《材料性能学》第一章.ppt

1 1.3 硬 度 一、硬度试验的意义 l 硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能硬度试验与静拉伸试 验一样也是一种应用十分广泛的力学性能试验方法硬度试验方 法有十几种， l按加载方式基本上可分为 动载压人法：回跳法肖氏硬度 锤击式布氏硬度 压人法 静载压人法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏 硬度 硬度和显微硬度 刻划法：莫氏硬度顺序法 挫刀法 l压人法的硬度值是材料表面抵抗另一物体局部压入时所引起的塑 性变形能力，静载压入法应用最广。 l刻划法硬度值是材料表面对局部切断破坏的抗力 2 二、硬度试验的优点 硬度不是一个单纯物理量，表征材料的弹性 、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列物理量 组合的综合性能指标。应用很广泛。 1硬度试验所用设备简单，操作方便快捷； 2不受场地条件等限制； 3基本上不破坏工件，可在成品上直接检验 4. 所有金属在硬度试验中都能产生塑性变形，可以测定所 有金属材料包括淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料 的硬度 l广泛用来检验经热处理的工件质量和进行材料研究 3 l三、硬度试验方法 1、 布氏硬度（HB） （1）测定原理 ：用一定大小的载荷(P)将直径为d的球形压 头压入工件表面，保持一定的时间后卸载，然后用载荷（ P）除以压痕的表面积（A）所得的值为布氏硬度，即： 布氏硬度： HB=P/A=P/Dh 可以看到压痕直 径d比压痕深度h 测定方便。 根据几何关系： 4 l当载荷单位为kgf时，有 l当载荷单位为N时，有 只有d为变量，试验时只要测出压痕直径d（mm），即可通 过计算或查表得到HB值。 l布氏硬度单位为kgf/mm2，或者MPa，但是一般不标注单 位。 表示方法：数字+符号(HBS/HBW)+数字/数字/数字 HBS压头是硬质淬火钢球；HBW压头为硬质合金球 如： 380 HBS 10/3000/30 10mm直径的淬火钢球，在3000kgf载荷下保 持30s后的硬度值为380 5 （2）布氏试验原理： l金属有软有硬，工件有厚有薄，要求采用不同的和搭 配。 问题？如何使同一材料在不同的和搭配下试验时能获得 相同的HB值 6 l角相同时，只需要P/D2为一定值，就能使大小、薄厚不同的 同一材料获得相同的布氏硬度值，这就是压痕相似性原理。 相等 得到相同的压痕形状（压痕相似原理 ） 需要HB相等 P/D2和相等 7 国家规定P/D2值为30,10，2.5三种。钢球直径一般 取10，5,2.5mm三种，相应的载荷包括 3000,1000,750,250，187.5，62.5，15.6kgf。 对于不同的金属和试样厚度，采用不同P和D组合。 8 试样厚度至少要为压痕深度的10倍 9 （3）布氏硬度的优缺点 优点： l采用较大直径的压头和压力，因而压痕面积大，能反映出较大 体积范围内材料各组成相的综合平均性能，而不受个别相和微 区不均匀性的影响。 l特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成 相的金属材料； l试验数据稳定，重复性好；试验数据从小到大都可以统一起来 。 缺点： l由于测定布氏硬度时压痕较大，故不宜在零件表面测定布氏硬 度，也不能测定薄壁件或表面硬化层的布氏硬度，不宜在成品 件上检验。 l因需测量压痕直径的d值，操作和测量都需较长时间，故在要求 迅速检定大量成品时需要耗费大量的人力。 l在试验前需要根据材料的厚度和软硬程度，反复试验更换压头 的直径和所需的载荷。 布氏硬度主要用于金属材料中较软或者中等硬度的材料。 10 2、洛氏硬度 l（1）测试原理 洛氏硬度也是 一种压入硬度试验方法，其原理不是 通过测压痕面积求得硬度值，而是以 测量压痕深度值的大小来表示材料的 硬度值，用HR表示 11 洛氏硬度压头有两种： （1）圆锥角为120、尖端曲率半径为R=0.2mm的金刚石圆锥 体，适用于淬火钢等硬度较高的材料； （2）直径为D=1.588mm或D=3.175mm的淬火钢球，适用于有 色金属等硬度较低的材料。 