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1、第四章金属材料的硬度,1,教育教学,主要内容 硬度试验的分类、物理意义和特点 硬度试验 1）布氏硬度 2）洛氏硬度 3）维氏硬度 4）显微硬度 显微维氏硬度、显微努氏硬度 5）肖氏硬度,2,教育教学,一、硬度试验的分类、物理意义和特点 1. 硬度试验的分类,刻划法只能对硬度作定性评估，工程中已经很少使用,或者：压入法、回跳法、刻划法,3,教育教学,4,教育教学,2. 硬度试验的物理意义 1）压入法：材料表面抵抗物体压入引起的塑性变形的抗力 2）刻划法：材料抵抗表面局部断裂的能力 3）回跳法：材料弹性变形功的大小 硬度值：表征材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合
2、性能指标,5,教育教学,3. 硬度试验的特点 1）应力状态软性系数最大（2），塑性和脆性材料都可以测量，甚至像玻璃、陶瓷、金刚石等脆性材料，在硬度试验时，也表现为塑性状态 2）实验方法简单，无须加工试样 3）造成的表面损伤小，基本属于“无损”或微损检测范围 4）与其他静载荷下的力学性能指标之间存在一定关系，如可以由硬度大致推测强度值 5）测量范围大可至多个晶粒，小可测单个晶粒，甚至几个原子范围（纳米压痕仪(NanoIndenter)）,6,教育教学,二、硬度试验 1. 布氏硬度 1）布氏硬度测试法 1900年 瑞典 布利奈尔(Brinell),7,教育教学,说明: a）布氏硬度值的大小是压痕单
3、位面积上所承受的压力 b）布氏硬度值一般不标出单位 c）只要测量出压痕直径，就可以得出硬度值 d）硬度值越高，表示材料越硬 e）若测量数据能相互比较，必须载荷和钢球直径恒定 压痕相似原理,8,教育教学,如果只采用一种载荷和钢球直径，则 a）对于硬材料合适时，对较软材料不合适（钢球全部陷入材料内部） b）对于厚材料合适时，对薄材料不合适（薄材料被压透） c）对于大尺寸材料合适时，对小尺寸材料不合适（试样不能有过大的压痕） 最终结果：不同场合采用不同载荷和钢球直径 问题：对同一材料，不同P和D必须得到相同的硬度值 解决方法：建立P和D的匹配关系，使不同P和D形成的压痕在几何形状上相似（压痕相似原理
4、）,2）压痕相似原理,9,教育教学,压痕相似原理,得到相同的硬度值,压痕几何形状相似,压入角相等,10,教育教学,3）布氏硬度实验需要注意的问题 a）GB231-84规定了7种P/D2的值，不同材料选择不同值,11,教育教学,先选择压头直径D，再根据材料性质选P/D2，最后计算出P 根据试样厚度选择压头直径：试样厚度大于10倍的压痕深度；试样厚度足够时，选择D = 10 mm c）测试时保持所加压力与试样表面垂直，压力施加均匀平稳 d）压力保持时间：钢铁材料10s，有色金属30s，软金属60s e）使用的压头材质不同，布氏硬度的符号不同 HBS淬火钢球；HBW硬质合金球 f）硬度表示法：硬度符
5、号前数字为硬度值，后面数字为实验条件，依次为压头直径(mm)、压力(kgf)和保持时间(s) 200HBS10/3000/30 500HBW5/750（保持时间1015s不标注）,12,教育教学,4）布氏硬度实验的优缺点和适用范围 优点： a）压头直径和压力大，因而压痕面积大，能反映较大范围内材料各组成相综合影响的平均性能；适用于灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大相的材料 b）压痕面积大，测量不受个别组成相以及微小不均匀度的影响，实验数据稳定，重复性强 c）布氏硬度值和抗拉强度存在一定换算关系，可制定换算表 k为材料常数,13,教育教学,缺点： a）压痕面积大，对表面有要求的样品不利，需要在
6、图纸上注明测量位置 b）不能用于测定薄壁件或表面硬化层的硬度 c）淬火钢球压头测定HB450时压力过大，损坏压头 洛氏硬度,14,教育教学,2. 洛氏硬度 1919年 洛克威尔(Rockwell) 1) 试验方法：,硬质压头：顶角为1200的金刚石圆锥体制成 软质压头：直径为1.588mm（1/16英寸）的钢球,用压痕深度h的大小来衡量材料的硬度,15,教育教学,说明: a）材料越硬，h越小；材料越软，h越大 人为规定：常数K减去压痕深度h的值为洛氏硬度单位；压痕深度每增加0.002mm，硬度降低1个单位 金刚石压头：K = 0.2 mm；钢球压头：K = 0.26 mm b）采用不同的压头和
