第四章-材料的硬度及其尺度效應(yīng)課件

1、第四章 材料的硬度及其尺度效應(yīng) 4.1 材料的硬度概論 4.2 宏觀硬度 4.5 顯微硬度 4.6 納米硬度4.5 材料的尺度效應(yīng)及其對硬度的影響本章內(nèi)容靜態(tài)壓入硬度：布氏，洛氏、維氏動態(tài)壓入硬度：肖氏，動態(tài)布氏劃痕硬度：努氏材料硬度的定義小孩用雞蛋去碰鐵盆的結(jié)果雞蛋破了，鐵盆無明顯變化顯然，鐵盆比雞蛋硬結(jié)論：鐵盆的硬度比雞蛋的硬度大材料硬度的定義結(jié)論：鐵的硬度比銅的硬度要大將同樣的力捶在銅片和鐵片上凹痕無明顯變化材料硬度的定義硬度是表示材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)！硬度的定義？作用形式：某一物體抵抗另一物體產(chǎn)生變形能力的度量。 變形形式：抵抗彈性變形、塑性變形和破壞的能力”或“材料抵抗殘余變形

2、和破壞的能力” 硬度很容易被人理解，但是硬度卻沒有嚴(yán)格的定義，為什么？材料硬度的定義科學(xué)家們在思考，我們也應(yīng)該思考測量硬度的基本知識：在測量固體材料硬度時(shí)，總是將一定形狀和尺寸的較硬物體即壓頭以一定的壓力接觸被測材料表面 ，然后測量材料的變形來反映材料的硬度。這一試驗(yàn)過程中，哪些因素會影響材料的硬度呢材料硬度的特點(diǎn)材料硬度的特點(diǎn)影響因素之一：材料本身的特性，如楊氏模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度顯然，材料本身是影響其硬度的關(guān)鍵因素硬 度材料硬度的特點(diǎn)影響因素之二：測量本身的儀器條件：測量方法、壓頭類型、壓力大小等大人和小孩分別坐在同一張沙發(fā)上，此時(shí)坐姿不同，重量不同，體積不同，沙發(fā)的變形量并不一定真實(shí)

3、的反映了沙發(fā)的硬度試驗(yàn)條件不同，硬度不同材料硬度的特點(diǎn)影響因素之三：測量方法不同，硬度的物理意義不同不僅取決于材料的成分和顯微組織，還取決于測量的方法和條件。硬度不是一個(gè)物理常數(shù) 是材料彈性、塑性、塑性形變強(qiáng)化率、強(qiáng)度、韌性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的綜合性能指標(biāo)。硬度不是材料獨(dú)立的力學(xué)性能材料的硬度試驗(yàn)按照載荷作用的方式：靜態(tài)壓痕硬度；動態(tài)壓痕硬度；劃痕硬度。材料的硬度試驗(yàn)靜態(tài)壓痕硬度通過球體、金剛石錐體或其它錐體將載荷施加在被測材料上，使材料產(chǎn)生壓痕，再根據(jù)施加載荷與所產(chǎn)生壓痕面積或深度之間的關(guān)系，給出其硬度值 靜態(tài)壓痕硬度反映了材料抵抗塑性變形的能力。布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等

4、材料的硬度試驗(yàn)動態(tài)壓痕硬度一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)重量與尺寸的物體從某一高度下落到被測物體的表面，并從其表面彈起，根據(jù)其回彈高度來確定被測物體的硬度值。 動態(tài)壓痕硬度反映了材料的彈性性質(zhì)。肖氏硬度等材料的硬度試驗(yàn)劃痕硬度在小曲率半徑的硬質(zhì)壓頭上施加一定的法向載荷，并使壓頭沿試樣表面刻劃，通過試樣表面的劃痕來評價(jià)其硬度 。 劃痕硬度反映了材料的彈性性質(zhì)。莫氏硬度、馬爾頓斯劃痕硬度等材料的硬度試驗(yàn)宏觀硬度：10N或2N以上；顯微硬度：10mN以上，10N或2N以下；納米硬度：700mN以下。按照壓頭壓力的大小，可以將硬度分為：材料硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)綜上所述：硬度沒有科學(xué)的定義；硬度不是一個(gè)物理常數(shù)；硬度不是一個(gè)獨(dú)

5、立的力學(xué)性能指標(biāo)；而且各種方法測量的硬度也不能直接比較。但是：硬度試驗(yàn)卻是力學(xué)性能試驗(yàn)中最常用的一種方法?。?留在工件表面上的試驗(yàn)痕跡很小，試驗(yàn)后工件不被破壞試樣不需要加工成特殊形狀，不論大小、厚薄及形狀，其硬度都可以由不同的方法來測定 硬度試驗(yàn)方法簡單、迅速材料硬度與其它力學(xué)性能有一定的關(guān)系。如硬度和強(qiáng)度的關(guān)系較為密切，一般說來，硬度越高，強(qiáng)度也越大材料硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)材料硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)宏觀介觀微觀10-8 10-6 m10-7 10-4 m10-3 10-2 m現(xiàn)代材料的發(fā)展趨勢：力學(xué)性能是一個(gè)與尺寸無關(guān)的常數(shù)力學(xué)性能與尺寸有很大的關(guān)系，如尺寸越小，強(qiáng)度越大材料在納米尺度下表現(xiàn)出強(qiáng)烈的的尺度