12 测试原理： l载荷分先后两次施加，先加初载荷F1 ，压入深度为h1 l再加主载荷F2 ，压入深度为h2 l保持一段时间后卸载F2，弹性恢复h3后残余压痕深度为h +h1 硬度越大，压痕深度越小 13 l每0.002mm为一个洛氏硬度单位。 l对于金刚石压头，k取0.2mm；对于淬火钢球压头，k取0.26mm。 l则HR为洛氏硬度值，一般可直接从表盘上快速读出数据。 （2）洛氏硬度的级数 为测试从软到硬所有的材料，需要采用不同的压头和载 荷，标尺的取值也就不一样。国家标准钟包括AS共15种 标尺，最常用的为A、B、C三种，硬度值用HRA、HRB、 HRC表示。 14 常见洛氏硬度级数 金刚石圆锥 压头 初载荷10kgf 主载荷50kgf 测量高硬度 薄件、硬质 合金 测试范围6085 1.6直径钢球压头 初载荷10kgf 主载荷90kgf 测量碳钢、 有色金属、 可锻铸铁 测量范围25100 金刚石圆锥 压头 初载荷10kgf 主载荷140kgf 测量淬火钢、 工具钢、高 硬铸铁 测量范围20-67 15 （3）洛氏硬度优缺点： 优点： n因由硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质 材料的检验，不存在压头变形问题； n操作简单，硬度值可从硬度计的表盘上直接读出 ，简便迅速，工效高，适用于大量生产中的成品检 验； n压痕小，不伤工件表面，可用于成品零件的质量 检验； n因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试 验结果的影响。 16 缺点： l用不同标尺测得的硬度值无法进行比较，无法统 一起来； l由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织的不均匀 性很敏感，测试结果比较分散，重复性差，因而 不适用于具有粗大组成相（如灰铸铁中的石墨片 ）或不均匀组织材料的硬度测定。 17 3、维氏硬度（HV） l布氏硬度试验只能测定硬度值小于 450HB（或650）的材料。 l洛氏硬度虽可测定各种材料的硬度 ，但由于在不同的硬度范围所使用 的标尺不同，所测硬度值不能直接 换算。 l因此为了使软硬不同的各种材料有 一个连续一致的硬度指标，制定了 维氏硬度试验法 18 （1） 测试原理 与布氏硬度基本相似，也是根据压痕单位面积所承受的载 荷来计算硬度值的所不同的是维氏硬度试验所用的压 头是两相对面夹角为1360的金刚石四棱锥体。 19 l在载荷F的作用下，试样表面压出四方棱形压痕 ，测量压痕对角线长度d，计算压痕面积A，以 F/A值表示试样硬度，用HV表示。 l压痕面积为 l维氏硬度为 一般也不标注单位 20 载荷： l49.1N（5kgf），98.1N（10kgf），196.2N （20kgf），294.3N（30kgf），490.5N（ 50kgf），980N（100kgf） l选择的载荷应使试样或试验层厚度大于1.5d ，满足此条件下，尽可能选用较大载荷。 表示方法： l数字+HV+数字/数字 l如：640HV30/20 l？什么意思 21 （2）优缺点 优点： lA.压痕几何形状相同，载荷大小可以选择，所得硬 度值相同。 lB.维氏硬度法测量范围宽，软硬材料都可测试，并 且比洛氏硬度法能更好的测定薄件或薄层的硬度， 因而常用来测定表面硬化层以及仪表零件等硬度。 lC.角锥压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确 可靠。 lD.当材料的硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏 硬度值大致相同。 缺点： l需通过测量对角线后才能计算（或查表）得到，生 产效率没有洛氏硬度高。 22 4、显微硬度 l其实即为小载荷下的硬度试验，一般采用小 于2的载荷。原理与维氏硬度相同。故一 般又称为显微维氏硬度，表示为 。 特点： l由于压痕微小，可以研究微小区域的硬度。 l但是需要抛光，制成金相试样后测量。 l一般用于材料研究 23 、努氏硬度 l试验原理与维氏硬度相同，也是一种显微硬度试验方法。