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金属力学性能刘文娟2014年春南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系2本章内容1.硬度及其意义2.布氏硬度3.维氏硬度4.洛氏硬度5.硬度测量操作要点6.金属的硬度与强度的关系南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系31.硬度及其意义1、硬度表征材料软硬程度的一种性能,随试验方法的不同，物理意义不同。2、硬度的种类压入法：布氏硬度、洛氏、维氏、普氏等。表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。应力状态软性系数最大，α2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。刻划法：莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。回跳法：肖氏硬度。表征金属弹性变形功的大小。同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一材料进行标定。南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系41.硬度及其意义硬度测试过程中压痕区域材料发生弹性变形、塑性变形甚至断裂；压痕区域材料的力学行为复杂，反映了材料弹塑性变形以及加工硬化能力；硬度试验较简便，工程上多作为经验数据使用，如鉴别材料和工艺好坏；硬度数据与其它力学性能指标存在一定关系，如与抗拉强度。原因在于硬度和抗拉强度都与大塑性变形抗拉有关。南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系51.硬度及其意义表面渗氮处理齿轮南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系62.布氏硬度原理用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力。试样表面留下压痕。力除以压痕球形表面积的商就是布氏硬度。压头：淬火钢球；或硬质合金钢球南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系72.布氏硬度其中P为施加的压力；D为钢球直径；d为球冠直径HB的单位是Kgf/mm2。上面的式子中，，当P/D2确定时，张角也就唯一确定，从而HB也唯一确定。为了保证对同一材料，测量的HB相同，那么必须满足：也就是两次测量在几何上是相似的，这就是布氏硬度测量的相似性原理。南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系82.布氏硬度问题：选择多大的？•大，那么压痕深；否则，压痕浅。•对于布氏硬度测量，希望硬度不要太深，也不要太浅。因此对硬的材料，大一些，对软的材料，小一些。•试验表明，压痕太深、太浅测量结果稳定性都不好，大量试验表明，在下面的试验条件下，测量结果最为稳定：••当ψ=44.5°，测试结果最好2PD2PD2PD2PD南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系9布氏硬度试验规程试样厚度:样品厚度一般要远大于压痕深度,载荷较大，样品要厚。P/D2：样品硬度高，P/D2要大载荷保持时间：压头压入材料后，材料的塑性变形需要时间，硬度越高，塑性往往越小，载荷保持时间可以越小南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系102.布氏硬度以钢（黑色金属）和铝合金（有色金属）为例，说明：1.为什么钢的P/D2取30，而铝的P/D2取10？2.为什么钢的载荷保持时间比铝的小？3.试样厚度与载荷大小的关系？南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系11布氏硬度数据表示方法•载荷、压头直径、保持时间是布氏硬度试验三要素。•150HBS10/1000/30表示：硬度150，S表示采用淬火钢球；10表示压头直径10mm，1000表示载荷为1000Kg，30表示载荷保持时间为30s。•200HBW10/3000/10表示：硬度200，硬质合金钢球；压头直径10mm，载荷3000Kg，载荷保持时间10s。南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系12布氏硬度试验查待测材料可能的硬度查手册选择试验标准，包括载荷、压头直径、保持时间等进行试验测试。尽可能选择较大载荷！！南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系13布氏硬度特点优点：•压痕面积大，反映较大范围内材料的硬度性能•试验数据稳定，重复性好，应用广泛•适用于晶粒粗大、相组成复杂、相尺寸较大的材料缺点：•为保证数据可靠，需根据材料的种类和试样的厚薄更换压头。d=0.24~0.6D•属有损检测，压痕较大，不能在成品表面进行检测•试验操作和压痕测量费时，工作效率低，不能连续检测，在大批量生产检验时不宜使用南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系14问题1：布氏硬度概念和测量原理是什么？答案：1）定义2）计算公式3）相似性原理南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系15问题2：以下表为例，说明布氏硬度的测量试验条件选择方法是什么？南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系16问题3：布氏硬度测量为什么要满足相似性原理？南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系17问题4：解释下面布氏硬度表示方法的意义1）150HBS10/1000/30；2）200HBW10/3000/10答案：1）硬度150，S表示采用淬火钢球；10表示压头直径10mm，1000表示载荷为1000Kg，30表示载荷保持时间为30s；2）硬度200，硬质合金钢球；压头直径10mm，载荷3000Kg，载荷保持时间10s南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系183.维氏硬度南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系193.维氏硬度α=136o的金刚石四棱锥体取α=136o与布氏硬度的计算方法相同。维氏硬度可分为宏观和显微观两种宏观：F=49.03～980.7N六级大载荷F=1.961～49.03N七级小载荷显微：F=98.07×10-3～1.961N五级南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系203.维氏硬度为什么选择136o？布氏硬度中，要求：当为44o时，其对角为136o。为什么维氏硬度测试不同的材料不需要更换压头？