加工硬化指數(shù)n計(jì)算方法

1、加工硬化和真應(yīng)力真應(yīng)變曲線加工硬化和真應(yīng)力真應(yīng)變曲線工程應(yīng)力工程應(yīng)變工程應(yīng)力工程應(yīng)變曲線的形狀是不變的,并且對(duì)試樣卸載和重新加載時(shí),應(yīng)力也沒有區(qū)別（必須保證卸載和重新加載之間的時(shí)間足夠短）.然而,如果用真應(yīng)力和真應(yīng)變來繪制曲線的話就會(huì)有區(qū)別,例如真應(yīng)變的定義是長(zhǎng)度的增量除以標(biāo)距瞬時(shí)長(zhǎng)瞬時(shí)長(zhǎng)度度,然而工程應(yīng)變是長(zhǎng)度的增量除以原始原始標(biāo)距的長(zhǎng)度.比較這兩種繪制曲線的方法,會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變的增加,應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生越來越顯著的差.一會(huì)兒會(huì)給出一些例子.加工硬化率總是從真應(yīng)力真應(yīng)變數(shù)據(jù)中測(cè)量得到的加工硬化率總是從真應(yīng)力真應(yīng)變數(shù)據(jù)中測(cè)量得到的.絕大多數(shù)應(yīng)力應(yīng)變曲線都遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的能量表達(dá)式,稱之為 Ho

2、lloman 方程,如下:t = Ktn當(dāng) n 為硬化比率或者硬化系數(shù)的時(shí)候， 這個(gè)方程對(duì)中斷的測(cè)試同樣適用 （但僅適用于立刻重新加載的測(cè)試，在室溫下被延遲了幾個(gè)小時(shí)后再加載就不不適用了).由少量塑性應(yīng)變,比如 1%,引起的應(yīng)力增加會(huì)很顯著,在拉伸試驗(yàn)中可以測(cè)量出來,從而估計(jì)少量塑性應(yīng)變后屈服強(qiáng)度的增加.對(duì)于給定應(yīng)變,應(yīng)力增量越大,冷加工屈服強(qiáng)度越大.這個(gè)有用的參數(shù)被稱做加工硬化指數(shù),可以通過繪制如下曲線得到:ln = ln K + n.ln 當(dāng)塑性應(yīng)變?cè)黾訒r(shí),真應(yīng)變和工程應(yīng)變之間的差別也越來越大.一個(gè)可以選擇的能精確測(cè)量 n 值的方法是在給定的應(yīng)變處,測(cè)出真應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率:d / d =

3、 n KTn1為了取代n我們有:-d / d = n T/ T或者n = d / d.T/ T這里 T和T是測(cè)量的 d/d處的真應(yīng)力和真應(yīng)變.第第 1 章章 材料在靜載下的力學(xué)行為材料在靜載下的力學(xué)行為(力學(xué)性能力學(xué)性能)1.1 材料在靜拉伸時(shí)的力學(xué)行為概述材料在靜拉伸時(shí)的力學(xué)行為概述靜拉伸是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)方法。用靜拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以求出許多重要性能指標(biāo)。如彈性模量 E，主要用于零件的剛度設(shè)計(jì)中；材料的屈服強(qiáng)度s和抗拉強(qiáng)度b則主要用于零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，特別是抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度有一定的比例關(guān)系， 這就進(jìn)一步為零件在交變載荷下使用提供參考；而材料的塑性，斷裂前的應(yīng)

4、變量，主要是為材料在冷熱變形時(shí)的工藝性能作參考。圖圖 11 幾種典型材料在溫室下的應(yīng)力應(yīng)變曲線幾種典型材料在溫室下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖 1-1 表示不同類型材料的幾種典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢姡鼈兊牟顒e是很大的。對(duì)退火的低碳鋼，在拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，出現(xiàn)平臺(tái)，即在應(yīng)力不增加的情況下材料可繼續(xù)變形，這一平臺(tái)稱為屈服平臺(tái)，平臺(tái)的延伸長(zhǎng)度隨鋼的含碳量增加而減少，當(dāng)含碳量增至 0.6%以上，平臺(tái)消失，這種類型見圖圖 1-1a1-1a；對(duì)多數(shù)塑性金屬材料，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖圖 1-1b1-1b 所示，該圖所繪的雖是一鋁鎂合金，但銅合金，中碳合金結(jié)構(gòu)鋼(經(jīng)淬火及中高溫回火處理)也是如此，與圖圖

