Material Testing-硬度测试

1、1Design. Build. Ship. Service.Flextronics Mechanical Technology Center Doumen, ZhuhaiMay, 2009Alex Du Mechanical Property Test Method for Metal 2金属材料特性基本试验金属材料特性基本试验金属材料特性之基本试验方法主要采用下列几种：金属材料特性之基本试验方法主要采用下列几种： 拉伸试验 弯曲试验 Erichsen试验 圆筒深引伸试验 （LDR试验） 硬度测试3拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验屈服强度ss抗拉强度sb延伸率d杨氏模量E4拉伸试验拉伸试验根据

2、JIS的规定，板材的试验样片主要有5号和13号两种。其规格如下：试验样片型号宽度 W标距长度 L平行部长度 P肩部半径 R厚度 T13A2080约1202030试片厚度13B12.550约602030试片厚度52550约6015以上试片厚度5材料应力应变曲线材料应力应变曲线低碳钢的拉伸曲线图低碳钢的拉伸曲线图6材料应力应变曲线材料应力应变曲线从开始加载到断裂过程中的力学特性从开始加载到断裂过程中的力学特性 在作用于试件上的应力小于屈服极限ss以前，材料只产生弹性变形。当此力去除后材料又回复至原来的状态。此阶段之伸延荷重关系是直线比例关系。 当施加的应力大于屈服强度ss时，材料产生永久塑性变形。

3、此时试验样片除去荷重也不会回复至原来状态。B点是材料从弹性变形转为塑性变形的边界点。 在曲线的B点处出现了一段所谓的屈服平台。大多数工业用塑性金属，如调质处理的合金钢，退火铝合金，青铜，镍等，则没有明显的屈服点。这时的屈服应力规定用e0.2时的应力表示。 试样在屈服点以上继续拉伸，应力随变形程度的增加而上升，直到最大拉力点P。这时的条件应力即强度极限sb。 P点以后继续拉伸，试样断面出现局部收缩，形成所谓的缩颈。此后应力逐渐减小，曲线下降，直到Z 点发生断裂。7工程应力应变工程应力应变 VS 真实应力应变真实应力应变0APS 0010llllld)1 ()1 (0ddsSAPAP工程应力应变工

4、程应力应变 工程应力 P：载荷 A0：试样原始断面积工程应变 l1：拉伸后标距的长度 l0：试样原始标距长度真实应力应变真实应力应变 真实应力 )1ln()ln(ln0001delllll P：即时载荷 A：即时试样断面积 S：工程应力 d： 工程应变真实应变 l1：拉伸后标距的长度 l0：试样原始标距长度 d: 工程应变8工程应力应变工程应力应变 VS 真实应力应变真实应力应变工程应力应变曲线与真实应力应变曲线工程应力应变曲线与真实应力应变曲线9工程应力应变工程应力应变 VS 真实应力应变真实应力应变和条件应力应变曲线相比，真实应力应变曲线在塑性失稳点b处没有极大值，b以后的曲线仍是上升的。

5、这说明材料抵抗塑性变形的能力随应变的增加而增加，就是不断地产生硬化。所以真实应力应变曲线也称做硬化曲线。真实应力应变曲线的精确部分是出现缩颈以前的阶段，即在e0.20.3的范围内。为了实际应用，常将真实应力应变曲线表达为函数形式。NK)(*0eesN值1：每次材料受到变形后即产生硬化，变形难以达成。 N值0：变形增加也不使负荷力变化10变形温度对真实应力应变曲线的影响变形温度对真实应力应变曲线的影响金属在加热的条件下，原子激活能增加，会促使变形中的硬化效应得到消除或部分消除。这些软化现象的出现，就使流动应力降低。但在某些温度区域，由于金属脆性，出现了一些例外的情况。如钢在400左右的蓝脆区和8

6、00左右的相变区，流动应力反而有所升高。 但总的趋势仍是流动应力随温度升高而下降。从真实应力应变曲线来看，随温度升高，金属的硬化强度减小，并从一定温度开始，应力应变曲线成为水平线，这表明金属变形中的硬化效应完全被软化所抵消。右图所示为低碳钢在不同温度下的真应力应变关系曲线。11变形速度对真实应力应变曲线的影响变形速度对真实应力应变曲线的影响1.变形速度的增加，意味着位错运动速度的加快，因此必然需要作用更大的剪应力。2.由于变形速度的增加，没有足够时间发展软化过程，会导致流动应力的提高。3.增加变形速度又导致了热效应的增加。 变形速度最终对流动应力的影响，关系比较复杂，它主要根据金属在具体条件下

7、变形时硬化和软化的相对强度而定。12成形极限图成形极限图FLD13成形极限图成形极限图FLD成形极限曲线FLC（Forming Limit Curve），也称成形极限图（Forming Limit Diagram），是对板料成形性能的一种定量描述，同时也是对板料成形工艺成败的一种判断曲线。通过试验，求得一种材料在各种应力应变状态下的局部表面极限应变量（e1,e2)或（e1,e2)。以e2（或e2）为横坐标，e1（或e1）为纵坐标，建立表面应变坐标系。将测定的表面极限应变量（e1,e2)或（e1,e2)标绘在表面应变坐标系中。根据表面极限应变量在坐标系中的分布特征，将他们连成适当的曲线或构成条带

