金屬材料的硬度_材料力學性能

1、第四章第四章 金屬材料的硬度金屬材料的硬度 主要內容主要內容 1. 硬度試驗的分類、物理意義和特點硬度試驗的分類、物理意義和特點 2. 硬度試驗硬度試驗 1）布氏硬度）布氏硬度 2）洛氏硬度）洛氏硬度 3）維氏硬度）維氏硬度 4）顯微硬度）顯微硬度 顯微維氏硬度、顯微努氏硬度顯微維氏硬度、顯微努氏硬度 5）肖氏硬度）肖氏硬度 一、硬度試驗的分類、物理意義和特點一、硬度試驗的分類、物理意義和特點 1. 硬度試驗的分類硬度試驗的分類 硬硬 度度 試試 驗驗 靜載靜載 壓入法壓入法 刻劃法刻劃法 壓入法壓入法 加載速度加載速度 載荷、壓頭載荷、壓頭 表示方法表示方法 布氏硬度布氏硬度 洛氏硬度洛氏硬

2、度 維氏硬度維氏硬度 顯微硬度顯微硬度 肖氏硬度肖氏硬度 動載動載 壓入法壓入法 刻劃法只能對硬度作定性評估，工程中已經很少使用刻劃法只能對硬度作定性評估，工程中已經很少使用 或者：壓入法、回跳法、刻劃法或者：壓入法、回跳法、刻劃法 2. 硬度試驗的物理意義硬度試驗的物理意義 1）壓入法：）壓入法：材料表面抵抗物體壓入引起的塑性變形的抗力材料表面抵抗物體壓入引起的塑性變形的抗力 2）刻劃法：）刻劃法：材料抵抗表面局部斷裂的能力材料抵抗表面局部斷裂的能力 3）回跳法：）回跳法：材料彈性變形功的大小材料彈性變形功的大小 硬度值：硬度值：表征材料的彈性、塑性、形變強化、強度和韌性表征材料的彈性、塑性

3、、形變強化、強度和韌性 等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標 3. 硬度試驗的特點硬度試驗的特點 1）應力狀態(tài)軟性系數(shù)最大（）應力狀態(tài)軟性系數(shù)最大（2），塑性和脆性材料都可以），塑性和脆性材料都可以 測量，甚至像玻璃、陶瓷、金剛石等脆性材料，在硬度試驗時，測量，甚至像玻璃、陶瓷、金剛石等脆性材料，在硬度試驗時， 也表現(xiàn)為塑性狀態(tài)也表現(xiàn)為塑性狀態(tài) 2）實驗方法簡單，無須加工試樣）實驗方法簡單，無須加工試樣 3）造成的表面損傷小，基本屬于）造成的表面損傷小，基本屬于“無損無損”或微損檢測范圍或微損檢測范圍 4）與其他靜載荷下的力學性能指標之間存在一定關系

4、，如）與其他靜載荷下的力學性能指標之間存在一定關系，如 可以由硬度大致推測強度值可以由硬度大致推測強度值 5）測量范圍大可至多個晶粒，小可測單個晶粒，甚至幾個）測量范圍大可至多個晶粒，小可測單個晶粒，甚至幾個 原子范圍（納米壓痕儀原子范圍（納米壓痕儀(NanoIndenter)） 二、硬度試驗二、硬度試驗 1. 布氏硬度布氏硬度 1）布氏硬度測試法布氏硬度測試法 1900年年 瑞典瑞典 布利奈爾布利奈爾(Brinell) 說明說明: a）布氏硬度值的大小是壓痕單位面積上所承受的壓力）布氏硬度值的大小是壓痕單位面積上所承受的壓力 b）布氏硬度值一般不標出單位）布氏硬度值一般不標出單位 c）只要測

5、量出壓痕直徑，就可以得出硬度值）只要測量出壓痕直徑，就可以得出硬度值 d）硬度值越高，表示材料越硬）硬度值越高，表示材料越硬 e）若測量數(shù)據(jù)能相互比較，必須載荷和鋼球直徑恒定）若測量數(shù)據(jù)能相互比較，必須載荷和鋼球直徑恒定 壓痕相似原理壓痕相似原理 如果只采用一種載荷和鋼球直徑，則如果只采用一種載荷和鋼球直徑，則 a）對于硬材料合適時，對較軟材料不合適（鋼球全部陷入）對于硬材料合適時，對較軟材料不合適（鋼球全部陷入 材料內部）材料內部） b）對于厚材料合適時，對薄材料不合適（薄材料被壓透）對于厚材料合適時，對薄材料不合適（薄材料被壓透） c）對于大尺寸材料合適時，對小尺寸材料不合適（試樣不）對于