5、1-1a1-1a 不同的是，材料由彈性變形連續(xù)過渡到塑性變形，塑性變形時(shí)沒有鋸齒形平臺(tái)， 而變形時(shí)總伴隨著加工硬化； 對(duì)高分子材料， 象聚氯乙烯，在拉伸開始時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變不成直線關(guān)系，見圖圖 1-1c1-1c，即不服從虎克定律，而且變形表現(xiàn)為粘彈性。 圖圖 1-1d1-1d 為蘇打石灰玻璃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線， 只顯示彈性變形，沒有塑性變形立即斷裂，這是完全脆斷的情形。工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料象 Al2O3，SiC等均屬這種情況，淬火態(tài)的高碳鋼、普通灰鑄鐵也屬這種情況。1.2 金屬材料的彈性變形金屬材料的彈性變形1.2.1 廣義虎克定律廣義虎克定律已知在單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系為：一般應(yīng)力狀態(tài)下各向同

6、性材料的廣義虎克定律為：其中：如用主應(yīng)力狀態(tài)表示廣義虎克定律,則有1.2.2 彈性模量的技術(shù)意義彈性模量的技術(shù)意義工程上把彈性模量 E、G 稱做材料的剛度，它表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，有時(shí)剛度是第一位的。精密機(jī)床的主軸如果不具有足夠的剛度，就不能保證零件的加工精度。若汽車拖拉機(jī)中的曲軸彎曲剛度不足，就會(huì)影響活塞、連桿及軸承等重要零件的正常工作；若扭轉(zhuǎn)剛度不足，則可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。 曲軸的結(jié)構(gòu)和尺寸常常由剛度決定， 然后作強(qiáng)度校核。通常由剛度決定的尺寸遠(yuǎn)大于按強(qiáng)度計(jì)算的尺寸。 所以， 曲軸只有在個(gè)別情況下，才從軸頸到曲柄的過渡園角處發(fā)生斷裂，這一般是制造工藝不當(dāng)

7、所致。不同類型的材料，其彈性模量可以差別很大，因而在給定載荷下，產(chǎn)生的彈性撓曲變形也就會(huì)相差懸殊。 材料的彈性模量主要取決于結(jié)合鍵的本性和原子間的結(jié)合力，而材料的成分和組織對(duì)它的影響不大，所以說它是一個(gè)對(duì)組織不敏感的性能指標(biāo)，這是彈性模量在性能上的主要特點(diǎn)(金屬的彈性模量是一個(gè)結(jié)構(gòu)不敏感的性能指標(biāo)， 而高分子和陶瓷材料的彈性模量則對(duì)結(jié)構(gòu)與組織很敏感)。改變材料的成分和組織會(huì)對(duì)材料的強(qiáng)度(如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度)有顯著影響，但對(duì)材料的剛度影響不大。從大的范圍說，材料的彈性模量首先決定于結(jié)合鍵。共價(jià)鍵結(jié)合的材料彈性模量最高，所以象 SiC，Si3N4陶瓷材料和碳纖維的復(fù)合材料有很高的彈性模量。而主要

8、依靠分子鍵結(jié)合的高分子，由于鍵力弱其彈性模量最低。金屬鍵有較強(qiáng)的鍵力，材料容易塑性變形，其彈性模量適中，但由于各種金屬原子結(jié)合力的不同，也會(huì)有很大的差別，例如鐵(鋼)的彈性模量為 210GPa，是鋁(鋁合金)的三倍(EAl70GPa)，而鎢的彈性模量又是鐵的兩倍(Ew70GPa)。彈性模量是和材料的熔點(diǎn)成正比的，越是難熔的材料彈性模量也越高。1.2.3 彈性比功彈性比功對(duì)于彈簧零件來說，不管彈簧的形狀如何（是螺旋彈簧還是板彈簧），也不管彈簧的受力方式如何（是拉壓還是彎扭），都要求其在彈性范圍內(nèi)（彈性極限以下）有盡可能高的彈性比功。彈性比功為應(yīng)力應(yīng)變曲線下彈性范圍內(nèi)所吸收的變形功，即：彈性比功式

