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。洛氏硬度試驗(yàn)原理如圖2-1所示。硬質(zhì)合金1在初始試驗(yàn)力F0下的壓入深度；2在總試驗(yàn)力F0+F1下的壓入深度；3去除主試驗(yàn)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(zhǔn)面；7壓頭位置洛氏硬度試驗(yàn)分為2種，一種是普通洛氏硬度試驗(yàn)，一種是表面洛氏硬度試驗(yàn)。洛氏硬度試驗(yàn)采用1

7、200金剛石圓錐和1.588mm、3.175mm鋼球三種壓頭，采用60kg、100kg、150kg三種試驗(yàn)力，它們共有九種組合，對應(yīng)于洛氏硬度的九個標(biāo)尺，即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。表面洛氏硬度試驗(yàn)采用1200金剛石圓錐和1.588mm鋼球2種壓頭，采用15kg、30kg、45kg三種試驗(yàn)力，它們共有六種組合，對應(yīng)于表面洛氏的六個標(biāo)尺，即HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T。洛氏硬度標(biāo)尺技術(shù)條件洛氏硬度標(biāo)尺 硬度符號 壓頭類型 初試驗(yàn)力F0(N)主試驗(yàn)力F1(N)總試驗(yàn)力F0+ F1(N)適用范圍 AHRA120&

8、#176;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 98.07490.3588.480100HRHKH

9、RK3.175mm鋼球 98.071373147140100HRK表面洛氏硬度標(biāo)尺技術(shù)條件表面洛氏硬度標(biāo)尺 硬度符號 壓頭類型 初試驗(yàn)力F0(N)主試驗(yàn)力F1(N)總試驗(yàn)力F0+ F1(N)適用范圍 15NHR15N120° 金剛石圓錐 29.42117.7147.17094HR15N30NHR30N264.8294.24286HR30N45NHR45N411.9441.32077HR45N15THR15T1.5875mm鋼球 29.42117.7147.16793HR15T30THR30T264.8294.22982HR30T45THR45T411.9441.31072HR45T取

10、自國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1-2004注：力值單位9.8N=1kg)洛氏硬度計(jì)特點(diǎn)     洛氏硬度試驗(yàn)操作簡單，測量迅速，可在指示表上直接讀取硬度值，工作效率高，成為最常用的硬度試驗(yàn)方法之一。由于試驗(yàn)力較小，壓痕也小，特別是表面洛氏硬度試驗(yàn)的壓痕更小，對大多數(shù)工件的使用無影響，可直接測試成品工件，初試驗(yàn)力的采用，使得試樣表面輕微的不平度對硬度值的影響較小，因此，此儀器非常適于在工廠使用，適于對成批加工的成品或半成品工件進(jìn)行逐件檢測，該試驗(yàn)方法測量操作的要求不高，非專業(yè)人員容易掌握。 3.維氏硬度計(jì)原理3.1 維氏硬度計(jì)原理采用正四棱錐體金剛石

11、壓頭，在試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面壓痕對角線長度，見圖3-1。圖3-1維氏硬度試驗(yàn)原理圖試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商就是維氏硬度值。維氏硬度值按式()計(jì)算：HV = 常數(shù)×試驗(yàn)力/壓痕表面積 0.1891 Fd2 (31)式中：HV維氏硬度符號；      F試驗(yàn)力，N；      d壓痕兩對角線d1、d2的算術(shù)平均值，mm實(shí)用中是根據(jù)對角線長度d通過查表得到維氏硬度值。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定維氏硬度壓痕對角線長度范圍為0.0201.400

12、mm3.2 維氏硬度的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(yàn)力值。標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)力，保持時間20S時得到的硬度值為600。3.3 維氏硬度試驗(yàn)的分類和試驗(yàn)力選擇維氏硬度試驗(yàn)按試驗(yàn)力大小的不同，細(xì)分為三種試驗(yàn)，即：維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)和顯微維氏硬度試驗(yàn)。見表3-1表3-1維氏硬度試驗(yàn)的三種方法試驗(yàn)

13、力范圍/N 硬度符號 試驗(yàn)名稱 F49.03HV5維氏硬度試驗(yàn) 1.961F<49.03HV0.2小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn) 0.09807F<1.961HV0.01顯微維氏硬度試驗(yàn) 維氏硬度試驗(yàn)可選用的試驗(yàn)力值很多，見表3-2。表3-2推薦的維氏硬度試驗(yàn)力維氏硬度試驗(yàn) 小負(fù)荷維氏試驗(yàn)試驗(yàn) 顯微維氏硬度試驗(yàn) 硬度符號 試驗(yàn)力/N硬度符號 試驗(yàn)力/N硬度符號 試驗(yàn)力/NHV549.03HV0.21.961HV0.010.09807HV1098.07HV0.32.942HV0.0150.1471HV20196.1HV0.54.903HV0.020.1961HV30294.2HV19.807HV