6、大尺寸材料合適時，對小尺寸材料不合適（試樣不 能有過大的壓痕）能有過大的壓痕） 最終結果：不同場合采用不同載荷和鋼球直徑最終結果：不同場合采用不同載荷和鋼球直徑 問題：對同一材料，不同問題：對同一材料，不同P和和D必須得到相同的硬度值必須得到相同的硬度值 解決方法：建立解決方法：建立P和和D的匹配關系，使不同的匹配關系，使不同P和和D形成的壓形成的壓 痕在幾何形狀上相似（壓痕相似原理）痕在幾何形狀上相似（壓痕相似原理） 2）壓痕相似原理壓痕相似原理 壓痕相似原理壓痕相似原理 得到相同的硬度值得到相同的硬度值 壓痕幾何形狀相似壓痕幾何形狀相似 壓入角壓入角相等相等 3）布氏硬度實驗需要注意的問題

7、布氏硬度實驗需要注意的問題 a）GB231-84規(guī)定了規(guī)定了7種種P/D2的值，不同材料選擇不同值的值，不同材料選擇不同值 b) 先選擇壓頭直徑先選擇壓頭直徑D，再根據(jù)材料性質選，再根據(jù)材料性質選P/D2，最后計算出，最后計算出P 根據(jù)試樣厚度選擇壓頭直徑：試樣厚度大于根據(jù)試樣厚度選擇壓頭直徑：試樣厚度大于10倍的壓痕倍的壓痕 深度；試樣厚度足夠時，選擇深度；試樣厚度足夠時，選擇D = 10 mm c）測試時保持所加壓力與試樣表面垂直，壓力施加均勻平穩(wěn)）測試時保持所加壓力與試樣表面垂直，壓力施加均勻平穩(wěn) d）壓力保持時間：鋼鐵材料）壓力保持時間：鋼鐵材料10s，有色金屬，有色金屬30s，軟金屬

8、，軟金屬60s e）使用的壓頭材質不同，布氏硬度的符號不同）使用的壓頭材質不同，布氏硬度的符號不同 HBS淬火鋼球；淬火鋼球；HBW硬質合金球硬質合金球 f）硬度表示法：硬度符號前數(shù)字為硬度值，后面數(shù)字為實驗條）硬度表示法：硬度符號前數(shù)字為硬度值，后面數(shù)字為實驗條 件，依次為壓頭直徑件，依次為壓頭直徑(mm)、壓力、壓力(kgf)和保持時間和保持時間(s) 200HBS10/3000/30 500HBW5/750（保持時間（保持時間1015s不標注）不標注） 4）布氏硬度實驗的優(yōu)缺點和適用范圍布氏硬度實驗的優(yōu)缺點和適用范圍 優(yōu)點：優(yōu)點： a）壓頭直徑和壓力大，因而壓痕面積大，能反映較大范圍）壓

9、頭直徑和壓力大，因而壓痕面積大，能反映較大范圍 內材料各組成相綜合影響的平均性能；適用于灰鑄鐵、軸承合內材料各組成相綜合影響的平均性能；適用于灰鑄鐵、軸承合 金等具有粗大晶?；虼执笙嗟牟牧辖鸬染哂写执缶Я；虼执笙嗟牟牧?b）壓痕面積大，測量不受個別組成相以及微小不均勻度的）壓痕面積大，測量不受個別組成相以及微小不均勻度的 影響，實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性強影響，實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性強 c）布氏硬度值和抗拉強度存在一定換算關系，可制定換算表）布氏硬度值和抗拉強度存在一定換算關系，可制定換算表 k為材料常數(shù)為材料常數(shù) kHB b 缺點：缺點： a）壓痕面積大，對表面有要求的樣品不利，需要在圖紙上）壓痕面

10、積大，對表面有要求的樣品不利，需要在圖紙上 注明測量位置注明測量位置 b）不能用于測定薄壁件或表面硬化層的硬度）不能用于測定薄壁件或表面硬化層的硬度 c）淬火鋼球壓頭測定）淬火鋼球壓頭測定HB450時壓力過大，損壞壓頭時壓力過大，損壞壓頭 洛氏硬度洛氏硬度 2. 洛氏硬度洛氏硬度 1919年年 洛克威爾洛克威爾(Rockwell) 1) 試驗方法：試驗方法： 硬質壓頭：頂角硬質壓頭：頂角 為為1200的金剛石的金剛石 圓錐體制成圓錐體制成 軟質壓頭：直徑軟質壓頭：直徑 為為1.588mm （1/16英寸）的英寸）的 鋼球鋼球 用壓痕深度用壓痕深度h的大小來衡量材料的硬度的大小來衡量材料的硬度