6、效應(yīng)本章主要內(nèi)容所以，我們學(xué)習(xí)硬度這章是很有必要的！1.介紹各種硬度的試驗(yàn)原理和方法。包括靜態(tài)壓痕、動態(tài)壓痕、劃痕等宏觀硬度等。2.顯微硬度3. 納米硬度4.介紹材料的尺度效應(yīng)及其對硬度的影響4.2 宏觀靜態(tài)壓痕硬度布氏硬度洛氏硬度維氏硬度一、試驗(yàn)原理和方法用一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面，并在規(guī)定載荷下保持一定的時(shí)間后卸除壓力，于是在試件表面留下壓痕，測量壓痕的直徑或是壓痕深度則可以計(jì)算出壓痕面積，單位壓痕表面積上所承受的平均壓力即定義為布氏硬度值，單位為千克力毫米2 步驟一：選擇壓頭，壓力并加載步驟二：保載一定的時(shí)間步驟三：卸載，測量壓痕直徑和寬度一、試驗(yàn)原理和方法步驟四：

7、計(jì)算出壓痕的面積得出材料的布氏硬度值PDdh布氏硬度的計(jì)算公式球冠面積：布氏硬度值S淬火鋼球W硬質(zhì)合金球壓頭直徑mm載荷大小kgf載荷作用時(shí)間,為1015s時(shí)，不進(jìn)行標(biāo)注上式表示用10mm的淬火鋼球壓頭，3000kgf的載荷作用30s時(shí)，測得的布氏硬度為150布氏硬度的表示方法布氏硬度試驗(yàn)方法測定材料硬度的理想情況：使用同一壓頭壓入同一試樣，當(dāng)變換載荷時(shí)，壓痕面積會有變化，但單位面積上的抗力應(yīng)是相同的，即布氏硬度值應(yīng)為常數(shù)。PP or nPDnDd是變化的二、布氏硬度的相似原理對于不同材料的試樣，當(dāng)變換鋼球和載荷時(shí)，應(yīng)該有相同的差值，保證不同材料間的相互可比性。布氏硬度試驗(yàn)方法測定材料硬度的理

8、想情況：PnP二、布氏硬度的相似原理隨載荷增大測量出的硬度值經(jīng)歷了微小增大、不變、再變小的過程布氏硬度試驗(yàn)方法測定同一材料硬度的實(shí)際情況：這一現(xiàn)象使得布氏硬度測量造成了：情況1：同一材料，壓頭直徑和載荷變化時(shí)硬度值不為定值 情況2：不同材料，壓頭直徑和載荷變換時(shí)，硬度差值也不為定值，使得不同材料具有可比性二、布氏硬度的相似原理應(yīng)取硬度值不隨載荷變化而變化的區(qū)域，這樣變化載荷時(shí)，硬度值不變。二、布氏硬度的相似原理解決辦法：在這段區(qū)域，壓頭的直徑和壓痕直徑滿足關(guān)系式一般我們選擇中間值此時(shí) 壓入角二、布氏硬度的相似原理現(xiàn)在，我們在保證硬度不變的區(qū)域?qū)ν环N材料，用不同直徑的壓頭并施加不同的載荷來進(jìn)行

9、布氏硬度測試，此時(shí)選擇：即此時(shí)壓入角得到如右圖的兩個(gè)具有相同壓入角和不同直徑的壓痕，因?yàn)閴喝虢窍嗤?，這兩個(gè)壓痕幾何相似。根據(jù)布氏硬度值的定義：由圖可知：二、布氏硬度的相似原理如圖當(dāng)變換壓頭直徑和載荷，分別用作用時(shí)，壓頭直徑分別是、壓痕直徑分別是、兩種情況下的布氏硬度值為二、布氏硬度的相似原理對于同一種材料，布氏硬度值應(yīng)該相等即則有為保證不同硬度的材料能得到相同的壓入角，滿足規(guī)定了7種不同的 值二、布氏硬度的相似原理布氏硬度的K值選擇表材料布氏硬度K鋼及鑄件14030銅及其合金13030輕金屬及其合金801鉛、錫1.25三、布氏硬度的測定方法用布氏硬度方法測定材料的硬度時(shí)：1.首先應(yīng)根據(jù)試樣的厚