9、中e為材料的彈性極限，它表示材料發(fā)生彈性變性的極限抗力。理論上彈性極限的測(cè)定應(yīng)該是通過不斷加載與卸載，直到能使變形完全恢復(fù)的極限載荷。實(shí)際上在測(cè)定彈性極限時(shí)是以規(guī)定某一少量的殘留變形(如 0.01%)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)此殘留變形的應(yīng)力即為彈性極限。彈性模量是材料的剛度性能，材料的成分與熱處理對(duì)它影響不大；而彈性極限是材料的強(qiáng)度性能，改變材料的成分與熱處理能顯著提高材料的彈性極限。這里附帶說明，材料的彈性極限規(guī)定的殘留變形量比一般的屈服強(qiáng)度更小，是對(duì)組織更敏感的性能指標(biāo)，如它對(duì)內(nèi)應(yīng)力、鋼中殘留奧氏體、自由鐵素體和貝氏體等能靈敏地反映出材料內(nèi)部組織的變化。1.2.4 滯彈性滯彈性理想的彈性體其彈性變形速

10、度是很快的，相當(dāng)于聲音在彈性體中的傳播速度。因此，在加載時(shí)可認(rèn)為變形立即達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的相應(yīng)值，卸載時(shí)也立即恢復(fù)原狀，圖上的加載與卸載應(yīng)在同一直線上，也就是說應(yīng)變與應(yīng)力始終保持同步。但是，在實(shí)際材料中有應(yīng)變落后于應(yīng)力現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做滯彈性滯彈性( (如圖如圖 1-2)1-2)。對(duì)于多數(shù)金屬材料，如果不是在微應(yīng)變范圍內(nèi)精密測(cè)量，其滯彈性不是十分明顯，而有少數(shù)金屬特別象鑄鐵、高鉻不銹鋼則有明顯的滯彈性。例如普通灰鑄鐵在拉伸時(shí)，其在彈性變形范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變并不遵循直線 AC 關(guān)系(參見圖圖 1-21-2)，而是加載時(shí)沿著直線 ABC，在卸載時(shí)不是沿著原途徑，而是沿著 CDA 恢復(fù)原狀。加載時(shí)

11、試樣儲(chǔ)存的變形功為 ABCE，卸載時(shí)釋放的彈性變形能為 ADCE，這樣在加載與卸載的循環(huán)中，試樣儲(chǔ)存的彈性能為 ABCDA，即圖中陰影線面積。這個(gè)滯后環(huán)面積雖然很小，但在工程上對(duì)一些產(chǎn)生振動(dòng)的零件卻很重要，它可以減小振動(dòng)，使振動(dòng)幅度很快地衰減下來，正是因?yàn)殍T鐵有此特性，故常被用來制作機(jī)床床身和內(nèi)燃機(jī)的支座。滯彈性也有不好的一面，如在精密儀表中的彈簧、油壓表或氣壓表的測(cè)力彈簧，要求彈簧薄膜的彈性變形能靈敏地反映出油壓或氣壓的變化，因此不允許材料有顯著的滯彈性。對(duì)于高分子材料，滯彈性表現(xiàn)為粘彈性并成為材料的普遍特性，這時(shí)高分子的力學(xué)性能都與時(shí)間有關(guān)了，其應(yīng)變不再是應(yīng)力的單值函數(shù)也與時(shí)間有關(guān)。高分子

