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金屬材料力學(xué)性能Z常用的幾項(xiàng)指標(biāo)

瀏覽次數(shù)：21568更新日期：2009-10-30

硬度是評(píng)定金屬材料力學(xué)性能常用的指標(biāo)之一。

對(duì)于金屬材料的硬度，至今在國內(nèi)外還沒有一個(gè)包括所有試驗(yàn)方法的統(tǒng)一而明確的定義。就已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的、被國內(nèi)外普通采用的金屬硬度試驗(yàn)方法而言，金屬材料硬度的定義是:材料抵抗另一較硬材料壓入的能力。硬度檢測是評(píng)價(jià)金屬力學(xué)性能迅速、經(jīng)濟(jì)、簡單的一種試驗(yàn)方法。硬度檢測的主要目的就是測定材料的適用性，或材料為使用目的所進(jìn)行的特殊硬化或軟化處理的效果。對(duì)于被檢測材料而言，硬度是代表著在一定壓頭和試驗(yàn)力作用下所反映出的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能。由于通過硬度試驗(yàn)可以反映金屬材料在不同的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和熱處理工藝條件下性能的差異，因此硬度試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于金屬性能的檢驗(yàn)、監(jiān)督熱處理工藝質(zhì)量和新材料的研制。金屬硬度檢測主要有兩類試驗(yàn)方法。一類是靜態(tài)試驗(yàn)方法，這類方法試驗(yàn)力的施加是緩慢而無沖擊的。硬度的測定主要決定于壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小。靜態(tài)試驗(yàn)方法包括布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等。其中布、洛、維三種測試方法是長用的，它們是金屬硬度檢測的主要測試方法。而洛氏硬度試驗(yàn)又是應(yīng)用多的，它被廣泛用于產(chǎn)品的檢測，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前應(yīng)用中的硬度計(jì)70%是洛氏硬度計(jì)。另一類試驗(yàn)方法是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法，這類方法試驗(yàn)力的施加是動(dòng)態(tài)的和沖擊性的。這里包括肖氏和里氏硬度試驗(yàn)法。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法主要用于大型的及不可移動(dòng)工件的硬度檢測。

1.布氏硬度計(jì)原理

　　對(duì)直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭施加規(guī)定的試驗(yàn)力，使壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，除去試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度用試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商來計(jì)算。
　　圖1布氏硬度試驗(yàn)原理
　　HB =F / S ……………… （1-1）
　　=F / πDh ……………… （1-2）
　　=……………… （1-3）
　　式中：F —— 試驗(yàn)力，N；
　　S —— 壓痕表面積，mm；
　　D —— 球壓頭直徑，mm；
　　h —— 壓痕深度， mm；
　　d —— 壓痕直徑，mm

布氏硬度計(jì)的特點(diǎn)：
　　布氏硬度檢測的優(yōu)點(diǎn)是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直徑球壓頭，3000kg試驗(yàn)力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相綜合影響的平均值，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻度的影響，因此特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料。它的試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，精度高于洛氏，低于維氏。此外布氏硬度值與抗拉強(qiáng)度值之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是壓痕較大，成品檢驗(yàn)有困難，試驗(yàn)過程比洛氏硬度試驗(yàn)復(fù)雜，測量操作和壓痕測量都比較費(fèi)時(shí)，并且由于壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓滑過渡都會(huì)使壓痕直徑的測量產(chǎn)生較大誤差，因此要求操作者具有熟練的試驗(yàn)技術(shù)和豐富經(jīng)驗(yàn)，一般要求由專門的實(shí)驗(yàn)員操作。

