材料性能学：3-金属在其他静载荷下的力学性能-硬度

1、1第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 引言 2.1 应力状态系数 2.2 压缩 2.3 弯曲 2.4 扭转 2.5 硬度 2.6 带缺口试样静载荷试验2前 言古时，利用固体互相刻划来区分材料的软硬硬度仍用来表示材料的软硬程度硬度值大小取决于材料的性质、成分和显微组织，测量方法和条件不符合统一标准就不能反映真实硬度。目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。硬度测定简便，造成的表面损伤小，基本上属于“无损”检测的范畴。测定硬度的方法很多，主要有压入法，回跳法和刻划法三大类。32.5 硬度一、硬度及其意义 1、硬度： 定 义：材料在表面上不大体积内抵抗塑性变形或破裂的能力，或软硬程度。随试验方法

2、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、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。 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。（都列入有关表中）4二、硬度试验 1、布氏硬度（Brinell Hardness，1900年提出） （1）原理 用一定直径D的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氏硬度。 d压痕直径公式表明，当压力和压头直

3、径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。567由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，压入角应相等。布氏硬度相同时，要保证压入角相等，则P/D2应为常数。国标GB231-84根据材料的种类及布氏硬度范围，规定了7种P/D2之值。8（2）压头直径选定:试件的厚度应大于压痕深度的10倍。尽可能选用大直径的压头。根据材料及其硬度范围，选择P/D2。测试加载压力与试件表面垂直，均匀平稳，无冲击。 压力作用下的保持时间有规定：对

4、黑色金属应为10秒有色金属为30秒对HB35的材料为60秒压痕直径d不在0.25 0.6 D 范围无效。910（3）符号表示：压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBWHBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。例：150HBSl0300030表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值为150；500HBW5750，表示用硬质合金球，压头直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒(保持时间为10-15，不加标注)，测得布氏硬度值为500。11（4）布氏硬度的优缺点 优点：1）压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相

5、的综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。 2）试验数据稳定，重复性好，应用广泛。 3）适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，象灰铸铁和轴承合金等。 4）试验证明，在一定的条件下，布氏硬度与抗拉强度存在如下的经验关系：b=k HB 式中k为经验常数，随材料不同而异。缺点：1)压痕大，不宜在产品上直接测量； 2)对不同硬度的材料，需换不同的压头，麻烦！ 3)钢球本身的变形问题； 4)不宜于薄件测试。12为了克服布氏硬度的不足，1919年提出了洛氏硬度 （1）原理 以压头留下的压痕深度来表示材料的硬度值。 压痕深度h越大，硬度值越低。 规定： 不同的压头，k值不同；金刚石k=0.2；钢

6、球k=0.26 锥头又分成=120o的圆锥或四面锥。 压痕深度（硬度值）可直接读出 2、洛氏硬度（Rockwell Hardness）13初载荷： F1，压入h1主载荷： F2，压入h2去主载荷F2，只保留初载荷F1，由于弹性变形，使压头升高h3实际压入深度：hh2h3试验程序先加10kg预压力，再加主压力。预压力+主压力=总压力，总压力视材料的软硬而定；不同压头和施加不同的总压力，组成不同的洛氏硬度标尺。常用A、B和C三种标尺，C标尺最普遍。用这三种标尺的硬度记为HRA、HRB和HRC。14（2）测定HRC步骤（采用金刚石压头）先加10kgf预载，压入材料表面的深度为t0，此时表盘上的指针指

7、向零点(见图(a)。然后再加上140kgf主载荷，压头压入表面的深度为t1，表盘上的指针逆时针方向转到相应的刻度(见图(b)。卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复，压头将回升一段距离，即(t1-t)，表盘上的指针将相应地回转(见图(c)。最后，在试件表面留下的残余压痕深度为t。为符合人的思维，即数值越大越硬，规定：t0.2mm时, HRC0；t0,HRC100，压痕深度每增0.002mm, HRC降低1个单位。于是有 HRC(0.2-t)0.002（100-t）0.002 15（3）种类HRA、HRB、HRC 最常用，改变压力和压头，可适用于不同的测试范围。表面洛氏 HR15N，HR30

8、N， HR45N，HR15T用来测定极薄试样及渗氮层的硬度。1617洛氏硬度的特点优点：因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，故测定洛氏硬度更为简便迅速,工效高，适用于大量的检验；对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验；因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。不存在压头的变形问题缺点：不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差。183、维氏硬度（Vickers Hardness，1925年提出）测定的原理和方法基本上与布氏硬度的相同，根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值所用的压头为金刚石制成的

9、四方角锥体，两相对面间的夹角为1360，所加的载荷较小当负荷改变时，压入角不变，因此负荷可以任意选择克服了布氏硬度中，F和D之间必须遵循F/D2为定值的约束关系。19已知载荷P，测得压痕两对角线长度后取平均值d，计算维氏硬度值，单位为kgf/mm2（一般不标注）载荷为5kgf,10kgf，20kgf，30kgf，50kgf和100kgf等6种压头压入试件表面，保持一定的时间后卸除压力，试件表面上留下压痕维氏硬度的表示方法与布氏硬度的相同，例：640HV3020，最前数字为硬度值，后面数字依次为载荷/保持时间。20维氏硬度可分为宏观和显微观两种：宏观：F=49.03980.7N 六级 大载荷 F

10、=1.96149.03N 七级 小载荷显微：F=98.0710-31.961N 五级通过测量对角线长度d计算出HV。2122优点：维氏硬度测试采用了四方角锥体压头，各种载荷作用下所得的压痕几何相似，载荷大小任意选择，所得硬度值均相同，不受布氏法那种载荷P和压头D的规定条件的约束。测量范围较宽，软硬材料都可测。压痕为一轮廓清晰的正方形，对角线长度易于精确测量，故精度较布氏法的高。可以测量薄试样缺点：测量较烦琐压痕小，受不均匀性的影响较大维氏硬度的特点和应用234、显微硬度布、洛及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，例如某个晶粒，某个组成相或夹杂物的硬度

11、显微硬度试验一般是指测试载荷小于200g力的硬度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度24显微维氏硬度显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，仍用HV表示测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理，必须注明载荷大小，以便比较如340HV0.1表示用0.1kgf的载荷测得的维氏显微硬度为340340HV0.05则是表示用0.05kgf的载荷测得的硬度为340252627285、努氏硬度（也属显微硬度） 采用四棱锥，对面角分别为172o30和130o。 力F除以压痕投影面积之商。 它比四等角锥测量值精确。 试样的表面不一定是很平整，而且组织不均匀，尤其是回旋体的表面。29肖氏硬度计305、肖氏硬度 一种动载荷试验法。 将一定重量的带有金刚石圆头或钢