14、0.0250.2452HV50490.3HV219.61HV0.050.4903HV100980.7HV329.42HV0.10.9807注：1.維氏硬度試驗(yàn)可使用大于980.7N的試驗(yàn)力； 2.顯微維氏試驗(yàn)力為推薦值。 試驗(yàn)力的選擇要根據(jù)試樣種類、試樣厚度和預(yù)期的硬度范圍而定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試樣或試驗(yàn)層的厚度至少為壓痕對角線長度的1.5倍。試驗(yàn)后試樣背面不應(yīng)出現(xiàn)可見的變形痕跡。3.4 維氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)維氏硬度試驗(yàn)的壓痕是正方形，輕廓清晰，對角線測量準(zhǔn)確，因此，維氏硬度試驗(yàn)是常用硬度試驗(yàn)方法中精度最高的，同時它的重復(fù)性也很好，這一點(diǎn)比布氏硬度計(jì)優(yōu)越。維氏硬度試驗(yàn)測量范圍寬廣，可以測量目

15、前工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料(幾個維氏硬度單位)到很硬的材料(3000個維氏硬度單位)都可測量。維氏硬度試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)在于其硬度值與試驗(yàn)力的大小無關(guān)，只要是硬度均勻的材料，可以任意選擇試驗(yàn)力，其硬度值不變。這就相當(dāng)于在一個很寬廣的硬度范圍內(nèi)具有一個統(tǒng)一的標(biāo)尺。這一點(diǎn)又比洛氏硬度試驗(yàn)來得優(yōu)越。3.5 維氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)維氏硬度試驗(yàn)效率低，要求較高的試驗(yàn)技術(shù)，對于試樣表面的光潔度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費(fèi)時，通常只在實(shí)驗(yàn)室中使用。3.6 維氏硬度計(jì)的應(yīng)用維氏硬度試驗(yàn)主要用于材料研究和科學(xué)試驗(yàn)方面小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)主要用于測試小型精密零件的硬度

16、，表面硬化層硬度和有效硬化層深度，鍍層的表面硬度，薄片材料和細(xì)線材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于試驗(yàn)力很小，壓痕也很小，試樣外觀和使用性能都可以不受影響。顯微維氏硬氏試驗(yàn)主要用于金屬學(xué)和金相學(xué)研究。用于測定金屬組織中各組成相的硬度，用于研究難熔化合物脆性等。顯微維氏硬度試驗(yàn)還用于極小或極薄零件的測試，零件厚度可薄至m。里氏硬度計(jì)原理用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距離試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度之比計(jì)算出的數(shù)值就是里氏硬度。里氏硬度計(jì)實(shí)際上是肖氏硬度計(jì)的改進(jìn)型，它們測定的都是沖擊體在試樣表面經(jīng)試樣塑性變形消耗能量后的剩余能量。里氏硬度的計(jì)算

17、公式如下： HL=1000×UR/UA 式中：HL里氏硬度符號UA 球頭的沖擊速度，m/s；UR 球頭的反彈速度，m/s。 4.里氏硬度計(jì)特點(diǎn)里氏硬度計(jì)儀器輕巧，測試簡便，快速，讀數(shù)方便，適于檢測硬度范圍很寬的金屬材料，并且可以從不同方向進(jìn)行測試，非常適于在現(xiàn)場對大型工件、組裝件進(jìn)行硬度測試，里氏硬度計(jì)比肖氏硬度計(jì)有了很大的技術(shù)進(jìn)步。里氏硬度計(jì)的缺點(diǎn)是這種試驗(yàn)方法在國際上還沒有被普遍接受，迄今還沒有被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)采納，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在國際上還缺乏來自獨(dú)立的第三方或國際組織方面的監(jiān)督與復(fù)核。 里氏硬度試驗(yàn)要求試樣有一定的質(zhì)量和厚度，不適于測試小工件。 里氏硬度計(jì)主要用于在現(xiàn)場快速

18、測試大型的、組裝的、不便移動的、不允許切割試樣的工件，用于測試大型模具、大型鍛造件、鑄造件，可以靈活地測試大型工件不同部位的硬度，里氏硬度計(jì)是大型工件硬度測試上非常有效實(shí)用的檢測手段，在國內(nèi)里氏硬度計(jì)有取代肖氏硬度計(jì)的趨勢。里氏硬度計(jì)不能測試表面硬化工件，通過耦合的辦法測試小零件往往是不可靠的，目前有被誤導(dǎo)測試小零件的傾向。對于中、小零件應(yīng)盡量采用國際上通用的靜態(tài)硬度測試方法。里氏硬度計(jì)試驗(yàn)與肖氏硬度試驗(yàn)相同，里氏硬度試驗(yàn)結(jié)果的比較也是僅限于彈性模量相同或相近的材料。5.韋氏硬度計(jì)韋氏硬度計(jì)原理一定形狀的硬鋼壓針，在標(biāo)準(zhǔn)彈簧試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，用壓針的壓入深度確定材料硬度，定義0.01mm的壓入深度為一個韋氏硬度單位。韋氏硬度單位表示為HW。韋氏硬度計(jì)的特點(diǎn) 韋氏硬度計(jì)是小型便攜式儀器，它體積小、重量輕、可單手操作，可快速、方便、無損地測試材料硬度，它不必取樣，對操作技能要求不高，非常適于在生產(chǎn)現(xiàn)場對材料進(jìn)行快速硬度檢測。韋氏硬度計(jì)的缺點(diǎn)是靈敏度較差，量程較窄，全量程只有20個刻度，因此通常一臺儀器只能測試12種金屬材料。