7、不同的总载荷，可以组成不同的洛氏硬度标尺，测定不同硬度范围,16,教育教学,c）测定洛氏硬度，试样表面应为平面；在圆柱面或球面上测量时，硬度值比真实值低，需要修正 圆柱面 球面,17,教育教学,2) 表面洛氏硬度 洛氏硬度载荷较大，不宜用于测量极薄试样和表面硬化层 表面洛氏硬度与普通洛氏硬度的不同： a）预载荷和总载荷比较小,b）常数K = 0.1 mm（压痕残余深度为0.1mm时的洛氏硬度为零），深度每减小0.001mm，表面洛氏硬度升高一个单位,18,教育教学,3）洛氏硬度优缺点 优点： a）硬度值可从表盘上直接读出，简便迅速，工效高 b）表面损伤较小，可用于成品零件的质量检验 c）有预加
8、载荷，可消除表面轻微不平度对结果的影响 缺点: a）洛氏硬度人为定义，不同标尺的洛氏硬度值无法比较 b）压痕小，硬度值对组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差,19,教育教学,3. 维氏硬度 1925年 史密斯(Smith)和桑兰德(Sandland)提出 维克尔斯(Vickers)工厂最早使用 1) 试验方法：,压头：面间夹角为1360的金刚石四方角锥体 单位压痕表面积上承受的压力,20,教育教学,说明: a）维氏硬度与布氏硬度定义相同（单位压痕表面积上承受的压力）；压头形状不同，加载较小 b）所加载荷有6种：5kgf、10kgf、20kgf、30kgf、50kgf、100kgf c
9、） d为两对角线长度平均值 d）维氏硬度值一般也不标出单位 e）维氏硬度表示方法与布氏硬度相同：符号前为硬度值，符号后依次为载荷大小（kgf）和保持时间（s） 640HV30/20,21,教育教学,3）维氏硬度优点 a）特别适用于表面硬化层和薄片材料的硬度测定 载荷P的选择：使硬化层或试样厚度大于1.5d 不知硬化层厚度：按从小到大的载荷顺序试验，直至两相邻载荷得出相同或相近结果 试样较厚：尽可能选择较大载荷，减小对角线测量误差和试样表面层影响,22,教育教学,b）四方角锥体压头使各种载荷下的压痕几何相似，所得硬度值均相同，不受布氏硬度载荷P和压头D的条件约束 c）测量范围较宽，软硬材料都可测
10、，比洛氏硬度优越（不同标尺无法比较） d）压痕对角线长度易于精确测量，精度比布氏法高；硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。,23,教育教学,4. 显微硬度 定义：一般指加载小于0.2kgf的硬度试验 分类：显微维氏硬度和显微努氏硬度 显微硬度的特点： a）布、洛、维氏三种硬度试验只能测得组织的平均硬度值，测定极小范围内的硬度需用显微硬度试验 b）布、洛、维氏三种硬度试验不能测定陶瓷等脆性材料的硬度（在加载条件下易破裂），显微硬度可测,24,教育教学,1) 显微维氏硬度 与普通维氏硬度的相同点： a）测试方法与维氏硬度相同 b）硬度计算公式相同 c）表示符号仍然为HV 与普通维
11、氏硬度的不同点： 加载较小，压痕不一定符合几何相似原理，测试结果需要注明载荷大小 340HV0.1(载荷为0.1kgf) 340HV0.05 (载荷为0.05kgf),实质上是小载荷的维氏硬度,25,教育教学,2) 显微努氏硬度 测试方法：,定义： 单位压痕投影面积上承受的力,菱形压痕 L是S的7.11倍,26,教育教学,说明: a）努氏硬度试验方法还没有国家标准，测试载荷通常为150N b）试样按照金相试样要求制备 c）压痕浅而细长，适于测定极薄层或极薄零件 d）测量精度和对表面状况的敏感度更高,27,教育教学,3) 显微硬度的特点 a）测定极小范围内的硬度，几乎不损坏试样 某个晶粒、组成相
12、或夹杂物的硬度 b）显微硬度可测陶瓷、玻璃、玛瑙等脆性材料的硬度 c）灵敏度高 特别适合评定细线材的加工硬化程度,28,教育教学,29,教育教学,5. 肖氏硬度（回跳硬度） 肖氏硬度：动载试验法 Shore提出 测试原理： 使一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤从高度h0落向试样表面，用回跳高度h与h0的比值计算硬度 K为肖氏硬度系数 h越高，HS越高；硬度值的大小取决于材料的弹性性质 特点： a）操作简便，压痕小，可现场测试 b）精度较低，重复性差 c）不同弹性材料的测试结果不能比较，如钢和橡胶,30,教育教学,金属材料的硬度 小 结,一、硬度试验的分类、物理意义和特点 1. 硬度试验的分类 2. 硬度的物理意义 3. 硬度试验特点（塑、脆都可测；无损检测） 二、各种硬度试验 1. 布氏硬度 测试方法、计算方法、压痕相似原理、优缺点 2. 洛氏硬度 测试方法、计算方法、表面洛氏硬度、优缺点,31,教育教学,3. 维氏硬度 测试方法、计算方法、特点 4. 显微硬度 显微维氏硬度、显微努氏硬度、测试和计算方法、特点 5. 肖氏硬度 测试方法及特点,32,教育教学,本章完,33,教育教学,