第2章金属的硬度

1、1金属力学性能 第2章 金属的硬度2本章内容1. 硬度及其意义2. 布氏硬度3. 维氏硬度4. 洛氏硬度5. 硬度测量操作要点6. 金属的硬度与强度的关系3 1、硬度 表征材料软硬程度的一种性能,随试验方法的不同，物理意义不同。 2、硬度的种类 压入法：布氏硬度、洛氏、维氏、普氏等。表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。应力状态软性系数最大，2，几乎所有的材料都能产生塑性变形。 刻划法：莫氏硬度。表征材料对切断的抗力。 回跳法：肖氏硬度。表征金属弹性变形功的大小。 同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一材料进行标定。1. 硬度及其意义4 硬度测试过程中压痕区域材料发生弹性变形、塑性

2、变形甚至断裂； 压痕区域材料的力学行为复杂，反映了材料弹塑性变形以及加工硬化能力； 硬度试验较简便，工程上多作为经验数据使用，如鉴别材料和工艺好坏； 硬度数据与其它力学性能指标存在一定关系，如与抗拉强度。原因在于硬度和抗拉强度都与大塑性变形抗拉有关。5表面渗氮处理齿轮6布氏硬度（Brinell hardness）1900年，瑞典工程师J.A. Brinell（1849-1925）提出。7Brinell设计和制造第一台布氏硬度仪目前机器8原理用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力，将其压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力。试样表面留下压痕。力除以压痕球形表面积的商就是布

3、氏硬度。压头：淬火钢球；或硬质合金钢球2. 布氏硬度9球冠表面积（压痕面积）22222()( )222(11() )2(11(sin) )22SRHDHDDdHDdHDDH1022222()( )222(11() )2(11(sin) )22SRHDHDDdHDdHDDH压痕面积=球冠表面积11其中P为施加的压力；D为钢球直径；d为球冠直径HB的单位是Kgf/mm2上面的式子中， ，当 确定时，张角 也就唯一确定，从而HB也唯一确定。为了保证对同一材料，测量的HB相同，那么必须满足： 此时，也就是两次测量在几何上是相似的，这就是布氏硬度测量的相似性原理。sin2dD2DP222211DPDP2

4、112问题：选择多大的 ？要靠标准规定！ 大，那么压痕深；否则，压痕浅。 对于布氏硬度测量，希望硬度不要太深，也不要太浅。因此对硬的材料， 大一些，对软的材料， 小一些。 试验表明，压痕太深、太浅测量结果稳定性都不好，大量试验表明，在下面的试验条件下，测量结果最为稳定： 当2DP2DP2DP2DPODdD6029, 5 . 0sin25. 0,5 . 025. 0O即即时，测试效果最好。O5 .4413布氏硬度试验规程 试样厚度: 样品厚度一般要远大于压痕深度, 载荷较大，样品要厚。 P/D2：样品硬度高，P/D2要大。查表。 载荷保持时间：压头压入材料后，材料的塑性变形需要时间，硬度越高，塑

5、性往往越小，载荷保持时间可以越小14以钢（黑色金属）和铝合金（有色金属）为例，说明：1. 为什么钢的P/D2取30，而铝的P/D2取10？2. 为什么钢的载荷保持时间比铝的小？3. 试样厚度与载荷大小的关系？为什么样品厚度压痕深度10倍？15布氏硬度数据表示方法 载荷、压头直径、保持时间是布氏硬度试验三要素。 150HBS10/1000/30表示：硬度150，S表示采用淬火钢球；10表示压头直径10mm，1000表示载荷为1000Kg，30表示载荷保持时间为30s 200HBW10/3000/10表示：硬度200，硬质合金钢球；压头直径10mm，载荷3000Kg，载荷保持时间10s。16布氏硬

6、度试验 查待测材料可能的硬度 查手册选择试验标准，包括载荷、压头直径、保持时间等 进行试验测试。 尽可能选择较大载荷！17布氏硬度特点优点： 压痕面积大，反映较大范围内材料的硬度性能 试验数据稳定，重复性好，应用广泛 适用于晶粒粗大、相组成复杂、相尺寸较大的材料缺点： 为保证数据可靠，需根据材料的种类和试样的厚薄更换压头。d=0.240.6D 属有损检测，压痕较大，不能在成品表面进行检测 试验操作和压痕测量费时，工作效率低，不能连续检测，在大批量生产检验时不宜使用183. 维氏硬度（Vickers hardness） The Vickers hardness test was develope

7、d in 1921 by Robert L. Smith and George E. Sandland at Vickers Ltd as an alternative to the Brinell method to measure the hardness of materials.19=136o的金刚石四棱锥体取=136o 与布氏硬度的计算方法相同。总满足几何相似性！维氏硬度可分为宏观和微观两种：宏观：F=49.03980.7 N 六级 大载荷 F=1.96149.03 N 七级 小载荷显微：F=98.0710-31.961 N 五级22854. 1)2/136sin(P2dPdFPHV

