典型材料机械性能与检测

1、 3.1 材料的力学性能及检测材料的力学性能及检测 3.2 材料的硬度及检测材料的硬度及检测 3.3 材料的耐磨性及评定方法材料的耐磨性及评定方法 第三章第三章 材料的机械性能与检测材料的机械性能与检测 一硬度的定义一硬度的定义 硬度：硬度：抵抗局部变形能力的参数。能敏感反映抵抗局部变形能力的参数。能敏感反映 出材料化学成分，组织结构的差异，与强度之出材料化学成分，组织结构的差异，与强度之 间有对应关系，是一个综合力学性能指标；间有对应关系，是一个综合力学性能指标； 很多零部件对材料的硬度有明确要求；很多零部件对材料的硬度有明确要求； 硬度大小硬度大小大致可判断材料的大致可判断材料的脆性、耐磨

2、性脆性、耐磨性等实等实 用性能用性能 检测设备简单检测设备简单，操作迅速方便，是广泛应用的，操作迅速方便，是广泛应用的 力力 学性试验方法。学性试验方法。 3-23-2 材料的硬度及检测材料的硬度及检测 远古时代，利用固体互相刻划来区分材料的软远古时代，利用固体互相刻划来区分材料的软 硬，据此来选用材料。硬，据此来选用材料。 半定量测定方法：半定量测定方法：如如摩氏硬度、铅笔硬度、标摩氏硬度、铅笔硬度、标 准锉刀准锉刀等，等，表征了表征了材料表面对切断破坏方式的材料表面对切断破坏方式的 抗力。抗力。 定量测定硬度方法：定量测定硬度方法： 压入法压入法：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度，：布氏硬度、

3、洛氏硬度和维氏硬度，表表 征了征了材料表面抵抗外物压人时引起材料表面抵抗外物压人时引起塑性变形塑性变形的的 能力；能力； 回跳法：回跳法：肖氏硬度和里氏硬度，肖氏硬度和里氏硬度，表征了表征了材料材料弹弹 性变形功性变形功的大小。的大小。 二硬度的测试方法二硬度的测试方法 ( (一）摩氏硬度一）摩氏硬度 摩氏硬度由奥地利矿物学家创立，确定摩氏硬度由奥地利矿物学家创立，确定1010个矿物间个矿物间 相对硬度的标准。相对硬度的标准。 硬度硬度材料材料硬度高低硬度高低硬度硬度材料材料硬度高低硬度高低 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 滑石滑石 石膏石膏 方解石方解石 萤石萤石 磷灰石磷灰石 正

4、长石正长石 石英石英 黄玉黄玉 刚玉刚玉 金刚石金刚石 极软极软 极硬极硬 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 滑石滑石 石膏石膏 方解石方解石 萤石萤石 磷灰石磷灰石 正长石正长石 SiO玻璃玻璃 石英石英 黄玉黄玉 石榴石石榴石 熔融氧化锆熔融氧化锆 刚玉刚玉 碳化硅碳化硅 碳化硼碳化硼 金刚石金刚石 极软极软 极硬极硬 日常物品：日常物品：如指甲为如指甲为2.5，铜币为，铜币为3.5，铁钉为，铁钉为4.5，玻璃，玻璃 为为5.5，锯片和美工刀为，锯片和美工刀为6.5。碳化硅、碳化硼等硬度大。碳化硅、碳化硼等硬度大 于于9。摩氏硬度的数字之间没有比例上的

5、关系摩氏硬度的数字之间没有比例上的关系，如石英，如石英 的硬度为的硬度为7，并不表示其硬度为滑石的，并不表示其硬度为滑石的7倍。倍。 铅笔硬度：铅笔硬度：利用标准铅笔的硬度，对所测试产品的表利用标准铅笔的硬度，对所测试产品的表 面进行刮伤测试，来判别产品表面的硬度。这种方法面进行刮伤测试，来判别产品表面的硬度。这种方法 适用于检测适用于检测油漆表面油漆表面的硬度，铅笔检测角度的硬度，铅笔检测角度45，铅，铅 笔规格：笔规格：6B -9H。 （二）（二） 布氏硬度布氏硬度 用一定的压力将用一定的压力将淬火钢球淬火钢球(10mm)或或硬质合金球硬质合金球压头压入试压头压入试 样表面，保持规定的时间