•维氏硬度测量时，压痕总是满足几何形状的相似性南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系213.维氏硬度特点只需要测试压痕对角线长度d，根据公式可以计算出硬度可以用于测量从软到硬的材料维氏硬度测试的数值可以直接比较理论上可以选择任意载荷但是具体测试时，希望压痕不要太浅，也不要太深，一般在5，10，20，30，50，100，120Kg选择合适的载荷南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系22显微硬度•载荷很小的维氏硬度，载荷大小从5g到200g•可以用于分析材料中某一个相的硬度，或者单个晶粒内的硬度•可以用于分析渗层中的硬度变化•可以用于鉴别不同的相，例如：组成相显微硬度奥氏体340~450铁素体150~250渗碳体750~980马氏体670~1200珠光体350~500Al2Cu560SiC1800~3500TiC2850~3200南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系23维氏硬度测试方法•根据材料种类、硬度选择合适的载荷、保压时间•测试压痕对角线直径•计算维氏硬度注意压痕形状需要在下图a中为最佳南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系24计算题1：在294.3N（30kgf）载荷下测定某钢材的维氏硬度。测得压痕对角线长度为0.454mm，计算该钢材的维氏硬度值。答案•把30kgf带入进行计算时：•把294.3N带入进行计算时：南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系254.洛氏硬度压头：圆锥角等于120°的金刚石圆锥体，或直径D＝1.588mm的淬火钢球南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系264.洛氏硬度南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系274.洛氏硬度上面的测量中，初始载荷10Kgf，主载荷140Kgf，得到的洛氏硬度称为HRC其它载荷组合可以扩展硬度测量范围，从而得到HRA，HRB，见下表：南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系28表面洛氏硬度洛氏硬度载荷较大，不能用来测量较薄渗层如渗碳层，或表面镀层的硬度，为此发展了表面洛氏硬度。表面洛氏硬度初始载荷为3Kgf，主载荷有12，27，42Kgf等南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系29洛氏硬度特点优点：•操作简便迅速，硬度值可以在设备上直接读出；•压痕较小，可在工件表面测量；•可测量软硬不同的材料硬度缺点：•压痕较小，代表性差•材料中有偏析或组织不均匀时，数据重复性差，分散度大•不同等级的洛氏硬度数据不具有可比性。如HRA，HRB，HRC数据不具有可比性。南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系30洛氏硬度的测量南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系315.硬度测量操作要点•压头和试样支撑架应当清洁并安装牢固；•测量表面应当清洁、干燥、光滑，没有氧化物•表面应当平坦，并与压头垂直•试样必须足够厚，厚度应当至少是压痕深度的10倍•两个压痕之间的间距应当是压痕直径的3～5倍•全部测试中的加载速率应保持一致•需要用标准硬度试块进行标定。标准硬度试块是经过特殊制备的金属样品，它的粗糙度、硬度和硬度均匀性都经过标定。南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系326.硬度与材料抗拉强度的关系金属的压入硬度与抗拉强度成正比例关系：•其中k为比例系数，不同金属材料的k值不同，同一种类的金属经过热处理后，硬度和强度发生变化，但k值基本保持不变；•经过冷变形后，金属材料的k值不再是常数；•钢铁材料的k大约是3.3•精确的强度数据要靠直接测量得到。南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系33硬度和材料抗拉强度之间具有上述比例关系的原因？核心：都反映材料的大塑性变形抗力南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系34问题5：今有下面工件需要测量硬度，说明采用那种方法较好？1）渗碳层的硬度分布；2）球墨铸铁；3）鉴别钢中的马氏体和残余奥氏体；4）仪表小黄铜齿轮；5）氮化层；答案：1）显微硬度；2）布氏硬度；3）显微硬度；4）维氏硬度；5）表面洛氏硬度南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系35问题6：用压入法测量硬度时，讨论如下情况造成的误差：1）过于接近试样端面；2）过于接近其它硬度测量点；3）试样太薄。答案：1）测量硬度偏小；2）测量硬度偏小；3）测量硬度偏小南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系36本章要点问题7：解释下面名词：布氏硬度；维氏硬度；显微硬度；洛氏硬度；表面洛氏硬度。1）压头；2）计算方法；南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系37问题8：说明维氏硬度与布氏硬度和洛氏硬度相比的优点和缺点。答案：维氏硬度采用的压头为四棱锥体，当载荷改变时，压入角恒定不变。因此载荷可以任意选择，而不存在布氏硬度那种载荷P和球体直径D之间关系的约束，由于四棱锥体压痕清晰，采用对角线长度计量，精确可靠。维氏硬度不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度能更好的测量薄件或薄层的硬度。维氏硬度试验的缺点是硬度值的测量比较麻烦，工作效率不如洛氏硬度稿，不宜用于成批生产的常规检验。南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系38387、其它硬度试验方法1.努氏硬度试验与显微维氏硬度相比有两点不同：(1)压头形状不同（图2-22），两个对面角不等的四棱锥金刚石压头，其对面角分别为172°30′和130°，所以试样上得到的是长、短对角线长度比（l/w）为7.11的棱形压痕；(2)硬度值不是试验力除以压痕表面积，而是除以压痕投影面积。努氏硬度（HK）试验由于压痕细长，而且只测量长对角线的长度，所以精确度较高，对于表面淬硬层或渗层、镀层等薄层区域的硬度测定以及渗层截面上硬度分布的测定较为方便。努氏硬度的表示方法如640HK0.1南京工业大学材料科学与工程学院金属材料与冶金工程系392.肖氏硬度和里氏硬度试验肖氏硬度（HS）的原理：将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征硬度值的大小，也称为回跳硬度。肖氏硬度的表示方法：如25HSC（目测型），51HSD（指示型）里氏硬度