10、度選擇合適的壓頭和載荷。試件的厚度至少應(yīng)為壓痕深度的10倍。當(dāng)試樣厚度足夠時(shí)，應(yīng)盡可能選擇直徑10mm的壓頭。然后再根據(jù)材料及其硬度值范圍根據(jù)K表選擇合適的K值。從而算出載荷值。 試驗(yàn)后，應(yīng)該校核是否滿足關(guān)系式。如果不滿足，應(yīng)該重新選擇載荷重做試驗(yàn)。黑色金屬有色金屬維氏硬度小于35的材料三、布氏硬度的測定方法2. 對試件施加載荷。此時(shí)應(yīng)保證載荷與材料表面垂直，載荷應(yīng)均勻，不得有沖擊和振動。 3. 在載荷作用下保持一定的時(shí)間。不同材料類型，載荷保持時(shí)間不一樣，原則是軟材料因?yàn)榘l(fā)生長時(shí)間的塑性變形，其保載時(shí)間應(yīng)該長。一般規(guī)定：壓頭直徑大、施加載荷大、壓痕面積大。能反映出較大范圍內(nèi)材料各組成相的綜合

11、平均性能不受個(gè)別相和微區(qū)不均勻性的影響。三、布氏硬度的特點(diǎn)和應(yīng)用布氏硬度的特點(diǎn)：具有粗大晶粒或粗大組成相的材料，如灰鑄鐵、軸承合金。特別是對于較軟的金屬，如純鋁、鉛、錫，測定的硬度非常準(zhǔn)確 三、布氏硬度的特點(diǎn)和應(yīng)用適用范圍：優(yōu)點(diǎn)：分散性小，重復(fù)性好缺點(diǎn)： 壓痕較大 測定壓痕直徑耗時(shí)耗力 壓頭本身變形不能忽略 不適用范圍：零件表面的硬度測試， 薄壁件或表面硬化層的硬度測試、 大批量樣品的硬度測試 三、布氏硬度的特點(diǎn)和應(yīng)用將壓頭在一定壓力下壓入被測材料的表面，直接測量壓痕深度，根據(jù)壓痕深度定出材料的硬度 。壓痕越深則硬度值越低，反之則硬度值越高。一、洛氏硬度的測量原理和方法將主載荷去除，若試件表面

12、的壓痕完全回復(fù)，此時(shí)硬度值為k將主載荷去除后，試件表面的壓痕深度為h，此時(shí)硬度值為式中0.002表示一個(gè)洛氏硬度單位，K是一個(gè)與壓頭類型有關(guān)的無量綱常數(shù)(為金剛石圓錐壓頭時(shí)k100，為淬火鋼球壓頭時(shí)k130)。一、洛氏硬度的測量原理和方法一、洛氏硬度的測量原理和方法洛氏硬度試驗(yàn)常用的壓頭有兩類： 即頂角為120度的金剛石圓錐體和直徑為1.588mm的鋼球壓頭。采用不同壓頭并施加不同的壓力，可以組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺。生產(chǎn)上常用的為A，B和C三種標(biāo)尺。其中又以標(biāo)尺C用得最普遍。用這三種標(biāo)尺測得的硬度分別記為HRA，HRB，HRC。 如： 60HRA表示用A標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為60。洛氏硬度的不

13、同標(biāo)尺及應(yīng)用標(biāo)尺硬度符號壓頭類型初始載荷(kgf)主載荷(kgf)總載荷(kgf)測量硬度范圍應(yīng)用舉例AHRA頂角為120的金剛石圓錐體 1050602088硬質(zhì)合金、硬化薄鋼板、表面薄層硬化鋼 BHRB直徑為1.588mm 的鋼球 9010022100低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵 CHRC頂角為120的金剛石圓錐體1401502070淬火鋼、高硬度鑄件、珠光體可鍛鑄鐵 一、洛氏硬度的測量原理和方法a) 加預(yù)載荷，如圖a，此時(shí)測得壓入表面的深度為h2b) 加主載荷，測得壓入表面的深度為h3c) 卸除主載荷但保留預(yù)載荷，測得壓入表面的深度為h1殘余深度h=h1-h2，代入即可求出洛氏硬度值洛氏

14、硬度的測量過程以C標(biāo)尺為例：洛氏硬度思考題：為什么用金剛石圓錐和鋼球壓頭時(shí)，K值分別取100或130答：當(dāng)壓頭為金剛石圓錐體時(shí)，因?yàn)橐?guī)定用于測量較硬的材料，一般不會出現(xiàn)壓入深度為0.2mm，而使硬度值為零。當(dāng)壓頭為鋼球，多用于測量較軟的金屬，壓入深度較深，有時(shí)可能達(dá)到0.2mm ，甚至更多。若K值定為100時(shí)，硬度值會等于零或甚至出現(xiàn)負(fù)值。為避免出現(xiàn)上述情況，將用鋼球壓頭的洛氏標(biāo)尺值定為130。故此時(shí)的洛氏硬度值為洛氏硬度的測量方法1.選擇合適的標(biāo)尺一般選用C標(biāo)尺A標(biāo)尺:堅(jiān)硬或薄的材料，這是因?yàn)閷τ趫?jiān)硬材料而言，如果此時(shí)采用C標(biāo)尺，由于主載荷過大可能會損壞金剛石壓頭，而如果材料比較薄，主載荷過

