第二章-金属在其他静载下力学行为(4硬度).ppt

第六节金属的硬度 硬度是生产和材料研究中最广泛应用的性能指标 2 6 1金属硬度的概念 硬度 是指材料在表面上的不大体积内抵抗变形或破裂的能力 即变形或破裂的抗力 表征材料软硬程度 究竟它是对弹性变形的抗力 塑性变形的抗力还是对切断的抗力 则决定于测量硬度所采用的试验方法 实验方法 A 压入法硬度试验 表征材料抵抗塑性变形能力 含初始塑性变形抗力和形变强化能力 所测布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 显微硬度 统称压入硬度 由于应力状态软性系数大于2 可测量脆性材料 淬火钢 硬质合金及陶瓷材料 的硬度 应用最广泛 B 刻划法硬度试验 表征材料抵抗破裂 切断 能力 称为刻划硬度 主要有莫氏硬度 C 弹性回跳法硬度试验 表征材料抵抗弹性变形能力 测肖氏硬度适用于大型工件 操作方便 设备简单 痕迹小 2 6 2布氏硬度 在直径D的钢珠上 加一定负荷P 压入被测试样的表面 根据卸载后金属表面压痕的凹陷面积计算出硬度值 式中t为压痕凹下深度 Dt为压痕凹陷表面积 布氏硬度的测定原理 布氏硬度的测定原理 代入 可以根据不同d值 直接查表或由上式计算出HB值 在P和D一定时 HB 1 t t测量困难 在 oab关系中 P值与D值的确定原则 布氏硬度试验的基本条件是负荷P和钢球直径D必须事先确定 这样所得数据才能进行比较 金属有硬有软 如果只采用一个标准的负荷P 如3000kgf 和钢球直径D 如10mm 时 则对于硬合金 如钢 虽然适合 对于软合金 如铅 锡 就不适合 这时 整个钢球都会陷入金属中 工件有厚有薄 这组P D值对厚的工件虽然适合 对于薄的工件 如厚度小于2mm 就不适合 这时工件可能被压透 此外 压痕直径d和钢球直径D的比值也不能太大或太小 否则所得HB值失真 只有二者的比值在一定范围 0 2D d 0 5D 才能得到可靠的数据 因此 在生产上应用这一试验时 就要求采用不同的P和D的搭配 以满足不同情况下测量HB的要求 使各种情况下0 2D d 0 5D 现在问题是 如果采用不同的P和D的搭配进行试验 对P和D应该采取什么样的规定条件才能保证同一材料得到同样的HB值 不同的材料得到的HB值可以进行比较 为了解决这个问题 需要运用相似原理 两个不同直径的钢球D1和D2在不同负荷P1和P2下压入金属表面的情况 对于同一材料如果要得到相等的HB值 就必须使二者的压入角 相等 这就是确定P和D的依据 由此可知 保证所得压人角 相等 从而保证HB值相等 必须使P D2为一常数 只有这样才能保证对同一材料得到相同的HB值 这就是P和D必须满足的条件 布氏硬度实验规程 1 0 20D d 0 5D 此范围P的变化对HB值影响很小 2 生产上常用的D值有10 5 2 5 2 1mm五种 3 生产上常用的P D2值有30 15 10 5 2 5 1 25 1七种 4 当压头直径D及P D2值选定后 试验力P也就随之确定了 5 试验力保持时间10 60秒 黑色金属为10 15s 有色金属为30s 对于 35HB的材料为60s 布氏硬度试验方法和技术条件在国标GB231 84中有明确规定 布氏硬度表示方法 由于布氏硬度值与试验规范有关 故其表示方法应能反映规范的内容 布氏硬度表示方法为 硬度值 符号HB HBW HBS 球直径 试验力 试验力保持时间 10 15s不标注 其中后三项之间各用斜线隔开 350HBW5 750表示用直径5mm的硬质合金球在7 355kN试验力下保持10 15s测得的布氏硬度值为350 600HBWl 30 20表示用直径1mm的硬质合金球在294 2N试验力下保持20s测得的布氏硬度值为600 相同规范下测得的数值才能进行比较 布氏硬度的优缺点和适用范围 优点 压痕大 代表面大 能反映表面较大体积范围内各组成相综合性能指标 试验数据稳定 适合粗组织材料 灰铸铁 轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相的材料 缺点 1 淬火钢球 HBS 本身变形问题 对HB 450以上硬材料 不能使用 需要换硬质合金球 小于650 2 压痕大而深 不适合不允许有较大压痕的工件 也不宜于薄件试样 3 d值测量较慢 效率低 不适合于大量成品的检测 2 6 3洛氏硬度 特点 用压痕深度大小作为硬度值高低的标志 测定原理 在初始载荷F0及总载荷F F0 主载荷F1 分别作用下 将金刚石圆锥或淬火钢球压入试样表面 然后卸除主载荷F1 