6、样表面，保持规定的时间(10-30s)后卸除压力，试件表面留下压后卸除压力，试件表面留下压 痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力为痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力为布氏硬度值布氏硬度值。 H B P 压痕是在两个相互垂直方向上测量的平均值。压痕是在两个相互垂直方向上测量的平均值。 布氏硬度法主要用来测定布氏硬度法主要用来测定高分子、金属材料高分子、金属材料中较软中较软及及中等中等硬硬 度的材料，很少用于陶瓷。度的材料，很少用于陶瓷。 式中：式中：P负荷负荷(kgf) D钢球直径钢球直径(mm) d压痕直径压痕直径(mm) 布氏硬度仪布氏硬度仪 P 压头与压力的选择：压头与压力的选择：要使同

7、一材料上测得的布要使同一材料上测得的布 氏硬度相同，或不同材料上测得的布氏硬度之氏硬度相同，或不同材料上测得的布氏硬度之 间可以相互比较，间可以相互比较，F/D2应为常数应为常数，GB 231-84规规 定了定了7种种F/D2的值。的值。 材材 料料HB/MPa（F/D2）/MPa 钢及铸铁钢及铸铁140，14010，30 铜及合金铜及合金35，35130，130 5，10，30 轻金属及合金轻金属及合金 35，1.25，2.5 35805，10，15 8010，150 铅、锡铅、锡1，1.25 压头直径：压头直径：尽可能选用尽可能选用10 mm直径的压头。压痕直径的压头。压痕 直径直径d应在

8、应在（0.25 -0.60)D范围内，所测硬度才有范围内，所测硬度才有 效；若效；若d值超出上述范围，则应另选值超出上述范围，则应另选F/D2的值，重的值，重 做试验。做试验。 压力时间：压力时间：软材料保持时间长软材料保持时间长60 s， 硬材料保持时间短硬材料保持时间短10-30s。 压头种类：压头种类：淬火钢球压头（淬火钢球压头（HBS）：）：450HB 硬质合金球压头（硬质合金球压头（HBW）：）：650HB 硬度表示方法：硬度表示方法： 150HBS10/300/30 直径直径 压力压力kgf 时间时间 优：优：布氏硬度测定采用大直径的压头和压力，压布氏硬度测定采用大直径的压头和压力

9、，压 痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的 综合平均性能，而不受个别相和微区不均匀性的综合平均性能，而不受个别相和微区不均匀性的 影响，因此布氏硬度测定值的影响，因此布氏硬度测定值的分散性小分散性小，重复性重复性 好，好，特别适合测定特别适合测定灰铸铁和轴承合金灰铸铁和轴承合金这样的具有这样的具有 粗大晶粒或粗大组成相的材料硬度。粗大晶粒或粗大组成相的材料硬度。 劣：劣：压痕大，不宜进行压痕大，不宜进行无损测定无损测定， 不能测定不能测定薄壁件或表面硬化层薄壁件或表面硬化层的硬度的硬度 压痕直径测定压痕直径测定时间长、效率低时间长、效率低。 （三

10、）（三） 洛氏洛氏硬度硬度 直接测量压痕深度，并以压痕深浅表示材料的硬直接测量压痕深度，并以压痕深浅表示材料的硬 度。度。 金刚石圆锥体金刚石圆锥体 钢球钢球 1.588 120 洛氏硬度标尺：洛氏硬度标尺：不同压头并施加不同的压力组成不同压头并施加不同的压力组成A、B和和C标尺，标尺， 记为记为HRA：金刚石压头，主载荷为金刚石压头，主载荷为490.3N HRB：钢球压头，主载荷为钢球压头，主载荷为882.6N HRC：金刚石压头，主载荷为金刚石压头，主载荷为1373.0N 预载荷：预载荷：98.1N HRCHRC测定测定： 人为规定为人为规定为e e=0.2mm,HRC=0=0.2mm,H