12、材料的粘彈性主要是由于大的分子量使應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)較慢所致。1.2.5 包辛格效應(yīng)及其使用意義包辛格效應(yīng)及其使用意義包辛格效應(yīng)包辛格效應(yīng)就是指原先經(jīng)過變形，然后在反向加載時(shí)彈性極限或屈服強(qiáng)度降低的現(xiàn)象,如圖圖 1 13 3 所示。 特別是彈性極限在反向加載時(shí)幾乎下降到零， 這說明在反向加載時(shí)塑性變形立即開始了。 包辛格效應(yīng)在理論上和實(shí)際上都有其重要意義。 在理論上由于它是金屬變形時(shí)長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力的度量 （長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力的大小可用 X 光方法測(cè)量） ， 包辛格效應(yīng)可用來研究材料加工硬化的機(jī)制。在工程應(yīng)用上，首先是材料加工成型工藝需要考慮包辛格效應(yīng)。其次，包辛格效應(yīng)大的材料，內(nèi)應(yīng)力較大。1.3 金屬材料的

13、塑性變形金屬材料的塑性變形1.3.1 屈服強(qiáng)度及其影響因素屈服強(qiáng)度及其影響因素1. 屈服標(biāo)準(zhǔn)屈服標(biāo)準(zhǔn)工程上常用的屈服標(biāo)準(zhǔn)有三種：(1)比例極限應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力，國際上常采用p表示，超過p時(shí)即認(rèn)為材料開始屈服。(2)彈性極限試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力。國際上通常以el表示。應(yīng)力超過el時(shí)即認(rèn)為材料開始屈服。(3)屈服強(qiáng)度以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)，如通常以 0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，符號(hào)為0.2或ys。2.影響屈服強(qiáng)度的因素影響屈服強(qiáng)度的因素影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)在因素有：結(jié)合鍵、組織、結(jié)構(gòu)、原子本性。如將金屬的屈

14、服強(qiáng)度與陶瓷、高分子材料比較可看出結(jié)合鍵的影響是根本性的。從組織結(jié)構(gòu)的影響來看，可以有四種強(qiáng)化機(jī)制影響金屬材料的屈服強(qiáng)度，這就是：(1)固溶強(qiáng)化；(2)形變強(qiáng)化；(3)沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化；(4)晶界和亞晶強(qiáng)化。沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化是工業(yè)合金中提高材料屈服強(qiáng)度的最常用的手段。 在這幾種強(qiáng)化機(jī)制中，前三種機(jī)制在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，也降低了塑性，只有細(xì)化晶粒和亞晶，既能提高強(qiáng)度又能增加塑性。影響屈服強(qiáng)度的外在因素有：溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)。隨著溫度的降低與應(yīng)變速率的增高,材料的屈服強(qiáng)度升高，尤其是體心立方金屬對(duì)溫度和應(yīng)變速率特別敏感，這導(dǎo)致了鋼的低溫脆化。應(yīng)力狀態(tài)的影響也很重要。雖然屈服強(qiáng)度是反映材

15、料的內(nèi)在性能的一個(gè)本質(zhì)指標(biāo)，但應(yīng)力狀態(tài)不同，屈服強(qiáng)度值也不同。我們通常所說的材料的屈服強(qiáng)度一般是指在單向拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度。3.屈服強(qiáng)度的工程意義屈服強(qiáng)度的工程意義傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，對(duì)塑性材料，以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力=ys/n，安全系數(shù) n 一般取 2 或更大，對(duì)脆性材料，以抗拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力=b/n，安全系數(shù) n 一般取 6。需要注意的是，按照傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，必然會(huì)導(dǎo)致片面追求材料的高屈服強(qiáng)度，但是隨著材料屈服強(qiáng)度的提高，材料的抗脆斷強(qiáng)度在降低，材料的脆斷危險(xiǎn)性增加了。屈服強(qiáng)度不僅有直接的使用意義，在工程上也是材料的某些力學(xué)行為和工藝性能的大致度量。例如材料屈服強(qiáng)度增高

16、，對(duì)應(yīng)力腐蝕和氫脆就敏感；材料屈服強(qiáng)度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服強(qiáng)度是材料性能中不可缺少的重要指標(biāo)。1.3.2加工硬化和真應(yīng)力應(yīng)變曲線加工硬化和真應(yīng)力應(yīng)變曲線1.真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線材料開始屈服以后，繼續(xù)變形將產(chǎn)生加工硬化。但材料的加工硬化行為，不能用條件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來描述。因?yàn)闂l件應(yīng)力=F/A,條件應(yīng)變。應(yīng)力的變化是以不變的原始截面積來計(jì)量，而應(yīng)變是以初始的試樣標(biāo)距長(zhǎng)度來度量。但實(shí)際上在變形過程的每一瞬時(shí)試樣的截面積和長(zhǎng)度都在變化，這樣，自然不能真實(shí)反映變形過程中的應(yīng)力和應(yīng)變的變化， 而必須采用真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線也叫流變曲線。真實(shí)應(yīng)