在初载荷下用测量的h值计算洛氏硬度 h值为卸除主载荷F1后 在初载荷F0下的压痕残余深度 如果用0 002mm为单位进行度量 h 0 002实际就是表上逆时针读值 用k代表指针满刻度时压痕的深度 则洛氏硬度值为 HR k h 0 002金刚石k 0 2 淬火钢球或硬质合金钢球k 0 26可以在刻度盘上直接读出硬度值 洛氏硬度试验的标尺 试验规范及应用 为了能在一台硬度计上测定不同软 硬或厚 薄试样的硬度 可用不同的压头和试验力组合成几种不同的洛氏硬度标尺 以字母A B C 等表示 用不同标尺测定的洛氏硬度用HR后面加标尺字母表示 我国规定的洛氏硬度标尺有九种 各标尺的试验规范 测量硬度范围及应用见表 其中常用HRA HRB及HRC三种洛氏硬度 HRC最为常用 表面洛氏硬度 由于洛氏硬度试验所用试验力较大 不宜用来测定极薄试样及渗氮层 金属镀层等的硬度 为此 人们应用洛氏硬度试验的原理 减小试验力 提出了表面洛氏硬度试验方法 表面洛氏硬度的标尺有六种 洛氏硬度表示方法是 硬度值 符号HR 标尺字母 如60HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60 B标尺洛氏硬度有钢球和硬质合金球两种材料的压头 在硬度符号后面要加以明示 钢球用S表示 硬质合金球用W表示 如60HRBW表示用硬质合金球压头在B标尺上测得的洛氏硬度值为60 使用两种类型材料的球压头 硬度测试的结果不同 表面洛氏硬度表示方法是 硬度值 符号HR 标尺 如70HR30N表示用30N标尺测得的表面洛氏硬度值为70 洛氏硬度的优缺点 优点 压痕小 可在工件上直接试验 操作简单 硬度值直接读出 可采用不同的标尺测定不同硬度 不同厚度的试样 不存在压头变形问题 适合任何硬度的材料 缺点 1 压痕小 稳定性差 分散度大 要多测几个点平均 2 不同硬度标尺的硬度值无法统一起来 2 6 4维氏硬度 布氏硬度试验只能测定硬度值小于650HB的材料 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 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 维氏硬度 维氏硬度的试验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 不同的是维氏硬度试验所用的压头是相对面夹角为136o的金刚石四棱锥体 维氏硬度 其试验原理如图所示 试验时 在载荷F的作用下 试样表面被压出一个四方锥形压痕 测量压痕的对角线长度分别为dl和d2 取其平均值d 用以计算压痕的表面积S F S即为试样的硬度值 用符号HV表示 HV F S 当载荷单位为kgf 压痕对角线长度单位为mm时 当载荷的单位为N 压痕对角线长度单位为mm时 维氏硬度试验的载荷有49 1 5 98 1 10 196 2 20 294 3 30 490 5 50 981 100 N kgf 共6种 根据硬化层深度 材料的厚度和预期硬度 尽可能选用较大载荷 以减少测量压痕对角线长度的误差 当测定薄件或表面硬化层硬度时 所选择的载荷应保证试验层厚度大于1 5d 维氏硬度试验优点 1 由于棱锥压痕清晰 采用对角线长度计量 精确可靠 2 压头为四棱锥体 当载荷改变时 压入角恒定不变 因此可以任意选择载荷 而不存在布氏硬度那种载荷F与压球直径D之间的关系约束 也不存在洛氏硬度那种不同标尺的硬度无法统一的问题 3 比洛氏硬度所测试件厚度更薄 HV HB HR之比较 和布氏 洛氏硬度试验比较起来 维氏硬度试验具有许多优点 它不存在布氏那种负荷P和压头直径D的规定条件的约束 也不存在洛氏那种硬度值无法统一的问题 它可以试验任何软硬的材料 并且能测试极薄件或薄层的硬度 这点只有表面洛氏硬度才能做到 洛氏硬度由于是以压痕深度为计量指标 而压痕深度总比压痕宽度要小些 故其相对误差也越大些 因此 洛氏硬度数据不如布氏 维氏稳定 当然更不如维氏精确 总的来说 维氏硬度试验具有另外两种试验的优点而摒弃了它们的缺点 此外还有它本身突出的特点 负荷大小可任意选择 唯一缺点是硬度值需通过测量对角线后才能计算 或查表 出来 因此效率没有洛氏高 显微维氏硬度 显微维氏硬度的试验原理与维氏硬度试验一样 所不同的是负荷更小 主要用来测定各种组成相的硬度 显微硬度试验一般使用的负荷为2 5 10 50 100及200gf 由于压痕微小 试样必须制成金相样品 在磨制与抛光试样时应注意 不能产生较厚的金属扰乱层和表面形变硬化层 以免影响试验结果 因为压痕小 