15、大會造成壓入深度較深，使得測量結(jié)果不準(zhǔn)確。B標(biāo)尺:則不適合測量過軟或是過硬的材料，由于軟金屬(HRB100)鋼球壓入深度過淺，這樣都會影響測量精度。一般HRB100的材料可以用C標(biāo)尺測定 洛氏硬度的測量方法2.試件的要求試件表面應(yīng)平坦，無裂縫以及無明顯的加工痕跡和凹坑。加載必須平穩(wěn)無沖擊，不應(yīng)有附加振動，加載時(shí)間一般為46s，加入總載荷后，在表盤指針旋轉(zhuǎn)顯著變慢時(shí)，對于中等硬度的材料應(yīng)于2s后平穩(wěn)的卸除主載荷，對于較硬的金屬可立即卸除主載荷而不會影響試驗(yàn)結(jié)果，對于較軟的金屬，主載荷加上后，指針繼續(xù)緩慢移動，說明深度緩慢加深，則允許用較長的保持載荷時(shí)間，如1060s。 3.載荷以及加載時(shí)間的要求

16、洛氏硬度的測量方法4.曲面試件的修正圓柱面:球面:優(yōu)點(diǎn)和適用范圍：硬度值可從硬度機(jī)的表盤上直接讀出，簡便迅速，工效高，適用于成批生產(chǎn)其使用負(fù)荷較小，所產(chǎn)生的壓痕與布氏硬度試驗(yàn)相比也較小，因而對試件沒有明顯損傷，可用于半成品和成品檢驗(yàn) 洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用 ；因加有預(yù)載荷，可以消除表面輕微的不平度對試驗(yàn)結(jié)果的影響洛氏硬度測定時(shí)采用金剛石或鋼球作壓頭，不同的主載荷，可根據(jù)材料的軟硬加以選用 洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用 不同標(biāo)尺間測得的數(shù)值無法進(jìn)行相互比較 ；缺點(diǎn)和不適用范圍： 由于壓痕小，所以洛氏硬度對材料組織不均勻性很敏感； 測試結(jié)果比較分散，重復(fù)性差，因而不適用具有粗大、不均勻組織材料的硬度

17、測定洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用表面洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)所用的載荷較大，不宜于測量較薄或經(jīng)表面熱處理以及化學(xué)熱處理后試樣的表面硬度. 發(fā)展了表面洛氏硬度特點(diǎn)：原理與洛氏硬度相同 預(yù)載荷減小為3kgf 硬度單位由0.002mm改為0.001mm 壓頭類型與洛氏硬度相同 總載荷減小表面洛氏硬度計(jì)算表達(dá)式：其中K=100表面洛氏硬度表面洛氏硬度的不同標(biāo)尺及應(yīng)用標(biāo)尺硬度符號壓頭類型初始載荷(kgf)主載荷(kgf)總載荷(kgf)測量硬度范圍應(yīng)用舉例15N HR15N 頂角為120的金剛石圓錐體312137090滲碳鋼、滲氮鋼、極薄鋼板、刀刃、零件邊緣部分、表面鍍層30NHR30N2730428645NH

18、R45N4245207715T HR15T 直徑為1.588mm的鋼球12136793低碳鋼、銅合金鋁合金薄板等30THR30T2730298245THR45T42451721.洛氏硬度 45表示硬度值； 45HRA HR表示洛氏硬度； A表示標(biāo)尺。2.表面洛氏硬度 45表示硬度值； 45HR30N HR表示洛氏硬度； 30表示總載荷(kgf)； N表示壓頭類型。表面洛氏硬度維氏硬度的測定原理和方法實(shí)驗(yàn)原理:維氏硬度試驗(yàn)法是用面角為136度的金剛石角錐體作壓頭，在一定的靜載荷作用下，壓入試樣的表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測量恢復(fù)后的壓痕對角線長度，計(jì)算出壓痕凹印面積，求出單位面積上承受的載荷

19、大小，即為維氏硬度值。 維氏硬度的計(jì)算表達(dá)式：P維氏硬度值載荷大小kgf載荷作用時(shí)間s維氏硬度符號注意：維氏硬度的載荷不是任意的，一般是5kgf，10kgf，20kgf，30kgf，50kgf，100kgf共6種。當(dāng)硬度值500HV時(shí)，不采用50kgf以上的載荷，以防損壞壓頭維氏硬度的表示方法要求：試件的厚度為壓痕 平均直徑的1.5倍選擇方法：a.已知試件厚度和預(yù)期硬度參考右圖b. 厚度未知 按從小到大加載，若載荷增加，硬度明顯降低，則采取較小的載荷，直到兩相鄰載荷得出相同結(jié)果為止c. 厚度較厚 盡可能的選擇大載荷d. 薄試件 選用小載荷維氏硬度的試驗(yàn)方法維氏硬度與布氏硬度的比較試驗(yàn)原理相同，