布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
　　由于布氏硬度試驗(yàn)?zāi)軌蚍从吵鲈嚇虞^大范圍內(nèi)的綜合性能，因此布氏硬度與材料的其他機(jī)械性能關(guān)系密切，尤其是與抗拉強(qiáng)度存在近似的換算關(guān)系：
　　σ_b=K·HB ……………… （1-6）
　　式中：σ_b—抗拉強(qiáng)度值，MN/m²；
　　K—常數(shù)，不同材料有不同的數(shù)值。
　　通過測試布氏硬度可以間接得到材料的抗拉強(qiáng)度。這一點(diǎn)在生產(chǎn)實(shí)際中具有重大意義?？梢酝ㄟ^測量硬度的方法得到近似的強(qiáng)度值，這樣既可以提高工作效率，又可以節(jié)省材料。
　　部分金屬材料的換算關(guān)系如1-3表所示。

材料	布氏硬度值	近似換算關(guān)系
鋼	125～175 ＞175	σ_b≈0.343HB×10MN/m² σ_b≈0.363HB×10MN/m²
鑄鋁合金		σ_b≈0.26HB×10MN/m²
退火黃銅、青銅		σ_b≈0.55HB×10MN/m²
冷加工后的黃銅、青銅		σ_b≈0.40HB×10MN/m²

2.洛氏硬度計(jì)原理

在規(guī)定條件下，將壓頭（金剛石圓錐、鋼球或球）分2個(gè)步驟壓入試樣表面。卸除主試驗(yàn)力后，在初試驗(yàn)力下測量壓痕殘余深度h。以壓痕殘余深度h代表硬度的高低。洛氏硬度試驗(yàn)原理如圖2-1所示。硬質(zhì)合金

1—在初始試驗(yàn)力F₀下的壓入深度；2—在總試驗(yàn)力F₀+F₁下的壓入深度；3—去除主試驗(yàn)力F₁后的彈性回復(fù)深度；4—殘余壓入深度h；5—試樣表面；6—測量基準(zhǔn)面；7—壓頭位置

　洛氏硬度試驗(yàn)分為2種，一種是普通洛氏硬度試驗(yàn)，一種是表面洛氏硬度試驗(yàn)。洛氏硬度試驗(yàn)采用120⁰金剛石圓錐和1.588mm、3.175mm鋼球三種壓頭，采用60kg、100kg、150kg三種試驗(yàn)力，它們共有九種組合，對(duì)應(yīng)于洛氏硬度的九個(gè)標(biāo)尺，即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。表面洛氏硬度試驗(yàn)采用120⁰金剛石圓錐和1.588mm鋼球2種壓頭，采用15kg、30kg、45kg三種試驗(yàn)力，它們共有六種組合，對(duì)應(yīng)于表面洛氏的六個(gè)標(biāo)尺，即HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T。

洛氏硬度標(biāo)尺技術(shù)條件

洛氏硬度標(biāo)尺	硬度符號(hào)	壓頭類型	初試驗(yàn)力F₀（N）	主試驗(yàn)力F₁（N）	總試驗(yàn)力F₀+ F₁（N）	適用范圍
A	HRA	120°金剛石圓錐	98.07	490.3	588.4	20～88HRA
B	HRB	1.5875mm鋼球	98.07	882.6	980.7	20～100HRB
C	HRC	120°金剛石圓錐	98.07	1373	1471	20～70HRC
D	HRD	120°金剛石圓錐	98.07	882.6	980.7	40～77HRD
E	HRE	3.175mm鋼球	98.07	882.6	980.7	70～100HRE
F	HRF	1.5875mm鋼球	98.07	490.3	588.4	60～100HRF
G	HRG	1.5875mm鋼球	98.07	1373	1471	30～94HRG
H	HRH	3.175mm鋼球	98.07	490.3	588.4	80～100HRH
K	HRK	3.175mm鋼球	98.07	1373	1471	40～100HRK

