第四章 材料的硬度及其尺度效应

2020/2/1712020/2/1724.1材料的硬度概论4.2宏观硬度4.5显微硬度4.6纳米硬度4.5材料的尺度效应及其对硬度的影响本章内容静态压入硬度：布氏，洛氏、维氏动态压入硬度：肖氏，动态布氏划痕硬度：努氏2020/2/173材料硬度的定义小孩用鸡蛋去碰铁盆的结果鸡蛋破了，铁盆无明显变化显然，铁盆比鸡蛋硬结论：铁盆的硬度比鸡蛋的硬度大2020/2/174材料硬度的定义结论：铁的硬度比铜的硬度要大将同样的力捶在铜片和铁片上凹痕无明显变化2020/2/175材料硬度的定义硬度是表示材料软硬程度的力学性能指标！硬度的定义？作用形式：某一物体抵抗另一物体产生变形能力的度量。变形形式：抵抗弹性变形、塑性变形和破坏的能力”或“材料抵抗残余变形和破坏的能力”2020/2/176硬度很容易被人理解，但是硬度却没有严格的定义，为什么？材料硬度的定义科学家们在思考，我们也应该思考2020/2/177测量硬度的基本知识：在测量固体材料硬度时，总是将一定形状和尺寸的较硬物体即压头以一定的压力接触被测材料表面，然后测量材料的变形来反映材料的硬度。这一试验过程中，哪些因素会影响材料的硬度呢材料硬度的特点2020/2/178材料硬度的特点影响因素之一：材料本身的特性，如杨氏模量、屈服强度、抗拉强度显然，材料本身是影响其硬度的关键因素硬度2020/2/179材料硬度的特点影响因素之二：测量本身的仪器条件：测量方法、压头类型、压力大小等大人和小孩分别坐在同一张沙发上，此时坐姿不同，重量不同，体积不同，沙发的变形量并不一定真实的反映了沙发的硬度试验条件不同，硬度不同2020/2/1710材料硬度的特点影响因素之三：测量方法不同，硬度的物理意义不同不仅取决于材料的成分和显微组织，还取决于测量的方法和条件。硬度不是一个物理常数是材料弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的综合性能指标。硬度不是材料独立的力学性能2020/2/1711材料的硬度试验按照载荷作用的方式：静态压痕硬度；动态压痕硬度；划痕硬度。2020/2/1712材料的硬度试验静态压痕硬度通过球体、金刚石锥体或其它锥体将载荷施加在被测材料上，使材料产生压痕，再根据施加载荷与所产生压痕面积或深度之间的关系，给出其硬度值静态压痕硬度反映了材料抵抗塑性变形的能力。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等2020/2/1713材料的硬度试验动态压痕硬度一个具有标准重量与尺寸的物体从某一高度下落到被测物体的表面，并从其表面弹起，根据其回弹高度来确定被测物体的硬度值。动态压痕硬度反映了材料的弹性性质。肖氏硬度等2020/2/1714材料的硬度试验划痕硬度在小曲率半径的硬质压头上施加一定的法向载荷，并使压头沿试样表面刻划，通过试样表面的划痕来评价其硬度。划痕硬度反映了材料的弹性性质。莫氏硬度、马尔顿斯划痕硬度等2020/2/1715材料的硬度试验宏观硬度：10N或2N以上；显微硬度：10mN以上，10N或2N以下；纳米硬度：700mN以下。按照压头压力的大小，可以将硬度分为：2020/2/1716材料硬度试验的特点综上所述：硬度没有科学的定义；硬度不是一个物理常数；硬度不是一个独立的力学性能指标；而且各种方法测量的硬度也不能直接比较。但是：硬度试验却是力学性能试验中最常用的一种方法！？2020/2/1717留在工件表面上的试验痕迹很小，试验后工件不被破坏试样不需要加工成特殊形状，不论大小、厚薄及形状，其硬度都可以由不同的方法来测定硬度试验方法简单、迅速材料硬度与其它力学性能有一定的关系。如硬度和强度的关系较为密切，一般说来，硬度越高，强度也越大材料硬度试验的特点2020/2/1718材料硬度试验的特点宏观介观微观10-8–10-6m10-7–10-4m10-3–10-2m现代材料的发展趋势：力学性能是一个与尺寸无关的常数力学性能与尺寸有很大的关系，如尺寸越小，强度越大材料在纳米尺度下表现出强烈的的尺度效应2020/2/1719本章主要内容所以，我们学习硬度这章是很有必要的！