20、都是在一定的載荷作用下將壓頭壓入材料表面，保持一定的時(shí)間，用載荷與壓痕面積的比值表示其硬度值。當(dāng)材料的硬度小于450HV時(shí)，維氏硬度值與布氏硬度值大致相同 1.采用四方角錐體壓頭，不同載荷作用下的壓痕幾何相似 硬度值均相同，不受布氏法中載荷P和壓頭D條件的約束 2.測量范圍較寬，也不存在洛氏硬度法中不同標(biāo)尺的硬度 無法統(tǒng)一的問題 3. 壓痕為一輪廓清晰的正方形，其對角線長度易于精確測量，故精度較布氏法的高 維氏硬度的特點(diǎn)特別適用于表面強(qiáng)化處理后的制件或試樣，如氮化、滲碳、滲釩、滲硼、三元共滲以及各種鍍層試樣的表層硬度測定。測定表面硬化層以及儀表零件等的硬度維氏硬度的適用范圍壓頭加工難度大, 壓

21、頭材料金剛石較昂貴 缺點(diǎn)：需要通過印痕測量后才可以計(jì)算或查表得到硬度值，其效率較洛氏硬度法低 維氏硬度的缺點(diǎn)和不適用范圍動態(tài)壓痕法測材料的硬度肖氏硬度 錘擊式布氏硬度 動力法測材料的硬度是指測試時(shí)，以具有一定動能的壓頭壓到材料表面上，通過回跳高度或壓痕面積來計(jì)算材料的硬度。動力法測定的硬度反映了材料的彈性變形的能力。 以一定重量的沖頭，從一定高度自由下落到試樣表面，沖頭回跳，將回跳高度作為硬度的量度。肖氏硬度的試驗(yàn)原理和測量方法h自由落下h回跳沖頭類型： 鑲金剛石圓柱體、鋼球C型肖氏硬度計(jì)，即帶刻度標(biāo)尺 屬目測型 D型肖氏硬度計(jì)，即帶圓盤刻度，屬指示型 肖氏硬度的試驗(yàn)原理和測量方法硬度計(jì)算表達(dá)

22、式:肖氏硬度的試驗(yàn)原理和測量方法肖氏硬度試驗(yàn)時(shí)，要求試件表面光潔度不小于8。試件的試驗(yàn)面應(yīng)為平面，兩面平行。試樣的厚度不應(yīng)小于2mm，否則會因試件整體的彈性或塑性變形等因素影響測量的準(zhǔn)確性。對于較薄的試件，可以用瀝青或焊錫等將試件固定在質(zhì)量為400克以上的鋼塊上進(jìn)行試驗(yàn) 肖氏硬度試驗(yàn)條件和方法:不足：與靜態(tài)試驗(yàn)法相比準(zhǔn)確性較差，數(shù)值波動幅度較大； 對彈性系數(shù)相差大的材料其結(jié)果不能相互比較。 對大型制件，因難于保證制件的光潔度和沖頭的垂直 下落，試驗(yàn)結(jié)果誤差較大 肖氏硬度的特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：肖氏硬度計(jì)是一種輕便的手提式硬度計(jì)，便于流動性 工作和巡回檢測，而且操作方便、結(jié)構(gòu)簡單，測試效 率高。一、試

23、驗(yàn)原理和測量方法依靠人力錘擊硬度計(jì)，將硬度計(jì)中淬過火的特制鋼球同時(shí)壓入試樣和標(biāo)準(zhǔn)硬度桿的表面，通過兩者壓痕直徑比例關(guān)系來計(jì)算出硬度值試樣硬度標(biāo)準(zhǔn)桿硬度顯然捶擊式布氏硬度優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備體積小、結(jié)構(gòu)簡單，攜帶和使用方便，造價(jià)低廉缺點(diǎn)：試件與標(biāo)準(zhǔn)桿的彈性不可能完全相同，且試驗(yàn)中由于 不同金屬的軟硬程度不同，有時(shí)不能滿足布氏試驗(yàn)法中 P和D的比值關(guān)系，因此試驗(yàn)誤差比較大捶擊式布氏硬度的特點(diǎn)適用范圍：不能用普通硬度計(jì)試驗(yàn)的大型制件，如機(jī)架、大 鍛件、已組裝在設(shè)備上的小零件以及倉庫儲存的 原材料或制件等。如鋼廠供應(yīng)狀態(tài)下的鋼材、淬 火并經(jīng)過高溫回火后的鋼制零件、鑄鐵制件、銅、 鋁、鎂及其合金和各種鉛、錫合金等

24、不適用條件：因其壓頭為淬火鋼球，故不適合測試淬火后的 高硬度制件 捶擊式布氏硬度的應(yīng)用劃痕法測材料的硬度莫氏硬度馬爾頓斯滑痕硬度莫氏硬度：以材料抵抗刻劃的能力作為衡量硬度的依據(jù).依據(jù)：選定十種不同礦物，從軟到硬分為十級 如果一種材料不能用硬度標(biāo)號為n的礦物刻劃出劃痕，而只能用硬度標(biāo)號為n+1的礦物刻劃出劃痕時(shí)，它的硬度就在此兩種硬度標(biāo)號之間，即為n+1/2級 方法：莫氏硬度的試驗(yàn)原理和方法莫氏硬度的等級劃分礦物名稱硬度礦物名稱硬度礦物名稱硬度滑石 1磷灰石 5黃玉 8石膏（或巖鹽） 2長石 6剛玉 9方解石 3石英 7金剛石 10螢石 4莫氏硬度將標(biāo)準(zhǔn)壓頭在一定的載荷作用下壓入被測物體表面內(nèi)，