表面洛氏硬度標(biāo)尺技術(shù)條件

表面洛氏硬度標(biāo)尺	硬度符號(hào)	壓頭類型	初試驗(yàn)力F₀（N）	主試驗(yàn)力F₁（N）	總試驗(yàn)力F₀+ F₁（N）	適用范圍
15N	HR15N	120° 金剛石圓錐	29.42	117.7	147.1	70～94HR15N
30N	HR30N			264.8	294.2	42～86HR30N
45N	HR45N			411.9	441.3	20～77HR45N
15T	HR15T	1.5875mm 鋼球	29.42	117.7	147.1	67～93HR15T
30T	HR30T			264.8	294.2	29～82HR30T
45T	HR45T			411.9	441.3	10～72HR45T

（取自國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1-2004　　　　　　　　　　注：力值單位9.8N=1kg）

洛氏硬度計(jì)特點(diǎn)

洛氏硬度試驗(yàn)操作簡單，測量迅速，可在指示表上直接讀取硬度值，工作效率高，成為常用的硬度試驗(yàn)方法之一。由于試驗(yàn)力較小，壓痕也小，特別是表面洛氏硬度試驗(yàn)的壓痕更小，對(duì)大多數(shù)工件的使用無影響，可直接測試成品工件，初試驗(yàn)力的采用，使得試樣表面輕微的不平度對(duì)硬度值的影響較小，因此，此儀器非常適于在工廠使用，適于對(duì)成批加工的成品或半成品工件進(jìn)行逐件檢測，

該試驗(yàn)方法測量操作的要求不高，非專業(yè)人員容易掌握。

3.維氏硬度計(jì)原理

3.1 維氏硬度計(jì)原理
　　采用正四棱錐體金剛石壓頭，在試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面壓痕對(duì)角線長度，見圖3-1。
　　
　　圖3-1維氏硬度試驗(yàn)原理圖
　　試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商就是維氏硬度值。維氏硬度值按式（３－１）計(jì)算：
　　HV = 常數(shù)×試驗(yàn)力/壓痕表面積 ≈0.1891 F／d² …………（3－1）
　　式中：HV　　————　　維氏硬度符號(hào)；
　　 F　　――――　　試驗(yàn)力，N；
　　 d　　————　　壓痕兩對(duì)角線d₁、d₂的算術(shù)平均值，mm
　　實(shí)用中是根據(jù)對(duì)角線長度d通過查表得到維氏硬度值。
　　國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定維氏硬度壓痕對(duì)角線長度范圍為0.020～1.400mm
　　3.2 維氏硬度的表示方法
　　維氏硬度表示為HV，維氏硬度符號(hào)HV前面的數(shù)值為硬度值，后面為試驗(yàn)力值。標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)保持時(shí)間為10～15S。如果選用的時(shí)間超出這一范圍，在力值后面還要注上保持時(shí)間。例如：
　　600HV30—表示采用294.2N（30kg）的試驗(yàn)力，保持時(shí)間10～15S時(shí)得到的硬度值為600。
　　600HV30/20—表示采用294.2N（30kg）的試驗(yàn)力，保持時(shí)間20S時(shí)得到的硬度值為600。
　　3.3 維氏硬度試驗(yàn)的分類和試驗(yàn)力選擇
　　維氏硬度試驗(yàn)按試驗(yàn)力大小的不同，細(xì)分為三種試驗(yàn)，即：維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)和顯微維氏硬度試驗(yàn)。見表3-1
　表3-1維氏硬度試驗(yàn)的三種方法

試驗(yàn)力范圍/N	硬度符號(hào)	試驗(yàn)名稱
F≥49.03	≥HV5	維氏硬度試驗(yàn)
1.961≤F<49.03	HV0.2～	小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)
0.09807≤F<1.961	HV0.01～	顯微維氏硬度試驗(yàn)

