1、1金屬力學性能 第2章 金屬的硬度2本章內容硬度及其意義布氏硬度維氏硬度洛氏硬度硬度測量操作要點金屬的硬度與強度的關系3 1、硬度 表征材料軟硬程度的一種性能,隨試驗方法的不同，物理意義不同。 2、硬度的種類 壓入法：布氏硬度、洛氏、維氏、普氏等。表征材料的塑性變形抗力及應變硬化能力。應力狀態軟性系數最大，2，幾乎所有的材料都能產生塑性變形。 刻劃法：莫氏硬度。表征材料對切斷的抗力。 回跳法：肖氏硬度。表征金屬彈性變形功的大小。 同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一材料進行標定。硬度及其意義4 硬度測試過程中壓痕區域材料發生彈性變形、塑性變形甚至斷裂； 壓痕區域材料的力學行為復雜

2、，反映了材料彈塑性變形以及加工硬化能力； 硬度試驗較簡便，工程上多作為經驗數據使用，如鑒別材料和工藝好壞； 硬度數據與其它力學性能指標存在一定關系，如與抗拉強度。原因在于硬度和抗拉強度都與大塑性變形抗拉有關。5表面滲氮處理齒輪6布氏硬度（Brinell hardness）1900年，瑞典工程師J.A. Brinell（1849-1925）提出。7Brinell設計和制造第一臺布氏硬度儀目前機器8原理用一定直徑D的淬火鋼球或硬質合金球為壓頭，施以一定的試驗力，將其壓入試樣表面，經規定保持時間后，卸除試驗力。試樣表面留下壓痕。力除以壓痕球形表面積的商就是布氏硬度。壓頭：淬火鋼球；或硬質合金鋼球布氏

3、硬度9球冠表面積（壓痕面積）22222()( )222(11() )2(11(sin) )22SRHDHDDdHDdHDDH1022222()( )222(11() )2(11(sin) )22SRHDHDDdHDdHDDH壓痕面積=球冠表面積11其中P為施加的壓力；D為鋼球直徑；d為球冠直徑HB的單位是Kgf/mm2上面的式子中， ，當 確定時，張角 也就唯一確定，從而HB也唯一確定。為了保證對同一材料，測量的HB相同，那么必須滿足： 此時，也就是兩次測量在幾何上是相似的，這就是布氏硬度測量的相似性原理。sin2dD2DP222211DPDP2112問題：選擇多大的 ？要靠標準規定！ 大，那

4、么壓痕深；否則，壓痕淺。 對于布氏硬度測量，希望硬度不要太深，也不要太淺。因此對硬的材料， 大一些，對軟的材料， 小一些。 試驗表明，壓痕太深、太淺測量結果穩定性都不好，大量試驗表明，在下面的試驗條件下，測量結果最為穩定： 當2DP2DP2DP2DPODdD6029, 5 . 0sin25. 0,5 . 025. 0O即即時，測試效果最好。O5 .4413布氏硬度試驗規程 試樣厚度: 樣品厚度一般要遠大于壓痕深度, 載荷較大，樣品要厚。 P/D2：樣品硬度高，P/D2要大。查表。 載荷保持時間：壓頭壓入材料后，材料的塑性變形需要時間，硬度越高，塑性往往越小，載荷保持時間可以越小14以鋼（黑色金

5、屬）和鋁合金（有色金屬）為例，說明：為什么鋼的P/D2取30，而鋁的P/D2取10？為什么鋼的載荷保持時間比鋁的小？1. 試樣厚度與載荷大小的關系？為什么樣品厚度壓痕深度10倍？15布氏硬度數據表示方法 載荷、壓頭直徑、保持時間是布氏硬度試驗三要素。 150HBS10/1000/30表示：硬度150，S表示采用淬火鋼球；10表示壓頭直徑10mm，1000表示載荷為1000Kg，30表示載荷保持時間為30s 200HBW10/3000/10表示：硬度200，硬質合金鋼球；壓頭直徑10mm，載荷3000Kg，載荷保持時間10s。16布氏硬度試驗 查待測材料可能的硬度 查手冊選擇試驗標準，包括載荷、

6、壓頭直徑、保持時間等 進行試驗測試。 盡可能選擇較大載荷！17布氏硬度特點優點： 壓痕面積大，反映較大范圍內材料的硬度性能 試驗數據穩定，重復性好，應用廣泛 適用于晶粒粗大、相組成復雜、相尺寸較大的材料缺點： 為保證數據可靠，需根據材料的種類和試樣的厚薄更換壓頭。d=0.240.6D 屬有損檢測，壓痕較大，不能在成品表面進行檢測 試驗操作和壓痕測量費時，工作效率低，不能連續檢測，在大批量生產檢驗時不宜使用18維氏硬度（Vickers hardness） The Vickers hardness test was developed in 1921 by Robert L. Smith and

7、George E. Sandland at Vickers Ltd as an alternative to the Brinell method to measure the hardness of materials.19=136o的金剛石四棱錐體取=136o 與布氏硬度的計算方法相同。總滿足幾何相似性！維氏硬度可分為宏觀和微觀兩種：宏觀：F=49.03980.7 N 六級 大載荷 F=1.96149.03 N 七級 小載荷顯微：F=98.0710-31.961 N 五級22854. 1)2/136sin(P2dPdFPHVo壓痕20 為什么選擇136o？布氏硬度中，要求：當 為44o時，