8、形区域。这就是材料的成形极限曲线FLC或成形极限图FLD。在FLD以上的区域为破坏区，FLD以下的区域为安全区。对于较厚的板材，FLD会移向更高，而对于塑性较低的材料，FLD会较低。FLD可以全面反映薄板在单向或双向拉应力作用下的局部成形极限。FLD为分析解决板料成形生产中的破裂问题提供了工具，例如： 分析解决模具缺陷以及模具设计问题。 分析制定板料成形工艺规程。 分析解决原材料问题。 用于计算机辅助板料成形极限分析。14成形极限图成形极限图FLD实验方法实验方法 利用照相制版，光刻技术，电化学腐蚀或其他方法在试样的一面绘制一定数量和排列图案的网格圆。 采用刚性凸模对试样进行胀形并让其表面的网

9、格圆发生畸变。当凸包上某个局部产生缩颈或破裂时。停止实验。 测量缩颈区或破裂区附近的网格圆长轴和短轴尺寸，由此计算金属薄板允许的局部表面极限主应变（e1,e2)。 以表面应变e2（或e2)为横坐标，表面应变e1（或e1)为纵坐标，建立表面应变坐标系。将试验测定的表面极限应变量（e1,e2)或（e1,e2)标绘在此坐标系中。根据表面极限应变量在坐标系中的分布特征，将其连成适当的曲线或构成条带形区域。即成形极限图FLD。15材料硬度测试材料硬度测试硬度的定义硬度的定义硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力。硬度是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的

10、综合指标。硬度测试方法分类硬度测试方法分类金属硬度检测主要有两类试验方法。v一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布氏、洛氏、维氏三种试验方法是最常用的，它们是金属硬度检测的主要试验方法。 v另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的，不可移动工件的硬度检测。 16HB布氏硬度布氏硬度17材料硬度测试之布氏硬度材料硬度测试之布氏硬度 原理原理对直径为D的硬质合金压头施加规定

11、的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验力除以压痕表面积的商来计算。 布氏硬度试验原理 )(/2102. 0/22dDDDFDhFSFHB式中：F 试验力，N； S 压痕表面积，mm； D 球压头直径，mm； h 压痕深度， mm； d 压痕直径，d=(d1+d2)/2, mm 18材料硬度测试之布氏硬度材料硬度测试之布氏硬度特点特点 布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直径球形压头，3000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响，因此

12、特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。 布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。试验条件试验条件布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头，3000kg试验力。这一条件最能体现布氏硬度的特点。但是由于试样材质不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试验力，一种压头自然不能满足要求。在试验力和压头球直径的选择

13、方面需要遵循的规则有2个。19材料硬度测试之布氏硬度材料硬度测试之布氏硬度 规则一，要使试验力和球压头直径的平方之比为一个常数。即F1/D12=F2/D22=K根据相似律，在左图中不同直径的球压头D1、D2在不同的试验力F1、F2作用下压入试样表面，压痕直径d1、d2是不同的，但是只要压入角1、2相同，压痕就具有相似性。这时试验力和压头球直径的平方之比就是一个常数。在这种条件下，采用不同的试验力和不同直径的球压头，在同一试样上测得的硬度值是相同的，在不同的试样上测得的硬度值是可以相互比较的。试验力与压头球直径平方之比在采用公斤力的旧标准中表示为F/D2，在采用牛顿力的新标准中表示为0.102

14、F/D2。 布氏硬度压痕相似原理 规则二，试验后要使压痕直径处于以下范围：0.24D d 0.6D 否则试验结果是无效的,应选择合适的试验力重新试验。大量试验结果表明，当压头直径在0.24D0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。 20材料硬度测试之布氏硬度材料硬度测试之布氏硬度布氏硬度实验规范布氏硬度实验规范材料硬度范围HB试件厚度(mm)载荷P (kgf)钢球直径D (mm)P/D2载荷保持时间 ( 秒 )黑色金属140-4506-330001030104-275052187.52.5610001010106-32505610001010306-325056250102.5306-3

15、62.55315.62.521HRx洛氏硬度洛氏硬度22材料硬度测试之洛氏硬度材料硬度测试之洛氏硬度原理原理在规定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度h代表硬度的高低。 1在初始试验力F0下的压入深度；2在总试验力F0+F1下的压入深度；3去除主试验力F1后的弹性回复深度；4残余压入深度h；5试样表面；6测量基准面；7压头位置根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和金刚石圆锥压入求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。HRB：是采用100kg载荷和直径1