17、力 S=F/A，真實(shí)應(yīng)變。由圖圖 1 14 4 可以看出，真實(shí)應(yīng)變與條件應(yīng)變相比有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)。第一，條件應(yīng)變往往不能真實(shí)反映或度量應(yīng)變。第二，真實(shí)應(yīng)變可以疊加， 可以不計(jì)中間的加載歷史， 只需要知道試樣的初始長(zhǎng)度和最終長(zhǎng)度。條件應(yīng)變總大于真應(yīng)變，在條件應(yīng)變?yōu)?0.1 左右時(shí)，兩者相差不多，隨著應(yīng)變量的增加，兩者的相差越來越大。2.真應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系真應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系從試樣開始屈服到發(fā)生頸縮， 這一段應(yīng)變范圍中真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系,可用以下方程描述式中 n 稱為加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù)，K 叫做強(qiáng)度系數(shù)。如取對(duì)數(shù),則有在雙對(duì)數(shù)的坐標(biāo)中真應(yīng)力和真應(yīng)變成線性關(guān)系,直線的斜率即為 n，而 K 相當(dāng)于=1

18、.0 時(shí)的真應(yīng)力，見圖圖 1 15 5。理想的彈性體和理想的塑性體限定了一般材料加工硬化指數(shù) n 的變化范圍，如用 S=Kn方程描述，則在圖圖 1 16 6 中，理想彈性體n=1 為-45。斜線，理想塑性體 n=0 為一水平直線，n=1/2 的為一拋物線。3.加工硬化指數(shù)加工硬化指數(shù)n的實(shí)際意義的實(shí)際意義加工硬化指數(shù) n 反應(yīng)了材料開始屈服以后，繼續(xù)變形時(shí)材料的應(yīng)變硬化情況，它決定了材料開始發(fā)生頸縮時(shí)的最大應(yīng)力。n 還決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻應(yīng)變量（見1.3.3 內(nèi)容），這一數(shù)值在冷加工成型工藝中是很重要的。對(duì)于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，否則，在偶然過載的情況下，會(huì)產(chǎn)生

19、過量的塑性變形，甚至有局部的不均勻變形或斷裂，因此材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保證。形變硬化是提高材料強(qiáng)度的重要手段。不銹鋼有很大的加工硬化指數(shù)n=0.5，因而也有很高的均勻變形量。不銹鋼的屈服強(qiáng)度不高，但如用冷變形可以成倍地提高。高碳鋼絲經(jīng)過鉛浴等溫處理后拉拔，可以達(dá)到 2000MPa 以上。但是，傳統(tǒng)的形變強(qiáng)化方法只能使強(qiáng)度提高，而塑性損失了很多。現(xiàn)在研制的一些新材料中，注意到當(dāng)改變了顯微組織和組織的分布時(shí)，變形中既能提高強(qiáng)度又能提高塑性，見圖圖 1 17 7。1.3.3 頸縮條件和抗拉強(qiáng)度頸縮條件和抗拉強(qiáng)度1.頸縮條件頸縮條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)即開始出現(xiàn)頸縮。