1.介绍各种硬度的试验原理和方法。包括静态压痕、动态压痕、划痕等宏观硬度等。2.显微硬度3.纳米硬度4.介绍材料的尺度效应及其对硬度的影响2020/2/17204.2宏观静态压痕硬度布氏硬度洛氏硬度维氏硬度2020/2/1721一、试验原理和方法用一定直径的淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，并在规定载荷下保持一定的时间后卸除压力，于是在试件表面留下压痕，测量压痕的直径或是压痕深度则可以计算出压痕面积，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值，单位为千克力／毫米22020/2/1722步骤一：选择压头，压力并加载步骤二：保载一定的时间步骤三：卸载，测量压痕直径和宽度一、试验原理和方法步骤四：计算出压痕的面积得出材料的布氏硬度值2020/2/1723PDdh布氏硬度的计算公式球冠面积：dhA2221dDDh][222dDDDPDhPAPHB2020/2/172430/3000/10150WHBS布氏硬度值S——淬火钢球W——硬质合金球压头直径mm载荷大小kgf载荷作用时间,为10～15s时，不进行标注上式表示用10mm的淬火钢球压头，3000kgf的载荷作用30s时，测得的布氏硬度为150布氏硬度的表示方法2020/2/1725布氏硬度试验方法测定材料硬度的理想情况：使用同一压头压入同一试样，当变换载荷时，压痕面积会有变化，但单位面积上的抗力应是相同的，即布氏硬度值应为常数。PPornPDnDd是变化的二、布氏硬度的相似原理2020/2/1726对于不同材料的试样，当变换钢球和载荷时，应该有相同的差值，保证不同材料间的相互可比性。布氏硬度试验方法测定材料硬度的理想情况：PnP1CHB2CHB21CC二、布氏硬度的相似原理2020/2/1727随载荷增大测量出的硬度值经历了微小增大、不变、再变小的过程布氏硬度试验方法测定同一材料硬度的实际情况：这一现象使得布氏硬度测量造成了：情况1：同一材料，压头直径和载荷变化时硬度值不为定值情况2：不同材料，压头直径和载荷变换时，硬度差值也不为定值，使得不同材料具有可比性二、布氏硬度的相似原理2020/2/1728应取硬度值不随载荷变化而变化的区域，这样变化载荷时，硬度值不变。DdD6.025.0Dd375.0二、布氏硬度的相似原理解决办法：在这段区域，压头的直径和压痕直径满足关系式一般我们选择中间值此时压入角442020/2/1729二、布氏硬度的相似原理现在，我们在保证硬度不变的区域对同一种材料，用不同直径的压头并施加不同的载荷来进行布氏硬度测试，此时选择：Dd375.0即此时压入角44得到如右图的两个具有相同压入角和不同直径的压痕，因为压入角相同，这两个压痕几何相似。2020/2/17302sinDd2sin11222DPHB根据布氏硬度值的定义：][222dDDDPAPHB由图可知：二、布氏硬度的相似原理2020/2/17312sin11222111DPHB2sin11222222DPHB如图当变换压头直径和载荷，分别用1P2P作用时，压头直径分别是1D、2D压痕直径分别是1d、2d两种情况下的布氏硬度值为二、布氏硬度的相似原理2020/2/1732对于同一种材料，布氏硬度值应该相等即21HBHB则有KDPDPDP2222211为保证不同硬度的材料能得到相同的压入角，满足DdD6.025.084231GB规定了7种不同的K值二、布氏硬度的相似原理2020/2/1733布氏硬度的K值选择表材料布氏硬度K钢及铸件1401014030铜及其合金35535－1301013030轻金属及其合金351.252.535－8051015801铅、锡1.252020/2/1734三、布氏硬度的测定方法用布氏硬度方法测定材料的硬度时：1.首先应根据试样的厚度选择合适的压头和载荷。试件的厚度至少应为压痕深度的10倍。