里氏布氏洛氏硬度+应力.doc

里氏硬度及特点和相关技术要求+应力里氏硬度测试技术是国际上继布、洛、维、肖氏硬度之后新发展的一种技术，依据里氏硬度理论制造的里氏硬度仪改变了传统的硬度测试方法。由于硬度传感器小如一只笔，可以手握传感器在生产现场直接对工件进行各种方向的硬度检测，因此是其它台式硬度仪所难以胜任的。自里氏硬度仪诞生以来，在国际上的普及程度越来越广。在中国，里氏硬度技术已有初步发展，为了推广这一先进技术，参照国际标准，机械工业部已颁布了里氏硬度仪技术条件ZBN7l 010-90，国家质量技术监督局已颁布金属里氏硬度试验方法 GB/T 17394-1998。 一、什么是里氏硬度 里氏硬度的概念是由美国Dr.Dietmar Leeb提出来的，它是一种动态硬度试验法 。硬度传感器的冲击体在与被测工件冲击过程中，距工件表面1mm时的反弹速度与冲击 速度的比值乘以1000，定义为里氏硬度值，以HL表示里氏硬度计算公式如下： HL=Vb/Va1000 Vb:表示反弹速度 Va:表示冲击速度 二、里氏硬度仪的特点 1、肖氏及里氏硬度均属动载测试法，但肖氏考察的是冲击体反弹的垂直高度，因 此决定了肖氏硬度仪要垂直向下使用，这势必在实际使用中造成很大的局限性；而里氏 就不同了，里氏考察的是冲击体反弹与冲击的速度，通过速度修正，可在任意方向上使 用，极大地方便了使用者。 2、通常使用的布、洛、维氏硬度计由于体积庞大，不便于在现场使用，特别是 需测试大、重型工件时。由于硬度计工作台无法容纳，所以根本无法检测。而里氏硬度 仪无需工作台，其硬度传感器小如一只笔，可用手直接操作，无论是大、重型工件还是 几何尺寸复杂的工件都能容易地检测。 三、里氏硬度的相关因素 里氏硬度试验法既然是动载测试法，那么里氏硬度值必然与金属材料的弹性模量E 有关而材料的不同所对应的弹性模量也不同所以里氏硬度仪是按材料种类进行分类测 试的。 四、里氏硬度与其它硬度的转换 里氏硬度值与其它硬度值(HRC、HRB、HB、HV、HSD)之间有对应关系因此可将 里氏值(HL)转换成其它硬度值里氏硬度仪可通过机内微电脑进行自动转换。 五、里氏硬度与其它硬度的分类对比及检测要求 从微观形变上分类，布、洛、维氏硬度考察的是材料的塑性形变，表现为压痕的 大小或深度；里、肖氏硬度考察的是材料的弹性形变，表现为反弹速度的大小或高度。 六、里氏硬度仪对测量的要求 1、 试样表面的要求 测试面应有金属光泽，不应有氧化皮及其它污物，表面粗糙度应符合如下要求：冲击装置类型试件表面粗糙度(um)D、DC型1.6G型6.3C型0.42、 试样重量要求 试样必须有足够的质量及刚性以保证在重建过程中不产生位移或弹动，质量应符合如下要求：冲击装置类型试样质量(Kg)稳定放置固定或夹持需耦合D、DC型5250.052G型155150.55C型1.50.51.50.020.53、 试样厚度要求 试样应有足够的厚度，最小厚度应符合如下要求：冲击装置类型试样最小厚度(mm)D、DC型5G型10C型14、 试样具有表面硬化层，其硬化层深度应符合如下要求：冲击装置类型表面硬化层深度D、DC型0.8C型0.25、 对于凹、凸、圆柱面及球面试样，其表面曲率半径应符合如下要求：冲击装置类型表面曲率半径(mm)D、DC型30C型50对于表面为曲面的试样，应使用适当的支撑环，以保证冲击头冲击瞬间位置偏差在 0.5mm之内。 6、 试样不应带有磁性。 7、 每个测量点间距应大于34mm，不可在同一点上重复测试，否则会引起较大的 误差。同时 会减短传感器的使用寿命。 七、影响测试精度的几个问题 由于里氏硬度仪是在动态力作用下测定金属硬度的，所以影响测试结果准确性的因 素比较多，故应对这些因素如以一定的限制，主要包括: 试验条件、试验对象、操作技 术和数据处理等几个关健环节，下面将就一些具体问题探讨一下： 1、 试件曲率对精度的影响， 在现场工作中，经常遇到曲面的试件，各种曲面对硬度测试结果的影响不同，在正 确操作的情况下，冲击体落在试件表面瞬间的位置与平面试件相同，故通用支撑环即可 。但当曲率小到一定尺寸时，由于平面条件的变形和弹性状态相差显著，会使冲头回弹 速度偏低，从而使里氏硬度示值偏低。 2、数据换算产生的误差 里氏硬度换算为其他硬度时的误差包括两个方面，一方面是里氏硬度本身测量误差 ，里氏硬度换算为其他硬度时的误差包括两个方面，一方面是里氏硬度本身测量误差， 这涉及到 按同一方法重复进行试验时的分散和对于多台同型号里氏硬度计的误差。