11、RC=0；e e=0,HRC=100=0,HRC=100；即压痕；即压痕 深度每增加深度每增加0.002mm0.002mm，HRCHRC降低降低1 1个单位，所以：个单位，所以： HRC=(0.2-HRC=(0.2-e e)/0.002=100-()/0.002=100-(e e/0.002) /0.002) （l-1l-1） 材料越硬，压痕的深度越小；反之，压痕深度大。材料越硬，压痕的深度越小；反之，压痕深度大。 式（式（l-1） 制成洛氏制成洛氏 硬度读数硬度读数 表盘，主表盘，主 载荷卸除载荷卸除 后，能从后，能从 表盘上直表盘上直 接读出接读出 HRC的值的值. HRBHRB测定测定：

12、人为规定为：人为规定为e e=0.26mm,HRB=0=0.26mm,HRB=0；e e=0,HRB=130=0,HRB=130； 即压痕深度每增加即压痕深度每增加0.002mm0.002mm，HRBHRB降低降低1 1个单位，所以：个单位，所以： HRC=(0.26-HRC=(0.26-e e)/0.002=130-()/0.002=130-(e e/0.002) /0.002) （2-22-2） 硬度表示方法硬度表示方法：4545HR30THR30T：用：用1.5881.588钢球，总载荷钢球，总载荷294.2 294.2 8080HR30NHR30N：用金刚石锥体，总载荷：用金刚石锥体，

13、总载荷294.2 294.2 优：优：测定简便迅速，效率高；测定简便迅速，效率高； 对试样表面损伤小，可用于成品的检验；对试样表面损伤小，可用于成品的检验； 测定可根据材料的软硬选用金刚石或钢球作压头，并施加测定可根据材料的软硬选用金刚石或钢球作压头，并施加 不同的主载荷，可用于测定各种不同材料的硬度。不同的主载荷，可用于测定各种不同材料的硬度。 劣：劣：压痕小，洛氏硬度对材料的组织不均匀性很敏感，测试结果压痕小，洛氏硬度对材料的组织不均匀性很敏感，测试结果 比较分散，重复性差，不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。比较分散，重复性差，不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。 （四）（四） 维氏硬度维氏

14、硬度及努氏硬度及努氏硬度 金刚石金刚石棱锥体、长菱形压头，棱锥体、长菱形压头，维氏维氏适用于表面硬化层和薄膜适用于表面硬化层和薄膜 材料材料，硬化层厚度或试样厚度，硬化层厚度或试样厚度1.5d。努氏努氏极薄层或极薄零件，极薄层或极薄零件， 丝、带等细长件以及硬而脆的材料（如陶瓷、宝石等）的硬度，丝、带等细长件以及硬而脆的材料（如陶瓷、宝石等）的硬度， 测量精度高。测量精度高。 P P P P 维氏硬度测量原理 各种材料硬度各种材料硬度（ HBHVHK ） 材料材料条件条件硬度（硬度（kg/mm2） 金属金属 99.5%铝铝 铝合金铝合金 软钢（软钢（0.2%C） 退火退火 冷轧冷轧 退火退火

15、沉淀硬化沉淀硬化 正火正火 20 40 60 170 120 陶瓷陶瓷 WC 金属陶瓷金属陶瓷 Al2O3 B4C BN（立方）（立方） 金刚石金刚石 烧结烧结 20 750 1500-2400 1500 1000 -1500 2500-3700 7500 6000-10000 玻璃玻璃 硅石硅石 钠钙玻璃钠钙玻璃 光学玻璃光学玻璃 700-750 540-580 550-600 高分子聚合物高分子聚合物 聚丙乙烯聚丙乙烯 有机玻璃有机玻璃 17 16 显微硬度 （五）显微硬度（五）显微硬度 维氏硬度试验法均无法满足要求。另其也不适合测定陶瓷维氏硬度试验法均无法满足要求。另其也不适合测定陶瓷