11、說明說明: a）材料越硬，）材料越硬，h越小；材料越軟，越??；材料越軟，h越大越大 人為規(guī)定：常數(shù)人為規(guī)定：常數(shù)K減去壓痕深度減去壓痕深度h的值為洛氏硬度單位；壓的值為洛氏硬度單位；壓 痕深度每增加痕深度每增加0.002mm，硬度降低，硬度降低1個單位個單位 金剛石壓頭：金剛石壓頭：K = 0.2 mm；鋼球壓頭：；鋼球壓頭：K = 0.26 mm b）采用不同的壓頭和不同的總載荷，可以組成不同的洛氏硬）采用不同的壓頭和不同的總載荷，可以組成不同的洛氏硬 度標尺，測定不同硬度范圍度標尺，測定不同硬度范圍 c）測定洛氏硬度，試樣表面應為平面；在圓柱面或球面上測量）測定洛氏硬度，試樣表面應為平面；

12、在圓柱面或球面上測量 時，硬度值比真實值低，需要修正時，硬度值比真實值低，需要修正 圓柱面圓柱面 球面球面 2) 表面洛氏硬度表面洛氏硬度 洛氏硬度載荷較大，不洛氏硬度載荷較大，不宜宜用于測量極薄試樣和表面硬化層用于測量極薄試樣和表面硬化層 表面洛氏硬度與普通洛氏硬度的不同：表面洛氏硬度與普通洛氏硬度的不同： a）預載荷和總載荷比較小預載荷和總載荷比較小 b）常數(shù)）常數(shù)K = 0.1 mm（壓痕殘余深度為（壓痕殘余深度為0.1mm時的洛氏硬度時的洛氏硬度 為零），深度每減小為零），深度每減小0.001mm，表面洛氏硬度升高一個單位，表面洛氏硬度升高一個單位 3）洛氏硬度優(yōu)缺點）洛氏硬度優(yōu)缺點

13、優(yōu)點：優(yōu)點： a）硬度值可從表盤上直接讀出，簡便迅速，工效高硬度值可從表盤上直接讀出，簡便迅速，工效高 b）表面損傷較小，可用于成品零件的質量檢驗表面損傷較小，可用于成品零件的質量檢驗 c）有預加載荷，可消除表面輕微不平度對結果的影響）有預加載荷，可消除表面輕微不平度對結果的影響 缺點缺點: : a）洛氏硬度人為定義，不同標尺的洛氏硬度值無法比較）洛氏硬度人為定義，不同標尺的洛氏硬度值無法比較 b）壓痕小，硬度值對組織不均勻性很敏感，測試結果比較）壓痕小，硬度值對組織不均勻性很敏感，測試結果比較 分散，重復性差分散，重復性差 3. 維氏硬度維氏硬度 1925年年 史密斯史密斯(Smith)和桑

14、蘭德和桑蘭德(Sandland)提出提出 維克爾斯維克爾斯 (Vickers)工廠最早使用工廠最早使用 1) 試驗方法：試驗方法： 壓頭：面間夾角為壓頭：面間夾角為1360 的金剛石四方角錐體的金剛石四方角錐體 單位壓痕表面積上承受單位壓痕表面積上承受 的壓力的壓力 說明說明: a）維氏硬度與布氏硬度定義相同（單位壓痕表面積上承受）維氏硬度與布氏硬度定義相同（單位壓痕表面積上承受 的壓力）；壓頭形狀不同，加載較小的壓力）；壓頭形狀不同，加載較小 b）所加載荷有）所加載荷有6種：種：5kgf、10kgf、20kgf、30kgf、50kgf、 100kgf c） d為兩對角線長度平均值為兩對角線長

15、度平均值 d）維氏硬度值一般也不標出單位）維氏硬度值一般也不標出單位 e）維氏硬度表示方法與布氏硬度相同：符號前為硬度值，）維氏硬度表示方法與布氏硬度相同：符號前為硬度值， 符號后依次為載荷大?。ǚ柡笠来螢檩d荷大小（kgf）和保持時間（）和保持時間（s） 640HV30/20 3）維氏硬度優(yōu)點維氏硬度優(yōu)點 a）特別適用于表面硬化層和薄片材料的硬度測定）特別適用于表面硬化層和薄片材料的硬度測定 載荷載荷P的選擇：使硬化層或試樣厚度大于的選擇：使硬化層或試樣厚度大于1.5d 不知硬化層厚度：按從小到大的載荷順序試驗，直至兩相鄰不知硬化層厚度：按從小到大的載荷順序試驗，直至兩相鄰 載荷得出相同或相