另 一方面是比较不同硬度试验方法所测硬度产生的误差，这是由于各种硬度方法之间不存 在明确的物理关系，并受到相互比较中测量不可靠性影响的原因。 本仪器的硬度换算是自动完成的，故可用布氏、洛氏、维氏硬度标准块直接确定 硬度仪的换算误差。 3、特殊材料引起为误差 存储在硬度仪中的换算表对以下钢种可能产生偏差： 高合金钢 所有奥氏体钢 在高速钢中，耐热工具钢和莱氏体铬钢(工具钢类)硬质材料(莱氏体碳化物，例如 M7C3和M6C会引起弹性模量增加，从而使HL值偏低。这类钢应在横截面上进行测试。 局部冷却硬化，例如由于切割或不适当的试样制备也会引起HL值偏高。 磁性钢 在检验磁性材料硬度时，由于磁场影响，会使HL值偏低，如磁场较强，建议不用此 种测试方法。 表面硬化钢 表面产生硬化的材料，尤其是经表面处理的钢，由于基体软，会使HL值偏低，当硬 化层大于0.8mm时(C型冲击装置为0.2mm)，则不影响HL值。 对于特殊材料可用以下方法，自己建立对比关系。 试验面必须仔细制备 如不进行耦合，选择的试样足寸尽可能大 试样硬度在硬度仪换算范围内 用相应测量范围的硬度块检查静态硬度计准确性。 在试样上用静态硬度计测三个点，并在压痕周围用里氏变度仪测五个值，取其平均 值。比较两种方法测出的硬度值即可得出误差范围。也可用一组不同硬度试样用上述方 法绘出换算曲线。 4、齿轮检测的误差 一般情况下，里氏硬度仪对于模数大于7的齿轮齿面的检测是可以保证精确度的，但 齿轮模数小于7时，由于齿面较小；测试误差相对较大，对此，用户可根据情况设计相应 的工装，将有利于减小误差。 5、材料弹性、塑性的影响 里氏值除与硬度、强度相关外，更与弹性模量有关，硬度值是材料硬度和塑性的特征 参数，因为两者的成分必然是共同测定的。 在弹性部分，首先明显受E模量影响，在这方面当材料的静态硬度相同，而E值大小不 同时。E值低的材料，HL值较大。 根据材料的弹性模量。合金类型及热处理状态可以对各种材料分类。 6、热轧方向造成构误差 当被测工件系热轧工艺成型时，如果测试方向与轧制方向一致，会因弹性模量E偏 大而造成测试值偏低，故测试方向应垂直于热轧方向。例如：测圆柱件截面硬度时，应在 径向测试为好(一般圆柱件热轧方向为轴向)。 7、其它因素的影响 对管件测试时需注意以下几点： 管件注意稳固支撑 测试点应靠近支撑点且与支撑力平行 管壁较薄时在管内放入适当芯子 在热处理过程中，有时会造成金属材质发生改变（如20Cr钢经渗碳-淬火后由合金结 构钢变成低合金工具钢），在此情况下，应注意选择适当的金属材料。 工件本身的硬度离散性也造成试值误差，应根据经验分析硬度分布，合理解释试值误 差。操作方法、试样制备、探头配置如不正确，也会造成误差。什么是应力物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低，规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料要想安全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在使用时发生破坏。 有些材料在工作时，其所受的外力不随时间而变化，这时其内部的应力大小不变，称为静应力；还有一些材料，其所受的外力随时间呈周期性变化，这时内部的应力也随时间呈周期性变化，称为交变应力。材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏就可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度，这在构件的设计时应特别注意。 物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处到一单元体，比较变形前后单元体大小和形状的变化。 A 线应变 在直角坐标中所取单元体为正六面体时，三条相互垂直的棱边的长度在变形前后的改变量与原长之比，定义为线应变，用表示。一点在x、y、z方向的线应变分别为x、x、y、z。线应变以伸长为正，缩短为负。 B 切应变 单元体的两条相互垂直的棱边，在变形后的直角改变量，定义为角应变或切应变，用表示。