25、然后使壓頭移動，則在金屬表面刻出一條劃痕。硬度值是用某一定的載荷下劃痕的寬度或用刻劃出一定寬度的劃痕所需的載荷來表示。 計(jì)算公式：用具有錐角的金剛石錐體，刻劃出寬10um的刻劃所需的載荷為硬度的量度 或馬爾斯頓劃痕硬度的試驗(yàn)原理和方法馬爾斯頓劃痕硬度的試驗(yàn)原理和方法 在進(jìn)行馬斯?fàn)栴D斯劃痕硬度試驗(yàn)時(shí)，過去一般分為兩個(gè)步驟：即劃出劃痕以及在顯微鏡下測量劃痕的寬度?，F(xiàn)在多是在顯微硬度計(jì)上附帶專用的劃痕壓頭，可劃后隨即在顯微硬度計(jì)上進(jìn)行測量。 關(guān)于刻劃寬度的測量，應(yīng)注意由于劃痕硬度試驗(yàn)時(shí)首先要產(chǎn)生大的塑性變形，劃痕量便會產(chǎn)生凸緣。在測量時(shí)，不應(yīng)測量劃痕的凸緣c和外邊緣d，而應(yīng)測量真實(shí)劃痕的寬度b 。劃

26、痕橫截面圖bcdAB劃痕產(chǎn)生過程的應(yīng)力分析1.垂直壓力和壓頭施加在試件表面上，壓頭壓入深度為hc2.當(dāng)進(jìn)行刻劃時(shí)除垂直壓力外P，還對壓頭施加一水平側(cè)壓力即切應(yīng)力Ph，此時(shí)錐體受到的合力與錐體表面的法線呈角3.若切應(yīng)力增加到使角大于摩擦角時(shí)，由于克服了摩擦阻力，則圓錐體開始沿表面滑動升起?？毯圻^程示意圖hchPPhb0bABPhP6.不論金屬原來是否已存在形變硬化以及形變硬化程度的大小如何，對劃痕的深度和寬度都是無關(guān)的。劃痕深度和寬度只和金屬最后剪切破壞抗力有關(guān)，即與變形外因無關(guān)而只與該種金屬材料的本質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。這正是劃痕硬度不同于其它硬度的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)之一。 劃痕產(chǎn)生過程的應(yīng)力分析4.圓

27、錐體升起后，它和金屬的接觸面減小，由所引起的單位面積上的壓力增大，在側(cè)向產(chǎn)生擠壓使金屬發(fā)生塑性形變，同時(shí)產(chǎn)生形變硬化效應(yīng)。5.當(dāng)外力達(dá)到被試材料破壞強(qiáng)度時(shí)，金屬即開始由剪切面發(fā)生切斷式破壞。此時(shí)，金剛石錐體逐漸開始在水平方向向前移動，在金屬表面形成深度為h，寬度為b的劃痕。劃痕硬度和真實(shí)斷裂強(qiáng)度的強(qiáng)度根據(jù)H.H. 達(dá)維科夫的研究，對于鉛、銅、鋼及某些其它合金有下列的關(guān)系： 如果采用普通洛氏硬度計(jì)上的頂角為120度的金剛石圓錐，在8kgf的載荷下作劃痕試驗(yàn)時(shí)，則依下式計(jì)算： 劃痕硬度和斷面收縮率的關(guān)系用洛氏硬度試驗(yàn)的金剛石圓錐體做壓頭，進(jìn)行劃痕硬度試驗(yàn)時(shí)，拉伸斷面收縮率與劃痕寬度對于鋼有如下關(guān)系

28、：(1)被測金屬在拉伸時(shí)有明顯縮頸現(xiàn)象出現(xiàn)；(2)試驗(yàn)時(shí)被測金屬的溫度應(yīng)低于金屬硬化效應(yīng)顯著消除時(shí)的溫度；(3)試件表面劃痕應(yīng)是切斷方式破裂。 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系正確的前提：1.顯微硬度的緣由壓入法測材料的硬度顯微硬度顯微硬度布氏硬度維氏硬度洛氏硬度能反映材料的綜合性質(zhì)效率高精確度低壓頭和載荷不能任意選取載荷大，只能是平均值，不能測量小尺度材料的硬度一、顯微硬度測量原理與布氏硬度和維氏硬度測量原理一樣，以載荷和壓痕面積的比值來標(biāo)定材料的硬度壓頭類型136的角錐四面體金剛石壓頭顯微維氏硬度172.5的努氏壓頭努氏硬度顯微硬度二、努氏壓頭的特點(diǎn)1.長對角線是短對角線的7倍，壓痕細(xì)長，測量準(zhǔn)確2.壓痕的彈性回