16、等脆性材料的硬度，因为陶瓷材料在大的测定载荷作用下等脆性材料的硬度，因为陶瓷材料在大的测定载荷作用下 容易破裂。容易破裂。 显微硬度试验：显微硬度试验：载荷小于载荷小于9. 807 N ( 1. 0 kgf )的硬度试验。的硬度试验。 显微维氏硬度：显微维氏硬度：340HV0. 1 显微努氏硬度：显微努氏硬度：640HK0. 05 测定微小部件或极测定微小部件或极 小区域内的物质，例如小区域内的物质，例如 晶粒、组成相晶粒、组成相或或夹杂物夹杂物 的硬度，或研究的硬度，或研究扩散层扩散层 组织、偏析相、硬化层组织、偏析相、硬化层 深度深度时，布氏、洛氏、时，布氏、洛氏、 实验演示 教材 P26

17、2 - 266 实验实验40 材料显微硬度的测定材料显微硬度的测定 （六）肖氏硬度（回跳硬度）（六）肖氏硬度（回跳硬度） 测定原理：将一定质量的具有金刚石圆头或钢球的标准测定原理：将一定质量的具有金刚石圆头或钢球的标准 冲头从一定高度冲头从一定高度h0自由下落到试样表面，由于试样的弹性变自由下落到试样表面，由于试样的弹性变 形使其回跳到某一高度形使其回跳到某一高度h，用这两个高度的比值来计算肖氏，用这两个高度的比值来计算肖氏 硬度值：硬度值： HS K（h /h0） 式中式中：K常数（常数（K =140）；）；h0冲头下落高度；冲头下落高度； h冲头回跳高度冲头回跳高度 HS19A型肖氏硬度计

18、型肖氏硬度计（ h0 =19mm） 里氏硬度计：里氏硬度计：用规定质量的冲击体在用规定质量的冲击体在弹力作用弹力作用 下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样 表面表面1 mm处的回弹速度处的回弹速度vR与冲击速度与冲击速度vA的比值的比值 计算硬度计算硬度（GB/T 17394-1998）： HL=1000 vR/vA 类型：类型：根据试样表面粗糙根据试样表面粗糙 度、厚度等不同，有度、厚度等不同，有D、 DC、G、C 里氏硬度计。里氏硬度计。 里氏硬度值：里氏硬度值：700HLD （七）邵氏硬度与巴氏硬度（七）邵氏硬度与巴氏硬度 橡胶、塑料等高分子材

19、料的橡胶、塑料等高分子材料的 硬度除半定量的铅笔硬度外，还硬度除半定量的铅笔硬度外，还 可以用可以用邵氏硬度计和巴氏硬度邵氏硬度计和巴氏硬度计计 进行定量的测定。进行定量的测定。 邵氏硬度邵氏硬度是将一定形状的钢是将一定形状的钢 制压针，在载荷作用下压人制压针，在载荷作用下压人 试样表面，当压足平面与试试样表面，当压足平面与试 样表面紧密贴合时，测量压样表面紧密贴合时，测量压 针相对于压足平面的伸出长针相对于压足平面的伸出长 度。通过公式计算或通过仪度。通过公式计算或通过仪 表得到邵氏硬度值，符号为表得到邵氏硬度值，符号为 Ha。 巴氏硬度巴氏硬度符号为符号为Hb。 硬度的测试方法总结：硬度的

20、测试方法总结： 硬度试验的主要目的是测量材料的适用性，通过对硬度硬度试验的主要目的是测量材料的适用性，通过对硬度 的测量间接了解材料的其它力学性能，如固化程度、拉伸性的测量间接了解材料的其它力学性能，如固化程度、拉伸性 能。能。检测硬度的方法很多。根据作用方式不同分为：检测硬度的方法很多。根据作用方式不同分为： （一）静负荷硬度测试法：（一）静负荷硬度测试法：在压头卸荷之后，对压痕进行在压头卸荷之后，对压痕进行 测量（布氏法、维氏法、洛氏法、努氏法）测量（布氏法、维氏法、洛氏法、努氏法） （二）压头作切线运动的硬度测试法（二）压头作切线运动的硬度测试法 1莫氏硬度莫氏硬度： 2划痕硬度测试划痕硬度测试： 3. 研磨硬度测试法研磨硬度测试法：利用一旋转的圆盘或滚筒作为压入体利用一旋转的圆盘或滚筒作为压入体 在其表面铺上一层浮动的或固定的磨料。试验时，或者试件在其表面铺上一层浮动的或固定的磨料。试验时，或者试件 对动的压入体作切向