所不 同的是努氏压头是一个菱形的金刚石椎体，形貌如图所示，压 头的两个对角面不等，在纵向上椎体的顶角为17230，横向 上椎体的顶角为130，在试样上得到长对角线长度为短对角线 长度7.11倍的菱形压痕，压痕深度约为其长度的1/30。 测量长对角线长度l ，则努氏硬度值为 只需测量长对角线， 精确度较高！ 24 努氏硬度的优缺点 l适用于测定脆性材料。故适用于测定玻璃、玛 瑙、红宝石等脆性材料的硬度，压痕不易产生 碎裂。 l误差小 l压痕浅，更适用于薄件及表面层的硬度试验， 如表面渗层、镀层的硬度分布。 压头制造困难，制造精度要求高 测定各向异性的材料会因测试方向不同而由差 异 对试样表面光洁度要求更高。 25 6、肖氏硬度 l肖氏（Shore）硬度试验是一种动载荷实验法 l原理为将一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度 h0落向试样表面，由于试样的弹性变形重锤回跳高度h1，根据 两个高度的比值计算肖氏硬度（HS），肖氏硬度又叫回跳硬 度。 lHS越大，回跳高度越高，材 料硬度越高。 26 l标准重锤从一定高度落下，以一定 的动能冲击试样表面，使金属产生 弹性变形和塑性变形。重锤的冲击 能一部分转变为塑性变形功被试样 吸收，另一部分转变为弹性变形功 储存在试样中。当弹性变形恢复时 ，能量被释放，使重锤回跳一定高 度。 l金属屈服强度越高，塑性变形越小 ，储存弹性能量越高，重锤回跳高 度越高，表明金属越硬。 l肖氏硬度值只有在金属弹性模量相 同时才可以比较。 27 优缺点 优点： l一般为手提式，操作简便，测量迅速，压痕小， 携带方便，可以在现场测量大件金属制品的硬度 ，如大型冷轧辊的验收标准就是肖氏硬度值。 缺点： l大小取决于材料的弹性性质。因此，弹性模量不 同的材料，其结果不能相互比较，例如钢和橡胶 的肖氏硬度值无法比较。 l测定结果受人为因素影响较大，精确度较低。 28 7、莫氏硬度 l 莫氏硬度，表示矿物硬度的一种标准。1812 年由德国矿物学家莫斯(Frederich Mohs)首先提 出。 l 应用划痕法将棱锥形 金刚钻针刻划所试矿物的表 面而发生划痕，习惯上矿物 学或宝石学上都是用莫氏硬 度。 29 l早期的莫氏硬度分十级来表示硬度：滑石 1（硬度最小），石膏2，方解石3，萤石4 ，磷灰石5，正长石6，石英7，黄玉8，刚 玉9，金刚石10。 30 l 硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的 值。应用时作刻划比较确定硬度。鉴定时，在未知矿 物上选一个平滑面，用上述一直矿物中的一种在选好 的平滑面上用力刻划，如果在平滑面上留下刻痕则， 表示该未知物的硬度小于已知矿物的硬度。 l 如某矿物能将方解石刻出划痕，而不能刻萤石，则 其莫氏硬度为34，其他类推。莫氏硬度仅为相对硬 度，比较粗略。虽滑石的硬度为1，金刚石为10，刚玉 为9，但经显微硬度计测得的绝对硬度，金刚石为滑石 的4192倍，刚玉为滑石的442倍。 l 莫氏硬度应用方便，野外作业时常采用。 书P42 19题 1布氏硬度，用于退火钢、铸铁、有色金属等较软的材 料 以及粗大组织的材料，如灰铸铁。 2洛氏硬度，淬火钢等较硬的材料，特别适用于生产现 场的检测 3维氏硬度，适用于各种金属，精度高，特别适用于科 学研究 4显微硬度，适用于金属各显微组织的硬度及微小零件 的硬度 5. 努氏硬度，适用于脆性材料及薄件及表面层的硬度试 验 6. 肖氏硬度，适合现场测量弹性模量相同的材料 7. 莫氏硬度，适合与矿物质硬度的测试 31 32 常用材料的硬度 材料条件硬度（kgf/mm2 ） 金 属 材 料 99.5%铝铝退火20 冷轧轧40 铝铝合金（Al- Zn-Mg-Cu 退火60 沉淀硬化170 软钢软钢 （ wc=0.2%） 正火120 冷轧轧200 轴轴承钢钢正火200 淬火830900 回火150750 陶 瓷 材 料 WC烧结烧结1500-2400 金属陶瓷（ wCo=60%， 余量WC） 201500 7501000 Al2O31500 B4C2500-3700 BN7500 金刚刚石600010000 材料硬度（ kgf/mm2） 玻璃 硅石700-750 钠钙钠钙 玻璃540-580 光学玻璃550-600 高 分 子 材 料 高压压聚乙烯烯40-70 酚醛醛塑料30 聚苯乙烯烯17 有机玻璃16 聚氯氯乙烯烯14-17 ABS8-10 聚碳酸酯酯9-10 聚甲醛醛10-11 聚四氟乙烯烯10-13 键合愈强，硬度愈高。 