　　維氏硬度試驗(yàn)可選用的試驗(yàn)力值很多，見表3-2。
　　表3-2推薦的維氏硬度試驗(yàn)力

維氏硬度試驗(yàn)		小負(fù)荷維氏試驗(yàn)試驗(yàn)		顯微維氏硬度試驗(yàn)
硬度符號(hào)	試驗(yàn)力/N	硬度符號(hào)	試驗(yàn)力/N	硬度符號(hào)	試驗(yàn)力/N
HV5	49.03	HV0.2	1.961	HV0.01	0.09807
HV10	98.07	HV0.3	2.942	HV0.015	0.1471
HV20	196.1	HV0.5	4.903	HV0.02	0.1961
HV30	294.2	HV1	9.807	HV0.025	0.2452
HV50	490.3	HV2	19.61	HV0.05	0.4903
HV100	980.7	HV3	29.42	HV0.1	0.9807
注：1.維氏硬度試驗(yàn)可使用大于980.7N的試驗(yàn)力； 2.顯微維氏試驗(yàn)力為推薦值。

　　試驗(yàn)力的選擇要根據(jù)試樣種類、試樣厚度和預(yù)期的硬度范圍而定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試樣或試驗(yàn)層的厚度至少為壓痕對(duì)角線長度的1.5倍。試驗(yàn)后試樣背面不應(yīng)出現(xiàn)可見的變形痕跡。

3.4 維氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

　　維氏硬度試驗(yàn)的壓痕是正方形，輕廓清晰，對(duì)角線測量準(zhǔn)確，因此，維氏硬度試驗(yàn)是常用硬度試驗(yàn)方法中精度高的，同時(shí)它的重復(fù)性也很好，這一點(diǎn)比布氏硬度計(jì)*。

　　維氏硬度試驗(yàn)測量范圍寬廣，可以測量目前工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料（幾個(gè)維氏硬度單位）到很硬的材料（3000個(gè)維氏硬度單位）都可測量。

　　維氏硬度試驗(yàn)大的優(yōu)點(diǎn)在于其硬度值與試驗(yàn)力的大小無關(guān)，只要是硬度均勻的材料，可以任意選擇試驗(yàn)力，其硬度值不變。這就相當(dāng)于在一個(gè)很寬廣的硬度范圍內(nèi)具有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)尺。這一點(diǎn)又比洛氏硬度試驗(yàn)來得*。

　　3.5 維氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)

維氏硬度試驗(yàn)效率低，要求較高的試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)于試樣表面的光潔度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費(fèi)時(shí)，通常只在實(shí)驗(yàn)室中使用。

3.6 維氏硬度計(jì)的應(yīng)用

維氏硬度試驗(yàn)主要用于材料研究和科學(xué)試驗(yàn)方面小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)主要用于測試小型精密零件的硬度，表面硬化層硬度和有效硬化層深度，鍍層的表面硬度，薄片材料和細(xì)線材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于試驗(yàn)力很小，壓痕也很小，試樣外觀和使用性能都可以不受影響。顯微維氏硬氏試驗(yàn)主要用于金屬學(xué)和金相學(xué)研究。用于測定金屬組織中各組成相的硬度，用于研究難熔化合物脆性等。顯微維氏硬度試驗(yàn)還用于極小或極薄零件的測試，零件厚度可薄至３μm。

里氏硬度計(jì)原理

用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距離試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度之比計(jì)算出的數(shù)值就是里氏硬度。里氏硬度計(jì)實(shí)際上是肖氏硬度計(jì)的改進(jìn)型，它們測定的都是沖擊體在試樣表面經(jīng)試樣塑性變形消耗能量后的剩余能量。

里氏硬度的計(jì)算公式如下：

HL=1000×U_R/U_A

式中：HL　————里氏硬度符號(hào)

U_A ————球頭的沖擊速度，m/s；

U_R ————球頭的反彈速度，m/s。

4.里氏硬度計(jì)特點(diǎn)

里氏硬度計(jì)儀器輕巧，測試簡便，快速，讀數(shù)方便，適于檢測硬度范圍很寬的金屬材料，并且可以從不同方向進(jìn)行測試，非常適于在現(xiàn)場對(duì)大型工件、組裝件進(jìn)行硬度測試，里氏硬度計(jì)比肖氏硬度計(jì)有了很大的技術(shù)進(jìn)步。