20、在頸縮前變形沿整個(gè)試樣長(zhǎng)度是均勻的，發(fā)生頸縮后變形則主要集中在局部區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)橫截面越來越細(xì)，局部應(yīng)力越來越高，直至不能承受外加載荷而斷裂。出現(xiàn)頸縮時(shí)正是相當(dāng)于負(fù)荷-變形曲線上的最大載荷處，因此，應(yīng)有 dF=0dF=d(SA)=AdS+SdA=0即-dA/A=dS/S又按體積不變定理有dL/L=-dA/A=d故有dS/d=S這就是出現(xiàn)頸縮的條件，即當(dāng)加工硬化速率等于該處的真應(yīng)力時(shí)就開始頸縮。依據(jù)頸縮條件，倘若已有真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并作出相應(yīng)的應(yīng)變硬化速率和應(yīng)變的關(guān)系，這兩個(gè)曲線的交點(diǎn)即表示在該應(yīng)變量下將要開始頸縮，在交點(diǎn)的左方 dS/dS，硬化作用較強(qiáng)，足以補(bǔ)償因截面之減小所引起的應(yīng)力升高

21、，而在交點(diǎn)的右方 dS/d2，即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力，所以在這種加載方式下幾乎所有金屬材料都會(huì)發(fā)生塑性變形，而起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形的抗力(即形變強(qiáng)化能力)就直接決定壓 入硬度值的大小。硬度試驗(yàn)按其試驗(yàn)方法的物理意義可分為刻劃硬度、 回跳硬度(肖氏硬度)和壓入硬度?？虅澯捕戎饕碚鞑牧蠈?duì)切斷式破壞的抗力，所以它與 SK之間有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；靥捕戎饕碚鞑牧蠌椥员裙Υ笮?。因此，必須對(duì)彈性模量相同的材料才能進(jìn)行這一試驗(yàn)。壓入硬度的含義已如上述。由于此法在生產(chǎn)上應(yīng)用最為廣泛，故下面主要談壓入法硬度。1.7.2 布氏硬度布氏硬度1.布氏硬度試驗(yàn)的基本原理布氏硬度試驗(yàn)的基本原理布氏硬

22、度的測(cè)定原理是：在直徑 D 的鋼珠上，加一定負(fù)荷 P，壓入被試金屬的表面(見圖見圖 1 12020)，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹面積 F凹計(jì)算出應(yīng)力值，以此值作為硬度值大小的計(jì)量指標(biāo)。布氏硬度的符號(hào)以 HB標(biāo)計(jì)式中 為壓痕陷凹深度；為壓痕陷凹面積(試驗(yàn)參見動(dòng)畫演示試驗(yàn)參見動(dòng)畫演示)，這可以從壓痕陷凹面積和整個(gè)球面積之比等于壓痕陷凹深度 和球直徑 D 之比的關(guān)系中求得。由上式可知，在 P 和 D 一定時(shí)，HB的高低取決于 t 的大小，二者呈反比。t 大說明金屬形變抗力低，故硬度值 HB小，反之則 HB大。在實(shí)際測(cè)定時(shí)，由于測(cè)定較困難，而測(cè)定陷凹直徑卻較容易，因此，要將上式中的 換成。則有可得出2.布

23、氏硬度試驗(yàn)規(guī)程布氏硬度試驗(yàn)規(guī)程布氏硬度試驗(yàn)的基本條件是負(fù)荷 P 和鋼球直徑 D 必須事先確定，這樣所得數(shù)據(jù)才能進(jìn)行比較。但由于金屬有硬有軟，所試工件有厚有薄，如果只采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)荷 P(如 3000kgf)和鋼球直徑 D(如 10mm)時(shí)，則對(duì)于硬合金(如鋼)雖然適合，對(duì)于軟合金(如鉛、錫)就不適合，這時(shí)，整個(gè)鋼球都會(huì)陷入金屬中；同樣，這個(gè)值對(duì)厚的工件雖然適合，對(duì)于薄的工件(如厚度小于 2mm)就不適合，這時(shí)工件可能被壓透。此外，壓痕直徑 d 和鋼球直徑 D 的比值也不能太大或太小，否則所得 HB值失真，只有二者的比值在一定范圍(0.2Dd450 以上的太硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測(cè)