29、復(fù)發(fā)生在短對角線，長對角線的可以忽略，故努氏硬度是無彈性回復(fù)的硬度3.在同一壓痕上可測量菱形的短對角線長度和長對角線，借助它們的比值關(guān)系可以定性的判斷材料的彈性和塑性情況 4.壓痕周圍脆裂的傾向性小 ，能測量如玻璃、瑪瑙和一些礦石以及其它脆性材料的硬度 顯微硬度三、顯微硬度的特點(diǎn)和應(yīng)用應(yīng)用：特別適合于評定細(xì)線材的加工硬化程度，研究磨削時(shí)燒傷情況和由于摩擦、磨損或者由于輻照、磁場和環(huán)境介質(zhì)而引起的材料表面層性質(zhì)的變化，檢查材料化學(xué)和組織結(jié)構(gòu)上的不均勻性。還可利用顯微硬度測定疲勞裂紋尖端塑性區(qū) 顯微硬度特點(diǎn)：載荷小，產(chǎn)生的壓痕極小，幾乎不損壞試件，靈敏度高，便于測定微小區(qū)域內(nèi)的硬度值。納米硬度納米

30、材料的發(fā)展電腦尺寸越來越小，使用越來越方便納米硬度表面工程技術(shù)發(fā)展使得試樣尺寸和改性表面厚度越來越小熱障涂層鍍鎳涂層納米硬度典型的幾種納米結(jié)構(gòu)：納米線，納米顆粒納米硬度納米材料的發(fā)展對硬度測試提出了新的要求，傳統(tǒng)的硬度技術(shù)即使是采用透射電子顯微鏡等高精度儀器也只能測得壓深不小于10um情況下的硬度，不能滿足納米技術(shù)的要求。 使得納米硬度技術(shù)的發(fā)展成為必然目前常用的納米硬度技術(shù)有：納米壓痕硬度以及納米劃痕硬度將一定形狀的壓頭在一定壓力的作用下壓入被測材料表面，并測試壓頭在壓入材料和卸載過程中的壓力和壓入深度的關(guān)系，通過壓深和壓頭的形狀計(jì)算壓痕面積，從而計(jì)算材料的硬度，這種方法也稱為深度硬度測試法

31、。 納米壓痕硬度的測量原理和方法納米壓痕硬度的測量原理和方法壓頭回彈反映了材料的彈性性質(zhì)壓痕則反映了材料的塑性結(jié)論：材料在壓頭壓力的作用下不僅要發(fā)生塑性變形而且還會發(fā)生彈性變形，彈塑性材料的加載過程可以看成彈性變形和塑性變形的疊加 納米壓痕硬度的測量原理和方法壓頭壓入材料的深度為塑性變形深度hp和彈性變形he深度兩部分的和 。載荷與變形的特征關(guān)系：純彈性材料載荷：純塑性材料載荷：壓痕深度的平方正比彈塑性材料加載過程中的載荷與壓頭壓深的平方成正比，加載曲線是一條近似拋物線的曲線。卸載時(shí)，塑性部分不再恢復(fù)，彈性變形部分彈性恢復(fù)。卸載曲線也為拋物線曲線。納米壓痕硬度的計(jì)算方法腳周圍的海綿包也發(fā)生變形

32、壓痕周圍也發(fā)生變形，壓痕周圍形成一個(gè)凸(凹)肩 這樣在計(jì)算壓痕面積時(shí)不能簡單的用殘余深度來計(jì)算，與宏觀硬度的最大區(qū)別納米壓痕硬度的計(jì)算方法經(jīng)驗(yàn)公式：Oliver-Pharr方法 載荷與位移的關(guān)系擬合 為一指數(shù)關(guān)系式中，B，m為擬合參數(shù)。彈性接觸韌度便可以根據(jù)上式的微分計(jì)算出 Griffin提出通過卸載曲線外推并進(jìn)行修正的方法來獲取等效壓深 ：納米壓痕硬度的計(jì)算方法此處 是一與壓頭形狀有關(guān)的常數(shù)。納米硬度計(jì)算表達(dá)式：H為材料的納米硬度值，單位為GPa； Pmax為最大載荷，單位為uN；A為有效壓深下的投影面積，單位為um2；he為有效壓痕深度，單位為um；K為與材料即壓頭參數(shù)有關(guān)的常量。 納米劃

33、痕硬度的實(shí)驗(yàn)原理納米劃痕硬度與普通劃痕硬度一樣，是壓頭在法向和切向上的載荷作用下以一定的速度在試樣表面滑過，通過測量刻劃后的殘余壓痕深度與壓痕寬度來計(jì)算材料的硬度。不同的是壓頭載荷比較小，一般為1-100mN。 納米劃痕硬度的計(jì)算方法納米劃痕硬度的計(jì)算可以有三種方法 ：(1)是用壓頭上的正應(yīng)力與壓頭和試樣接觸面積在軸向投影的比值；(2)是用壓頭上正應(yīng)力與壓頭和試件接觸面積之比；(3)是壓頭運(yùn)動所作的功與劃痕殘余變形體積的比。 目前常用的是第一種，即納米劃痕硬度的計(jì)算方法經(jīng)過換算最終可以把劃痕硬度表示為一個(gè)正壓力和劃痕寬度有關(guān)的物理量。即其中：A是與壓頭幾何形狀有關(guān)的特性常數(shù)，P為加在壓頭上的載