一点在x-y方向、y-z方向z-x方向的切应变，分加别为xy、yz、zx。切应变以直角减少为正，反之为负。 C 一点的应变状态 一点的应变分量x、y、z、xy、yz、zx已知时，在该点处任意方向的线应变，以及通过该点任意两线段间的直角改变量，都可根据应变分量的坐标变换公式求出。该点的应变状态也就确定。 表示一点应变状态的个应变分量x、y、z、xy、yx、yzzy、zx、xz组成的应变张量，即 式中 右边的张量中的切应变用xy、xz、-表示，适用于使用张量的附标标号的表示法； 左边张量中的切应变用xy、xz、-表示，是工程习惯表示法。 二者概念相同，大小相差一倍。应变张量也是二阶对称量，其中切应变分量xy=yx很简单！所谓应就是反应的意思，物体是由分子或者说是晶体之类组成的，当受到外力时，微粒之间发生相互的变形，同时具有恢复原装的趋势，对外表现为应力！布氏硬度用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力（F）压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径（L）。布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商。以HBS（钢球）表示，单位为N/mm2(MPa)。 其计算公式为：F/(d/2)2 式中：F-压入金属试样表面的试验力，N； D-试验用钢球直径，mm； d-压痕平均直径，mm。 测定布氏硬度较准确可靠，但一般HBS只适用于450N/mm2（MPa）以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄的板材不适用。在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。 布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。 举例：120HBS10/1000/30：表示用直径10mm钢球在1000Kgf（9.807KN）试验力作用下，保持30s（秒）测得的布氏硬度值为120N/ mm2（MPa）。 以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。洛氏硬度洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们共有9种组合，对应于洛氏硬度的9个标尺。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。最常用标尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。 表面洛氏硬度试验采用三种试验力，两种压头，它们有6种组合，对应于表面洛氏硬度的6个标尺。表面洛氏硬度试验是对洛氏硬度试验的一种补充，在采用洛氏硬度试验时，当遇到材料较薄，试样较小，表面硬化层较浅或测试表面镀覆层时，就应改用表面洛氏硬度试验。这时采用与洛氏硬度试验相同的压头，采用只有洛氏硬度试验几分之一大小的试验力，就可以在上述试样上得到有效的硬度试验结果。表面洛氏硬度的N标尺适用于类似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD测试的材料；T标尺适用于类似洛氏硬度的HRB、HRF和HRG测试的材料。 HRC标尺的使用范围是2070HRC，当硬度值小于20HRC时，因为压头的圆锥部分压入太多，灵敏度下降，这时应改用HRB标尺。尽管HRC标尺被规定的上限值为70HRC，但是当试样硬度大于67HRC时，压头尖端承受的压力过大，金刚石容易损坏，压头寿命会大大缩短，因此一般应改用HRA标尺。 HRA标尺的使用范围是20-88HRA，由美国标准ASTM E140可以获得以下换算关系： 27HRA30HRB 60HRA100HRB20HRC 85.6HRA68HRC 可见，HRA标尺的测试范围涵盖了从软钢（HRB）、硬钢（HRC）到硬质合金的硬度范围。然而，事实上HRA标尺很少用于测试软钢，主要用于测试薄硬钢板、深层渗碳钢和硬质合金。在硬质合金方面，由于技术进步，有些材料硬度已达到93-94HRA，这已超出标准规定。工程上超出