8、其對角為136o。 為什么維氏硬度測試不同的材料不需要更換壓頭？維氏硬度測量時，壓痕總接近于滿足幾何形狀的相似性ODdD6029, 5 . 0sin25. 0,5 . 025. 0O即即21維氏硬度特點 只需要測試壓痕對角線長度d，根據公式可以計算出硬度 可以用于測量從軟到硬的材料 維氏硬度測試的數值可以直接比較 理論上可以選擇任意載荷 但是具體測試時，希望壓痕不要太淺，也不要太深，一般在5，10，20，30，50，100，120Kg選擇合適的載荷，選擇的依據是該材料的硬度。22顯微硬度 載荷很小的維氏硬度，載荷大小從5g到200g 可以用于分析材料中某一個相的硬度，或者單個晶粒內的硬度 可以

9、用于分析滲層中的硬度變化 可以用于鑒別不同的相，例如：23維氏硬度測試方法根據材料種類、硬度選擇合適的載荷、保壓時間測試壓痕對角線直徑計算維氏硬度注意壓痕形狀需要在下圖a中為最佳24 計算題1：在294.3N（30kgf）載荷下測定某鋼材的維氏硬度。測得壓痕對角線長度為0.454mm，計算該鋼材的維氏硬度值。25 計算題1：在294.3N（30kgf）載荷下測定某鋼材的維氏硬度。測得壓痕對角線長度為0.454mm，計算該鋼材的維氏硬度值。26 計算題1：在294.3N（30kgf）載荷下測定某鋼材的維氏硬度。測得壓痕對角線長度為0.454mm，計算該鋼材的維氏硬度值。 答案：把30kgf帶入進

10、行計算時： 270把294.3N帶入進行計算時：28544. 1dPHV 21891. 0dPHV 22854. 1)2/136sin(P2dPdFPHVo壓痕27壓頭：圓錐角等于120O的金剛石圓錐體，或直徑D1.588mm的淬火鋼球P010Kgf98Nh0P0P1（140Kgf）h1P0e 最終深度洛氏硬度（Rockwell hardness）改用壓痕深度反映材料硬度28002. 0eHR,002. 0t,因此取kmmtekHRteHR 002. 0e100HR使用金剛石壓頭時，k0.2mm使用淬火鋼球時，k0.2mm，此時可能出現測試的結果為負值的情況，此時在上面公式中加30，得到：13

11、00.002eHR-硬度小，壓入深，數值大，與實際經驗感受不符。29 上面的測量中，初始載荷10Kgf，主載荷140Kgf，得到的洛氏硬度稱為HRC 其它載荷組合可以擴展硬度測量范圍，從而得到HRA，HRB30表面洛氏硬度 洛氏硬度載荷較大，不能用來測量較薄滲層如滲碳層，或表面鍍層的硬度，為此發展了表面洛氏硬度。 表面洛氏硬度初始載荷為3Kgf，主載荷有12，27，42Kgf等，31洛氏硬度特點優點：優點： 操作簡便迅速，硬度值可以在設備上直接讀出；操作簡便迅速，硬度值可以在設備上直接讀出； 壓痕較小，可在工件表面測量；壓痕較小，可在工件表面測量； 可測量軟硬不同的材料硬度可測量軟硬不同的材料

12、硬度缺點：缺點： 壓痕較小，代表性差壓痕較小，代表性差 材料中有偏析或組織不均勻時，數據重復性差，分散度大材料中有偏析或組織不均勻時，數據重復性差，分散度大 不同等級的洛氏硬度數據不具有可比性。如不同等級的洛氏硬度數據不具有可比性。如HRA，HRB，HRC數據不具有可比性。數據不具有可比性。32洛氏硬度的測量33硬度測量操作要點 壓頭和試樣支撐架應當清潔并安裝牢固； 測量表面應當清潔、干燥、光滑，沒有氧化物 表面應當平坦，并與壓頭垂直 試樣必須足夠厚，厚度應當至少是壓痕深度的10倍 兩個壓痕之間的間距應當是壓痕直徑的35倍 全部測試中的加載速率應保持一致 需要用標準硬度試塊進行標定。標準硬度試

13、塊是經過特殊制備的金屬樣品，它的粗糙度、硬度和硬度均勻性都經過標定。34硬度與材料抗拉強度的關系 金屬的壓入硬度與抗拉強度成正比例關系： 其中k為比例系數，不同金屬材料的k值不同，同一種類的金屬經過熱處理后，硬度和強度發生變化，但k值基本保持不變； 經過冷變形后，金屬材料的k值不再是常數； 鋼鐵材料的k大約是3.3 精確的強度數據要靠直接測量得到。kHBb351、在用壓入法硬度計測量硬度時，試討論如下情況的誤差： 過于接近試樣的端面； 過于接近其他測量點； 試樣太薄。2、硬度和材料抗拉強度之間具有上述比例關系的原因？ 思考題核心：都反映材料的大塑性變形抗力36作業1、列舉拉伸力學性能主要性能指標及其意義。2、推導：形變強化指數等于最大均勻真應變3、推導極限延伸率計算公式。說明5倍拉伸試樣和10倍拉伸試樣測量得到的極限延伸率差別的原因？4、一個直徑為2.5mm，長度200mm的桿，在載荷2000N作用下，直徑縮小為2.2mm，計算：a）桿的最終長度（體積不變原理）；b）該載荷作用的真應力與真應變；c）該載荷作用下的條件應力與條件應變。5、何為應力狀態軟性系數？詳細說明拉伸、壓縮和扭轉的應力狀態及其應力狀態軟性系數。6、簡述彎曲和扭轉試驗的特點。7、說明布氏硬度測量原理及