34、荷，b為試件上殘余劃痕的寬度。 納米劃痕技術(shù)的特點(diǎn)劃痕計(jì)的法向力和壓痕深度由高分辨率的壓痕計(jì)提供，同時(shí)可以記錄勻速移動試樣臺的位移，使壓頭能精確的在試樣表面刻劃，同時(shí)也能高分辨的測量出切向力的大小。這使得納米劃痕技術(shù)在研究材料的摩擦性能、斷裂性能以及涂層和薄膜與基底間的結(jié)合強(qiáng)度方面有著廣泛的應(yīng)用。主要針對研究材料抵抗正應(yīng)力為小載荷如1100mN范圍內(nèi)的刻劃能力設(shè)計(jì)，通常與納米壓痕硬度計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)合二為一。納米劃痕試驗(yàn)時(shí)，其法向載荷除了可以保持一定外，還可以以步進(jìn)和連續(xù)這兩種方式增加，直到涂層和薄膜破壞，并將造成破壞的最小法向載荷稱為臨界載荷，并以臨界載荷作為結(jié)合強(qiáng)度的度量。硬度與其它力學(xué)性能之間的

35、關(guān)系硬度與強(qiáng)度之間的關(guān)系硬度和斷裂韌性的關(guān)系硬度是獨(dú)立的力學(xué)性能？否問題：存在上述問題的原因分析：硬度試驗(yàn)方法簡單硬度與強(qiáng)度之間的關(guān)系硬度是物理常數(shù)？否硬度是否是材料的重要參數(shù)？是硬度是材料的力學(xué)性能的綜合反應(yīng)硬度與其它力學(xué)性能如強(qiáng)度關(guān)系密切硬 度強(qiáng) 度材料的兩個(gè)基本指標(biāo)操作簡單、迅速、不損壞零件。但沒有明確的物理意義決定著材料的使用價(jià)值，但測試?yán)щy 且浪費(fèi)材料建立二者的聯(lián)系必要？硬度與強(qiáng)度之間的關(guān)系硬度與強(qiáng)度之間的關(guān)系寶貴的書籍因?yàn)閹еR的魅力和價(jià)值吸引著大家同樣，硬度和強(qiáng)度之間關(guān)系的實(shí)用性和前景也吸引著研究者們和國際政府的重視。從三十年代以來，以及經(jīng)建立了幾十種關(guān)系表。硬度與強(qiáng)度之間的關(guān)

36、系材料力學(xué)教材多種多樣，但有共同點(diǎn)和各自的特色我們應(yīng)找到硬度與強(qiáng)度關(guān)系表的共同點(diǎn)并建立適合自己的特色。硬度與強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系共同點(diǎn)：常見的關(guān)系式一些金屬材料的經(jīng)驗(yàn)換算公式： (1) 灰鑄鐵： ； (2) 鑄鋼： S為壓痕邊長，D為壓痕對角線長度硬度與強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(3) 有色金屬： 材料K值材料K值鋁0.27銅0.55鉛0.29鋁、黃銅0.48錫0.29鋅合金鑄件0.09硬度與強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系我國在建立硬度與強(qiáng)度關(guān)系表方面的發(fā)展：最早沒有自己的關(guān)系表，而借鑒外國。1973年建立了“黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值”。1982年建立了我國自己的“鋁合金硬度與強(qiáng)度換算值”標(biāo)準(zhǔn)，“銅合金硬度與強(qiáng)度換

37、算值”標(biāo)準(zhǔn)。？不適用國內(nèi)的材料和硬度測量標(biāo)準(zhǔn)。硬度與斷裂韌性之間的關(guān)系斷裂韌性是材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)。但是斷裂韌性測試卻非常困難。建立硬度與斷裂韌性之間的關(guān)系也是科學(xué)家們努力的重要方面?？上ЫY(jié)果卻很少結(jié)論：硬度越大，斷裂韌性越低不同材料無法比較硬度與斷裂韌性之間的關(guān)系材料硬度斷裂韌性AlMgSi1121200AlZnMgCu16075039CMnV1397001300氧化鋯1000380鐵碳化鈦1300800硬脂合計(jì)K1017001100氧化鉬2300110某些材料的硬度和斷裂韌性結(jié)論：沒有直接的關(guān)系材料的尺度校應(yīng)及其對硬度的影響尺度效應(yīng)應(yīng)變梯度理論對硬度尺度效應(yīng)的解釋 表面自由能對硬度尺度效應(yīng)的影響 尺度效應(yīng) Fleck等(1994)在細(xì)銅絲的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中觀察到：當(dāng)銅絲的直徑為12m時(shí)，無量綱的扭轉(zhuǎn)硬化增加至170m直徑時(shí)的3倍 鎢