16、.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。HRC：是采用150kg载荷和金刚石圆锥压入求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。 23材料硬度测试之洛氏硬度材料硬度测试之洛氏硬度洛氏硬度值按下式计算：HR = N - h / s N常数，对于A、C、D、N、T标尺，N=100；其他标尺，N=130； h残余压痕深度，mm； S常数，对于洛氏硬度，S=0.002mm，对于表面洛氏硬度，S=0.001mm。特点特点HRC含意是洛式硬度C标尺 ，适用范围HRC 2067，相当于HB225650。若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。若硬度低于此范围则用洛式硬度

17、B标尺HRB。 洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类。洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。）洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。 在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：1HRC1/10HB。 24材料硬度测试之洛氏硬度材料硬度测试之洛氏硬度洛氏硬度标尺技术条件洛氏硬度标尺技术条件 洛氏硬度标尺洛氏硬度标尺 硬度符号硬度符号 压头类型压头类型 初试验力初试验力F0（N）主试验力主试验力F1（N）总试验力总试验力F0+ F1（N）适用范围适用

18、范围 AHRA120金刚石圆锥 98.07490.3588.42088HRABHRB1.5875mm钢球 98.07882.6980.720100HRBCHRC120金刚石圆锥 98.07137314712070HRCDHRD120金刚石圆锥 98.07882.6980.74077HRDEHRE3.175mm钢球 98.07882.6980.770100HREFHRF1.5875mm钢球 98.07490.3588.460100HRFGHRG1.5875mm钢球 98.07137314713094HRGHHRH3.175mm钢球 98.07490.3588.480100HRHKHRK3.175

19、mm钢球 98.071373147140100HRK25材料硬度测试之洛氏硬度材料硬度测试之洛氏硬度表面洛氏硬度标尺技术条件表面洛氏硬度标尺技术条件表面洛氏硬度标尺表面洛氏硬度标尺 硬度符号硬度符号 压头类型压头类型 初试验力初试验力F0（N）主试验力主试验力F1（N）总试验力总试验力F0+ F1（N）适用范围适用范围 15NHR15N120 金刚石圆锥 29.42117.7147.17094HR15N30NHR30N264.8294.24286HR30N45NHR45N411.9441.32077HR45N15THR15T1.5875mm钢球 29.42117.7147.16793HR15T

20、30THR30T264.8294.22982HR30T45THR45T411.9441.31072HR45T26材料硬度测试之洛氏硬度材料硬度测试之洛氏硬度洛氏硬度标尺的选择洛氏硬度标尺的选择试样材料试样材料 压头压头 标尺标尺 总试验力（总试验力（kg）高硬度或薄硬材料。如硬质合金、硬化薄钢带、渗碳后的淬硬钢。 金刚石压头 A60中低硬度材料。如退火后的中低碳钢、不锈钢、铜合金、超硬铝合金、可锻铸铁等。是应用较广的洛氏硬度标尺。 1/16钢球 B100淬火及低温回火的一般钢材、冷硬铸铁、珠光体可锻铸铁、钛合金等，及硬度值超过HRB100的材料。是应用最广的洛氏硬度标尺。 金刚石压头 C150

21、中等渗层表面硬化钢、薄硬钢板、珠光体可锻铸铁。 金刚石压头 D100铸铁、铝合金、镁合金、轴承合金。 1/8钢球 E100退火黄铜、紫铜、铝合金、软钢薄板。 1/16钢球 F60铍青铜、磷青铜、可锻铸铁等（HRB值接近100的材料）。 1/16钢球 G150铝、锌、铅等软金属。 1/8钢球 H60软金属薄材、轴承合金。 1/8钢球 K15027HV维氏硬度维氏硬度28材料硬度测试之维氏硬度材料硬度测试之维氏硬度原理原理维氏硬度试验使用正四棱锥形的金刚石压头，其相对面夹角为136。由于其硬度极高，金刚石压头可以用于压入几乎所有材料，而且棱锥的形状使得压痕和压头本身的大小无关。将压头用一定的负荷（

22、试验力）压入被测材料表面。保持负荷一定时间后，卸除负荷，测量材料表面的方形压痕之对角线长度。对相互垂直的二对角线长度（l1和l2）取其算术平均值。 维氏硬度值的计算公式为： F = 负荷 (牛顿力) S = 压痕表面积 (平方毫米) = 压头相对面夹角=136 d = 平均压痕对角线长度 (毫米) 29材料硬度测试之维氏硬度材料硬度测试之维氏硬度表示方法表示方法维氏硬度表示为HV，维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。标准的试验保持时间为1015S。如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间。例如：600HV30表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间1015S时得到的硬度值为600。600HV30/20表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间20S时得到的硬度值为600。试验分类试验分类试验力范围/N 硬度符号 试验名称 F49.03HV5维氏硬度试验 1.961F49.03HV0.2HV5小负荷维氏硬度试验 0.09807F1.961HV0.01HV0.2显微维氏硬度试验 30材料硬度测试之维氏硬度材料硬度测试之维氏硬度维氏硬度试验力维氏硬