16、近結果載荷得出相同或相近結果 試樣較厚：盡可能選擇較大載荷，減小對角線測量誤差和試試樣較厚：盡可能選擇較大載荷，減小對角線測量誤差和試 樣表面層影響樣表面層影響 b）四方角錐體壓頭使各種載荷下的壓痕幾何相似，所得硬度四方角錐體壓頭使各種載荷下的壓痕幾何相似，所得硬度 值均相同，不受布氏硬度載荷值均相同，不受布氏硬度載荷P和壓頭和壓頭D的條件約束的條件約束 c）測量范圍較寬，軟硬材料都可測，比洛氏硬度優(yōu)越（不同測量范圍較寬，軟硬材料都可測，比洛氏硬度優(yōu)越（不同 標尺無法比較）標尺無法比較） d）壓痕對角線長度易于精確測量，精度比布氏法高；）壓痕對角線長度易于精確測量，精度比布氏法高；硬度小硬度小

17、 于于450HV時，維氏硬度值與布氏硬度值大致相同。時，維氏硬度值與布氏硬度值大致相同。 4. 顯微硬度顯微硬度 定義：一般指加載小于定義：一般指加載小于0.2kgf的硬度試驗的硬度試驗 分類：顯微維氏硬度和顯微努氏硬度分類：顯微維氏硬度和顯微努氏硬度 顯微硬度的特點：顯微硬度的特點： a）布、洛、維氏三種硬度試驗只能測得組織的平均硬度值，布、洛、維氏三種硬度試驗只能測得組織的平均硬度值， 測定極小范圍內的硬度需用顯微硬度試驗測定極小范圍內的硬度需用顯微硬度試驗 b）布、洛、維氏三種硬度試驗不能測定陶瓷等脆性材料的布、洛、維氏三種硬度試驗不能測定陶瓷等脆性材料的 硬度（在加載條件下易破裂），顯

18、微硬度可測硬度（在加載條件下易破裂），顯微硬度可測 1) 顯微維氏硬度顯微維氏硬度 與普通維氏硬度的相同點：與普通維氏硬度的相同點： a）測試方法與維氏硬度相同）測試方法與維氏硬度相同 b）硬度計算公式相同）硬度計算公式相同 c）表示符號仍然為）表示符號仍然為HV 與普通維氏硬度的不同點：與普通維氏硬度的不同點： 加載較小，壓痕不一定符合幾何相似原理，測試結果需加載較小，壓痕不一定符合幾何相似原理，測試結果需 要注明載荷大小要注明載荷大小 340HV0.1(載荷為載荷為0.1kgf) 340HV0.05 (載荷為載荷為0.05kgf) 實質上是小載荷的維氏硬度實質上是小載荷的維氏硬度 2) 顯

19、微努氏硬度顯微努氏硬度 測試方法：測試方法： 2 22.14LPHK 定義：定義： 單位壓痕單位壓痕投影面積投影面積上承受的力上承受的力 菱形壓痕菱形壓痕 L是是S的的7.11倍倍 說明說明: a）努氏硬度試驗方法還沒有國家標準，測試載荷通常為）努氏硬度試驗方法還沒有國家標準，測試載荷通常為 150N b）試樣按照金相試樣要求制備）試樣按照金相試樣要求制備 c）壓痕淺而細長，適于測定極薄層或極薄零件）壓痕淺而細長，適于測定極薄層或極薄零件 d）測量精度和對表面狀況的敏感度更高）測量精度和對表面狀況的敏感度更高 3) 顯微硬度的特點顯微硬度的特點 a）測定極小范圍內的硬度，幾乎不損壞試樣）測定極小范圍內的硬度，幾乎不損壞試樣 某個晶粒、組成相或夾雜物的硬度某個晶粒、組成相或夾雜物的硬度 b）顯微硬度可測陶瓷、玻璃、瑪瑙等脆性材料的硬度顯微硬度可測陶瓷、玻璃、瑪瑙等脆性材料的硬度 c）靈敏度高）靈敏度高 特別適合評定細線材的加工硬化程度特別適合評定細線材的加工硬化程度 5. 肖氏硬度（回跳硬度）肖氏硬度（回跳硬度） 肖氏硬度：動載試驗法肖氏硬度：動載試驗法 Shore提出提出 測試原理：測