典型材料机械性能与检测

3.1材料的力学性能及检测

3.2材料的硬度及检测3.3

材料的耐磨性及评定方法第三章材料的机械性能与检测

一．硬度的定义硬度：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；硬度大小大致可判断材料的脆性、耐磨性等实用性能检测设备简单，操作迅速方便，是广泛应用的力学性试验方法。

3-2

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硬，据此来选用材料。半定量测定方法：如摩氏硬度、铅笔硬度、标准锉刀等，表征了材料表面对切断破坏方式的抗力。定量测定硬度方法：压入法：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度，表征了材料表面抵抗外物压人时引起塑性变形的能力；回跳法：肖氏硬度和里氏硬度，表征了材料弹性变形功的大小。二．硬度的测试方法(一）摩氏硬度摩氏硬度由奥地利矿物学家创立，确定10个矿物间相对硬度的标准。硬度材料硬度高低硬度材料硬度高低12345678910滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石石英黄玉刚玉金刚石极软极硬123456789101112131415滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石SiO玻璃石英黄玉石榴石熔融氧化锆

刚玉碳化硅碳化硼金刚石极软极硬日常物品：如指甲为2.5，铜币为3.5，铁钉为4.5，玻璃为5.5，锯片和美工刀为6.5。碳化硅、碳化硼等硬度大于9。摩氏硬度的数字之间没有比例上的关系，如石英的硬度为7，并不表示其硬度为滑石的7倍。铅笔硬度：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。这种方法适用于检测油漆表面的硬度，铅笔检测角度45°，铅笔规格：6B-9H。（二）

布氏硬度用一定的压力将淬火钢球(10mm)或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间(10-30s)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布氏硬度值。HBP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高分子、金属材料中较软及中等硬度的材料，很少用于陶瓷。式中：P——负荷(kgf) D——钢球直径(mm) d——压痕直径(mm)布氏硬度仪P压头与压力的选择：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间可以相互比较，F/D2应为常数，GB231-84规定了7种F/D2的值。材料HB/MPa（F/D2）/MPa钢及铸铁＜140，＞14010，30铜及合金＜35，35～130，＞1305，10，30轻金属及合金＜35，1.25，2.5＞35～805，10，15＞8010，150铅、锡1，1.25压头直径：尽可能选用10mm直径的压头。压痕直径d应在（0.25-0.60)D范围内，所测硬度才有效；若d值超出上述范围，则应另选F/D2的值，重做试验。压力时间：软材料保持时间长60s，硬材料保持时间短10-30s。压头种类：淬火钢球压头（HBS）：＜450HB硬质合金球压头（HBW）：≤650HB硬度表示方法：150HBS10/300/30直径压力kgf时间优：布氏硬度测定采用大直径的压头和压力，压痕面积大，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影响，因此布氏硬度测定值的分散性小，重复性好，特别适合测定灰铸铁和轴承合金这样的具有粗大晶粒或粗大组成相的材料硬度。劣：压痕大，不宜进行无损测定，

不能测定薄壁件或表面硬化层的硬度压痕直径测定时间长、效率低。（三）

洛氏硬度

直接测量压痕深度，并以压痕深浅表示材料的硬度。金刚石圆锥体钢球φ1.588120°洛氏硬度标尺：不同压头并施加不同的压力组成A、B和C标尺，记为HRA：金刚石压头，主载荷为490.3N

HRB：钢球压头，主载荷为882.6N

HRC：金刚石压头，主载荷为1373.0N预载荷：98.1NHRC测定：人为规定为e=0.2mm,HRC=0；e=0,HRC=100；即压痕深度每增加0.002mm，HRC降低1个单位，所以：

HRC=(0.2-e)/0.002=100-(e/0.002)（l-1）材料越硬，压痕的深度越小；反之，压痕深度大。式（l-1）制成洛氏硬度读数表盘，主载荷卸除后，能从表盘上直接读出HRC的值.HRB测定：人为规定为e=0.26mm,HRB=0；e=0,HRB=130；即压痕深度每增加0.002mm，HRB降低1个单位，所以：

HRC=(0.26-e)/0.002=130-(e/0.002)（2-2）硬度表示方法：45HR30T：用φ1.588钢球，总载荷294.2

80HR30N：用金刚石锥体，总载荷294.2优：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；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。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）

维氏硬度及努氏硬度

金刚石棱锥体、长菱形压头，维氏适用于表面硬化层和薄膜材料，硬化层厚度或试样厚度＜1.5d。努氏极薄层或极薄零件，丝、带等细长件以及硬而脆的材料（如陶瓷、宝石等）的硬度，测量精度高。PPPP

维氏硬度测量原理各种材料硬度（HB≈HV≈HK）材料条件硬度（kg/mm2）金属99.5%铝铝合金软钢（0.2%C）退火冷轧退火沉淀硬化正火204060170120陶瓷WC金属陶瓷Al2O3B4CBN（立方）金刚石烧结20℃750℃1500-240015001000-15002500-370075006000-10000玻璃硅石钠钙玻璃光学玻璃700-750540-580550-600高分子聚合物聚丙乙烯有机玻璃1716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。显微硬度试验：载荷小于9.807N(1.0kgf)的硬度试验。显微维氏硬度：340HV0.1显微努氏硬度：640HK0.05

测定微小部件或极小区域内的物质，例如晶粒、组成相或夹杂物的硬度，或研究扩散层组织、偏析相、硬化层深度时，布氏、洛氏、实验演示教材P262-266实验40材料显微硬度的测定（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硬度值：

HS＝K（h

/h0）式中：K—常数（K=140）；h0—冲头下落高度；h—冲头回跳高度HS—19A型肖氏硬度计（h0=19mm）里氏硬度计：用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度vR与冲击速度vA的比值计算硬度（GB/T17394-1998）：HL=1000vR/vA类型：根据试样表面粗糙度、厚度等不同，有D、DC、G、C里氏硬度计。里氏硬度值：700HLD（七）邵氏硬度与巴氏硬度橡胶、塑料等高分子材料的硬度除半定量的铅笔硬度外，还可以用邵氏硬度计和巴氏硬度计进行定量的测定。邵氏硬度是将一定形状的钢制压针，在载荷作用下压人试样表面，当压足平面与试样表面紧密贴合时，测量压针相对于压足平面的伸出长度。通过公式计算或通过仪表得到邵氏硬度值，符号为Ha。巴氏硬度符号为Hb。硬度的测试方法总结：

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。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：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）

（二）压头作切线运动的硬度测试法

1．莫氏硬度：

2．划痕硬度测试：

3.研磨硬度测试法：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，或者试件对动的压入体作切向运动，或者由转动的压入体向试件的表面压入。这种方法可认为是一种磨料磨损过程。

（三）冲击负荷硬度测试法：肖氏硬度测试强度越高，硬度值也越高。材料的各硬度值之间、硬度和强度之间有近似的对应关系。

非淬火钢σb=0.362HBHB>175

σb=0.345HBHB<175

碳钢σb=51.32×104/(100-HRC)2HRC<10

铸钢σb=(0.3-0.4)HB

σb=8.61×103/(100-HR