硬度与材料的组织结构有关系。 33 1.4 缺口效应 l在大部分机械零件或构件上，都存在着键槽、台 阶、螺纹、油孔、 刀痕、铸造或焊接所带来的孔 洞、砂眼以及裂纹等，使得机件截面积急剧变化 。这种截面急剧变化的部位类似存在“缺口”。 l这些缺口有的是结构设计上所必须得，有的是原 材料或制造工艺过程中所不可避免的。 l由于缺口的存在，会引起受载后在缺口处的应力 状态发生变化，如应力集中、应变集中，并且形 成双向或三向应力状态，增加了材料的脆化趋势 。 34 l光滑构件受单向载荷 时，其横截面上各部 分均匀分担载荷，即 各点应力是相等的。 l但对于带缺口的构件 ，缺口上下的自由表 面不能承担载荷，必 然会将这部分载荷分 摊到邻近的界面上， 并且这样的分摊是不 均匀的，越靠近缺口 端，分摊的越多。 缺口效应1 缺口顶端应力集中 缺口效应1应力集中 35 l缺口根部轴向应力最大，取决于缺口的几何 参数，即缺口的形状、深度以及根部的曲率 半径等。其中以根部曲率半径影响最大，曲 率半径越小，缺口越尖锐，应力越大。 l缺口产生的应力集中的程度用应力集中系数 Kt表征 max为缺口顶端最大应力； 为平均应力，即远场应力。 l在弹性范围内，Kt决定于缺口的几何形状和 尺寸 36 缺口效应2两向或三向应力状态 l对于薄板来说 缺口前方：x0，y0， z=0，为两向拉伸的平面应 力状态 缺口根部：x=0，y0， z=0，为单向拉伸状态 37 l假设将薄板从缺口根部沿x轴把平板分割成多个小拉伸试样a、 b、c、d等等 l由于位置不同，纵向应力y不同，相应的纵向应变y也不同， 则对应每一小试样的横向应变x不同。 l如横向收缩可以自由 进行，则每个小试样会 被拉开。薄板是连续介 质，各部分不能自由收 缩变形，为保证整体连 续性，各小试样在相邻 界面上必然产生横向拉 应力x，以阻止横向收 缩分离。 x的出现是材料变形 连续性要求的结果 38 在缺口根部，材料能自 由收缩，所以根部的 x=0，从缺口根部向内 发展，收缩变形的阻力增 大，因此x也逐渐增大。 当增大到一定数值后，随 着y的不断减小，x也 随着下降。 对于薄板，在垂直于板面 方向基本可以自由收缩，因 此z=0。 u所以具有缺口的薄板受到拉伸后，中心部 分是两向拉伸的平面应力状态，但在缺口处 为单向应力状态。 39 缺口效应2两向或三向应力状态 l对于厚板来说 厚板在受到拉伸作用后， 在垂直于板厚的方向收缩 变形受到约束，所以z0. uz=（x+y） 缺口前方：x0，y0， z 0，为三向拉伸的平面 应力状态 缺口根部：x=0，y0， z 0，为两向拉伸应力状 态 40 缺口效应3缺口强化 l由于存在缺口的条件下， 出现了三向应力状态及应 力集中，为满足复杂应力 的屈服条件y-x=s，试样 的屈服强度提高。 l试验发现材料的屈服应力 比单向拉伸时要高，即产 生缺口效应3“缺口强 化”现象。 缺口处局部区域屈服后 的应力分布 但是，不能把“缺口强化”当成是一种强化材料的手段 。 41 l无论是脆性材料还是塑性材料，缺口根部的应 力集中会促进裂纹的萌生生成，加上根部多向 拉应力状态使构件产生变脆倾向，降低了材料 使用的安全性。 缺口脆化 在有缺口的状态下，不同材料脆化倾向不同。 脆化倾向越小，有缺口的构件脆断的趋势越小 。 对于带缺口的构件，选用材料时除考虑一般力 学性能外，还要考虑缺口脆化倾向 缺口敏感度 42 l一般采用缺口试样的静拉伸、偏斜拉伸和缺口试样的 静弯曲试验，可以测定缺口敏感度，评定不同材料的 缺口变脆倾向。 l缺口敏感度q缺口试样的抗拉强度与同一材料等 截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值 q越大，缺口敏感度越小。 43 说明 脆性材料的q总是小于1，即缺口试样的抗拉强度 小，即缺口根部未发生明显变形时就已经断裂。 