当试样厚度足够时，应尽可能选择直径10mm的压头。然后再根据材料及其硬度值范围根据K表选择合适的K值。从而算出载荷值。试验后，应该校核是否满足关系式。如果不满足，应该重新选择载荷重做试验。DdD6.025.02020/2/1735黑色金属s30有色金属s10维氏硬度小于35的材料s60三、布氏硬度的测定方法2.对试件施加载荷。此时应保证载荷与材料表面垂直，载荷应均匀，不得有冲击和振动。3.在载荷作用下保持一定的时间。不同材料类型，载荷保持时间不一样，原则是软材料因为发生长时间的塑性变形，其保载时间应该长。一般规定：2020/2/1736压头直径大、施加载荷大、压痕面积大。能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能不受个别相和微区不均匀性的影响。三、布氏硬度的特点和应用布氏硬度的特点：2020/2/1737具有粗大晶粒或粗大组成相的材料，如灰铸铁、轴承合金。特别是对于较软的金属，如纯铝、铅、锡，测定的硬度非常准确三、布氏硬度的特点和应用适用范围：优点：分散性小，重复性好2020/2/1738缺点：压痕较大测定压痕直径耗时耗力压头本身变形不能忽略不适用范围：零件表面的硬度测试，薄壁件或表面硬化层的硬度测试、大批量样品的硬度测试三、布氏硬度的特点和应用2020/2/1739将压头在一定压力下压入被测材料的表面，直接测量压痕深度，根据压痕深度定出材料的硬度。压痕越深则硬度值越低，反之则硬度值越高。一、洛氏硬度的测量原理和方法2020/2/1740h将主载荷去除，若试件表面的压痕完全回复，此时硬度值为k将主载荷去除后，试件表面的压痕深度为h，此时硬度值为002.0hkHR式中0.002表示一个洛氏硬度单位，K是一个与压头类型有关的无量纲常数(为金刚石圆锥压头时k＝100，为淬火钢球压头时k＝130)。一、洛氏硬度的测量原理和方法2020/2/1741一、洛氏硬度的测量原理和方法洛氏硬度试验常用的压头有两类：即顶角为120度的金刚石圆锥体和直径为1.588mm的钢球压头。采用不同压头并施加不同的压力，可以组成不同的洛氏硬度标尺。生产上常用的为A，B和C三种标尺。其中又以标尺C用得最普遍。用这三种标尺测得的硬度分别记为HRA，HRB，HRC。如：60HRA表示用A标尺测定的洛氏硬度值为60。2020/2/1742洛氏硬度的不同标尺及应用标尺硬度符号压头类型初始载荷(kgf)主载荷(kgf)总载荷(kgf)测量硬度范围应用举例AHRA顶角为120º的金刚石圆锥体10506020~88硬质合金、硬化薄钢板、表面薄层硬化钢BHRB直径为1.588mm的钢球9010022~100低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁CHRC顶角为120º的金刚石圆锥体14015020~70淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁一、洛氏硬度的测量原理和方法2020/2/1743a)加预载荷，如图a，此时测得压入表面的深度为h2b)加主载荷，测得压入表面的深度为h3c)卸除主载荷但保留预载荷，测得压入表面的深度为h1残余深度h=h1-h2，代入002.0hkHR即可求出洛氏硬度值洛氏硬度的测量过程以C标尺为例：2020/2/1744洛氏硬度思考题：为什么用金刚石圆锥和钢球压头时，K值分别取100或130答：当压头为金刚石圆锥体时，因为规定用于测量较硬的材料，一般不会出现压入深度为0.2mm，而使硬度值为零。mmhHRB002.0130当压头为钢球，多用于测量较软的金属，压入深度较深，有时可能达到0.2mm，甚至更多。若K值定为100时，硬度值会等于零或甚至出现负值。为避免出现上述情况，将用钢球压头的洛氏标尺值定为130。故此时的洛氏硬度值为2020/2/1745洛氏硬度的测量方法1.选择合适的标尺一般选用C标尺A标尺:坚硬或薄的材料，这是因为对于坚硬材料而言，如果此时采用C标尺，由于主载荷过大可能会损坏金刚石