为了提高测量精度 需要配用显微放大装置 在可能范围内 尽量选用较大的负荷 以减少因磨制试样时所产生的表面硬化层的影响 从而提高测量的精确度 维氏硬度及显微硬度的试验规范参考GB4340 84和GB4342 84 维氏硬度表示方法 硬度值 符号HV 试验力 试验力保持时间 10 15秒不标注 如640HV30表示在试验力为294 2N下保持10 15s测得的维氏硬度值为640 300HV0 1表示在试验力为0 9807N下保持lO 15s测得的显微维氏硬度值为300 注意硬度符号后试验力单位为千克力 表2 5中试验力的单位为牛 N 努氏硬度试验 努氏硬度也是一种显微硬度试验方法 与显微维氏硬度的区别有两点 一 压头形状不同 努氏硬度使用的是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 因此 在试样上得到的是长 短对角线长度比为7 11的菱形压痕 二 硬度值不是试验力除以压痕表面积之商值 而是除以压痕投影面积之商值 测量出压痕长对角线的长度l um 就可按下式计算努氏硬度值 HK 努氏硬度压痕细长 且只测量长对角线长度 故精确度较高 适于测定表面渗层 镀层及淬硬层的硬度 还可以测定渗层截面上的硬度分布等 显微维氏硬度与努氏硬度的比较 努氏与维氏显微硬度比较 有些突出的优点 1 在测量渗碳 或氮化 淬硬层的硬度分布时 努氏压痕的排列与分布较维氏更紧凑 2 在相同的对角线长度下 努氏压痕以长对角线计 努氏压痕的深度与面积只有维氏压痕的15 这对测量薄层硬度 例如电镀层特别适宜 在测量脆性材料如玻璃 陶瓷硬度时 不容易碎裂 因为断裂倾向是和受应力材料的体积成正比的 所以努氏硬度在一些特定的场合下使用时更方便 如宝石鉴定等 肖氏硬度 肖氏硬度试验是一种动载试验法 其原理是将具有一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面 根据重锤回跳的高度来表征材料硬度值大小 标准重锤从一定高度自由落下 以一定的动能冲击试样表面 使其产生弹性变形与塑性变形 其中一部分冲击能转变为塑性变形功被试样吸收 另一部分以弹性变形功形式储存在试样中 当弹性变形回复时能量被释放 使重锤回跳至一定高度 材料的屈服强度越高 塑性变形越小 则存储的弹性能越高 重锤回跳得也越高 表明材料越硬 肖氏硬度试验只有在材料弹性模量相同时才可进行比较 肖氏硬度的符号用HS表示 HS前方的数字为肖氏硬度值 HS后面的符号为硬度计类型 如25HSC表示用C型 目测型 肖氏硬度计测得的肖氏硬度值为25 51HSD表示用D型 指示型 肖氏硬度计测得的肖氏硬度值为51 里氏硬度 里氏硬度试验也是动载荷试验法 它是用规定质量的冲头 碳化钨球 在弹力作用下以一定速度冲击试样表面 用冲头的回弹速度表征金属的硬度值 里氏硬度的符号为HL 肖氏硬度计和里氏硬度计均为手提式 使用方便 可在现场测量大型工件的硬度 其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大 测量精度较低 莫氏硬度 陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度 它只表示硬度从小到大的顺序 后面的材料可以划破前面材料的表面 起初 莫氏硬度为分10级 后来因为出现了一些人工合成的高硬度材料 故又将莫氏硬度分为15级 两种莫氏硬度分级的顺序 硬度与其他力学性能的关系 因硬度检验迅速 简便 人们一直在探讨如何通过所测定的硬度值来评定材料的其他力学性能指标 这无疑对材料的科学研究和实际应用都具有十分重要的意义 但至今没有从理论上确定材料的硬度与其他力学性能指标的内在联系 只是根据大量试验确定了硬度与某些力学性能指标之间的经验对应关系 试验证明 金属的布氏硬度与抗拉强度之间成正比关系 即 式中 k为比例系数 不同的金属材料其k值不同 同一类金属经不同热处理后 尽管强度和硬度发生变化 其k值仍基本保持不变 E 通过冷变形提高硬度时 k值不再是常数 我国计量科学研究院等单位通过大量试验和分析研究已经制定出黑色金属硬度与强度 铝合金和铜合金硬度与强度的换算表 具有一定的实用价值 但若要求获得较精确的强度数据仍需要通过拉伸试验确定 有人设想找出硬度与疲劳极限之间的近似定量关系 试图通过测定材料的硬度估算疲劳极限 但至今仍未取得理想的结果 疲劳极限与抗拉强度值之间的关系式为 式中 m为比例系数 对于不同的材料 不同的试验条件 其m值不同 通常m 0 4 0 6 平均为0 5 即疲劳极限大致为抗拉强度的