8、o压痕20 为什么选择136o？布氏硬度中，要求：当 为44o时，其对角为136o。 为什么维氏硬度测试不同的材料不需要更换压头？维氏硬度测量时，压痕总接近于满足几何形状的相似性ODdD6029, 5 . 0sin25. 0,5 . 025. 0O即即213. 维氏硬度特点 只需要测试压痕对角线长度d，根据公式可以计算出硬度 可以用于测量从软到硬的材料 维氏硬度测试的数值可以直接比较 理论上可以选择任意载荷 但是具体测试时，希望压痕不要太浅，也不要太深，一般在5，10，20，30，50，100，120Kg选择合适的载荷，选择的依据是该材料的硬度。22显微硬度 载荷很小的维氏硬度，载荷大小从5g

9、到200g 可以用于分析材料中某一个相的硬度，或者单个晶粒内的硬度 可以用于分析渗层中的硬度变化 可以用于鉴别不同的相，例如：23维氏硬度测试方法根据材料种类、硬度选择合适的载荷、保压时间测试压痕对角线直径计算维氏硬度注意压痕形状需要在下图a中为最佳24 计算题1：在294.3N（30kgf）载荷下测定某钢材的维氏硬度。测得压痕对角线长度为0.454mm，计算该钢材的维氏硬度值。25 计算题1：在294.3N（30kgf）载荷下测定某钢材的维氏硬度。测得压痕对角线长度为0.454mm，计算该钢材的维氏硬度值。26 计算题1：在294.3N（30kgf）载荷下测定某钢材的维氏硬度。测得压痕对角线

10、长度为0.454mm，计算该钢材的维氏硬度值。 答案：把30kgf带入进行计算时： 270把294.3N带入进行计算时：28544. 1dPHV 21891. 0dPHV 22854. 1)2/136sin(P2dPdFPHVo压痕27压头：圆锥角等于120O的金刚石圆锥体，或直径D1.588mm的淬火钢球P010Kgf98Nh0P0P1（140Kgf）h1P0e 最终深度4. 洛氏硬度（Rockwell hardness）改用压痕深度反映材料硬度28002. 0eHR,002. 0t,因此取kmmtekHRteHR 002. 0e100HR使用金刚石压头时，k0.2mm使用淬火钢球时，k0.

11、2mm，此时可能出现测试的结果为负值的情况，此时在上面公式中加30，得到：1300.002eHR-硬度小，压入深，数值大，与实际经验感受不符。29 上面的测量中，初始载荷10Kgf，主载荷140Kgf，得到的洛氏硬度称为HRC 其它载荷组合可以扩展硬度测量范围，从而得到HRA，HRB30表面洛氏硬度 洛氏硬度载荷较大，不能用来测量较薄渗层如渗碳层，或表面镀层的硬度，为此发展了表面洛氏硬度。 表面洛氏硬度初始载荷为3Kgf，主载荷有12，27，42Kgf等，31洛氏硬度特点优点：优点： 操作简便迅速，硬度值可以在设备上直接读出；操作简便迅速，硬度值可以在设备上直接读出； 压痕较小，可在工件表面测

12、量；压痕较小，可在工件表面测量； 可测量软硬不同的材料硬度可测量软硬不同的材料硬度缺点：缺点： 压痕较小，代表性差压痕较小，代表性差 材料中有偏析或组织不均匀时，数据重复性差，分散度大材料中有偏析或组织不均匀时，数据重复性差，分散度大 不同等级的洛氏硬度数据不具有可比性。如不同等级的洛氏硬度数据不具有可比性。如HRA，HRB，HRC数据不具有可比性。数据不具有可比性。32洛氏硬度的测量335. 硬度测量操作要点 压头和试样支撑架应当清洁并安装牢固； 测量表面应当清洁、干燥、光滑，没有氧化物 表面应当平坦，并与压头垂直 试样必须足够厚，厚度应当至少是压痕深度的10倍 两个压痕之间的间距应当是压痕

13、直径的35倍 全部测试中的加载速率应保持一致 需要用标准硬度试块进行标定。标准硬度试块是经过特殊制备的金属样品，它的粗糙度、硬度和硬度均匀性都经过标定。346.硬度与材料抗拉强度的关系 金属的压入硬度与抗拉强度成正比例关系： 其中k为比例系数，不同金属材料的k值不同，同一种类的金属经过热处理后，硬度和强度发生变化，但k值基本保持不变； 经过冷变形后，金属材料的k值不再是常数； 钢铁材料的k大约是3.3 精确的强度数据要靠直接测量得到。kHBb351、在用压入法硬度计测量硬度时，试讨论如下情况的误差： 过于接近试样的端面； 过于接近其他测量点； 试样太薄。2、硬度和材料抗拉强度之间具有上述比例关系的原因？ 思考题核心：都反映材料的大塑性变形抗力36作业1、列举拉伸力学性能主要性能指标及其意义。2、推导：形变强化指数等于最大均匀真应变3、推导极限延伸率计算公式。说明5倍拉伸试样和10倍拉伸试样测量得到的极限延伸率差别的原因？4、一个直径为2.5mm，长度200mm的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为2.2mm，计算：a）杆的最终长度（体积不变原理）；b）该载荷作用的真应力与真应变；c）该载荷作用下的条件应力与条件应变。5、何为应力状态软性系数？详细说明拉伸、压缩和扭转的应力状态及其应力状态软性系数。6、简述弯曲和扭转试验的特点。7、说明布氏硬度测量原