塑性材料的q一般大于1，即缺口试样的抗拉强度 大，说明缺口处发生了塑性变形，对缺口敏感度 较小。q越大，塑性变形量越大，缺口敏感性越小 ，甚至不敏感。 高强度材料的q一般也小于1。 l说明在选用制作缺口零件时，不能盲目追求高强 度，而应注意足够的塑性。 l材料的缺口敏感度与材料本身性能、缺口形状、 尺寸有关。 l缺口敏感度指标和材料的塑性指标一样，是衡量 材料安全性的力学性能指标之一。 44 1.5 材料的冲击韧性 在实际的生产中很多机件和工具、模具在服役期 间会受冲击载荷的作用。 l如火箭的发射 l飞机的起飞和降落 l行驶的汽车通过道路上的凹坑 l内燃机膨胀冲程中气体爆炸推动活塞和连杆使活塞 和连杆间发生冲击 l金属件的冲压和锻造加工 l锻锤、冲床、铆钉枪等 u本章主要介绍材料在冲击载荷下的力学行为和性能 特点 45 冲击载荷下的变形与断裂 l机件在冲击载荷下的失效类型与静载荷一样，表现为 过量弹性变形、过量塑性变形和断裂。 u静载荷下机件所受的应力，主要与机件形状及载荷的 类型和大小有关。静拉伸的应变率为10-510-2s-1 u冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承 受冲击能，机件及与机件相连物体的刚度都直接影响 冲击过程的持续时间，从而影响加速度和惯性力的大 小。冲击试验的应变率为102104s-1高应变速率 46 l弹性变形是以声速在介质中传播的。金属中的声速是 相当大的，钢中为4982m/s。普通冲击载荷的绝对变 形速度只有5-5.5m/s，所以冲击弹性变形总能跟上冲 击外力的变化。 l但是冲击载荷下，由于应力水平较高，使得许多位错 源同时开动，冲击载荷又会增加位错密度和滑移系数 目，使塑性变形难以充分进行。 l静载荷下，塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中， 而在冲击载荷下塑性变形则比较集中在某些局部区域 中，塑性变形极不均匀。这种不均匀的情况限制了塑 性变形的发展，导致屈服强度和抗拉强度提高，且屈 服强度提高较多。 低塑性！ 47 为了评定材料承受冲击载荷的能力，揭示材料在 冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学 性能试验 1、冲击试验 l大能量冲击试验冲击韧度，韧脆性质，试 验简单。 l小能量多次冲击试验测定材料的多冲抗力 。 l冲击拉伸试验材料在高速加载下的应力应 变曲线。试验困难。 48 l一、夏比缺口冲击试验 将摆锤升高到H1高度，获得 位能GH1，释放摆锤冲断试样后摆 锤的剩余能量为GH2，则摆锤冲断 试样失去的位能为GH1-GH2，此即 为试样变形和断裂所吸收的功， 称为冲击吸收功，以AK表示，单 位为J。 冲击韧度 49 夏比缺口冲击试验 对金属材料在动负荷下 抵抗冲击的性能进行检 验，是冶金、机械制造 等单位必备的检测仪器 ，也是科研单位进行新 材料研究不可缺少的测 试仪器。 测定材料的冲击韧度、评定材料的韧脆性质 50 国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为夏比 (charpy)U型缺口试样和夏比V型缺口试样，两种试样的形状 及尺寸如图所示。所测得的冲击吸收功分别记为AKU和AKV 。 另外，测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击功时 ，常采用无缺口冲击试样。 51 l试样开缺口的目的是为了使 试样在承受冲击时在缺口附 近造成应力集中，使塑性变 形局限在缺口附近不大的体 积范围内，保证试样一次就 冲断且使断裂就发生在缺口 处。正确测定材料承受 冲击载荷的能力。 缺口试样的摆放位置 缺口越深、越尖锐，冲击功越低，材料脆化倾向越严重。 不同类型、尺寸 试样的冲击功不 能相互换算和直 接比较 52 2、冲击功和冲击韧性 l冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂 功的能力，常用标准试样的冲击吸收功表示。 l其实，冲击吸收功Ak的大小并不能真正反映材料的韧脆程 度。因为缺口试样冲击吸收的功并非完全用于试样变形和 断裂。 l其中有一部分功消