24、數(shù)據(jù)的正確性，因此不能使用。由于壓痕較大，不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品檢驗(yàn)，也不宜于薄件試驗(yàn)。此外，因需測(cè)量 d 值，故被測(cè)處要求平穩(wěn)，操 作和測(cè)量都需較長(zhǎng)時(shí)間，故在要求迅速檢定大量成品時(shí)不適合。1.7.3 洛氏硬度洛氏硬度1.洛氏硬度值的規(guī)定洛氏硬度值的規(guī)定洛氏硬度的壓頭分硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)的由頂角為 120的金鋼石圓錐體制成， 適于測(cè)定淬火鋼材等較硬的金屬材料； 軟質(zhì)的為直徑 1/16(1.5875mm)或 1/8(3.175mm)的鋼球，適于退火鋼、有色金屬等較軟材料硬度值的測(cè)定。洛氏硬度所加負(fù)荷根據(jù)被試金屬本身硬軟不等作不同規(guī)定， 隨不同壓頭和所加不同負(fù)荷的搭配出現(xiàn)了各種稱號(hào)

25、的洛氏硬度級(jí)。生產(chǎn)上用得最多的是 A 級(jí)、B 級(jí)和 C 級(jí)，即 HRA(金鋼石圓錐壓頭、60kgf負(fù)荷)，HRB(1/16鋼球壓頭、100kgf 負(fù)荷)和 HRC(金鋼石圓錐壓頭、150kgf 負(fù)荷)，而其中又以 HRC 用得最普遍。因?yàn)槁迨嫌捕仁且詨汉巯莅忌疃?t 作為計(jì)量硬度值的指標(biāo)。在同一硬度級(jí)下，金屬愈硬則壓痕深度 t 愈小，愈軟則 t 愈大。如果直接以 t 的大小作為指標(biāo)， 則將出現(xiàn)硬金屬 t 值小從而硬度值小， 軟金屬的 t 值大從而硬度值大的現(xiàn)象，這和布氏硬度值所表示的硬度大小的概念相矛盾， 也和人們的習(xí)慣不一致。 為此，只能采取一個(gè)不得已的措施，即用選定的常數(shù)來減去所得 t 值

26、，以其差值來標(biāo)志洛氏硬度值。此常數(shù)規(guī)定為 0.2mm(用于 HRA、HRC)和 0.26mm (用于 HRB)。因此其中 t 為壓痕的陷凹深度。2.洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)洛氏硬度試驗(yàn)避免了布氏硬度試驗(yàn)所存在的缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是：1)因有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，故適于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗(yàn)，不存在壓頭變形問題；2)壓痕小，不傷工件表面；3)操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，生產(chǎn)效率高，適用于大量生產(chǎn)中的成品檢驗(yàn)。缺點(diǎn)是：用不同硬度級(jí)測(cè)得的硬度值無法統(tǒng)一起來，無法進(jìn)行比較。1.7.4 維氏硬度維氏硬度維氏硬度試驗(yàn)法開始于 1925 年。 維氏硬度的測(cè)定原理和布氏硬度相同,也是根據(jù)單位壓痕陷凹面積

27、上承受的負(fù)荷，即應(yīng)力值作為硬度值的計(jì)量指標(biāo)。所不同的是維氏硬度采用錐面夾角為 136的四方角錐體，由金鋼石制成。之所以采用四方角錐，是針對(duì)布氏硬度的負(fù)荷 P 和鋼球直徑 D 之間必須遵循 P/D2為定值的這一制約關(guān)系的缺點(diǎn)而提出來的。采用了四方角錐，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)壓人角不變， 因此負(fù)荷可以任意選擇， 這是維氏硬度試驗(yàn)最主要的特點(diǎn)， 也是最大的優(yōu)點(diǎn)。四方角錐之所以選取 136，是為了所測(cè)數(shù)據(jù)與 HB值能得到最好的配合。因?yàn)橐话悴际嫌捕仍囼?yàn)時(shí)，壓痕直徑 d 多半在 0.25D 到 0.5D 之間，當(dāng)時(shí)，通過此壓痕直徑作鋼球的切線，切線的夾角正好等于 136，如圖 122 所示。 所以通過維氏硬度試驗(yàn)所得到的硬度值和通過布氏硬度試驗(yàn)所得到的硬度值能完全相等，這是維氏硬度試驗(yàn)的第二個(gè)特點(diǎn)。此外，采用四方角錐后，壓痕為一具有清晰輪廓的正方形在測(cè)量壓痕對(duì)