里氏硬度計(jì)的缺點(diǎn)是這種試驗(yàn)方法在上還沒有被普遍接受，迄今還沒有被標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）采納，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在上還缺乏來自獨(dú)立的第三方或組織方面的監(jiān)督與復(fù)核。

里氏硬度試驗(yàn)要求試樣有一定的質(zhì)量和厚度，不適于測試小工件。

里氏硬度計(jì)主要用于在現(xiàn)場快速測試大型的、組裝的、不便移動(dòng)的、不允許切割試樣的工件，用于測試大型模具、大型鍛造件、鑄造件，可以靈活地測試大型工件不同部位的硬度，里氏硬度計(jì)是大型工件硬度測試上非常有效實(shí)用的檢測手段，在國內(nèi)里氏硬度計(jì)有取代肖氏硬度計(jì)的趨勢。

里氏硬度計(jì)不能測試表面硬化工件，通過耦合的辦法測試小零件往往是不可靠的，目前有被誤導(dǎo)測試小零件的傾向。對(duì)于中、小零件應(yīng)盡量采用上通用的靜態(tài)硬度測試方法。里氏硬度計(jì)試驗(yàn)與肖氏硬度試驗(yàn)相同，里氏硬度試驗(yàn)結(jié)果的比較也是于彈性模量相同或相近的材料。

5.韋氏硬度計(jì)

韋氏硬度計(jì)原理

一定形狀的硬鋼壓針，在標(biāo)準(zhǔn)彈簧試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，用壓針的壓入深度確定材料硬度，定義0.01mm的壓入深度為一個(gè)韋氏硬度單位。韋氏硬度單位表示為HW。

韋氏硬度計(jì)的特點(diǎn)

韋氏硬度計(jì)是小型便攜式儀器，它體積小、重量輕、可單手操作，可快速、方便、無損地測試材料硬度，它不必取樣，對(duì)操作技能要求不高，非常適于在生產(chǎn)現(xiàn)場對(duì)材料進(jìn)行快速硬度檢測。

韋氏硬度計(jì)的缺點(diǎn)是靈敏度較差，量程較窄，全量程只有20個(gè)刻度，因此通常一臺(tái)儀器只能測試1~2種金屬材料。

韋氏硬度計(jì)的應(yīng)用

韋氏硬度計(jì)采用兩種不同形狀的壓針，兩種不同的試驗(yàn)力，它們的組合構(gòu)成三種不同型號(hào)的儀器，分別用于測試鋁合金、軟銅、硬銅、超硬鋁合金和軟鋼。韋氏硬度計(jì)適于測試具有兩個(gè)平行面的材料，例如管材、板材和型材，材料厚度大可達(dá)到13mm。

韋氏硬度計(jì)非常適于在生產(chǎn)現(xiàn)場對(duì)成批產(chǎn)品進(jìn)行逐件檢測，盡管它的靈敏度不高，但是作為生產(chǎn)控制與合格判定儀器已經(jīng)能夠滿足要求，正是由于這個(gè)原因，韋氏硬度計(jì)在鋁加工行業(yè)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

6.巴氏硬度計(jì)
　巴氏硬度計(jì)的原理
　　一定形狀的硬鋼壓針，在標(biāo)準(zhǔn)彈簧試驗(yàn)力作用下，壓入試樣表面，用壓針的壓入深度確定材料硬度，定義每壓入0.0076mm為一個(gè)巴氏硬度單位。巴氏硬度單位表示為HBa。

巴氏硬度計(jì)的特點(diǎn)
　　巴氏硬度計(jì)是一種可單手操作的便攜式儀器，它體積小，重量輕，可快速、方便、無損地測試材料硬度，它不必取樣，對(duì)操作技能要求不高，非常適于在生產(chǎn)現(xiàn)場和倉庫對(duì)材料進(jìn)行快速檢驗(yàn)。
　　巴氏硬度計(jì)有100個(gè)刻度，精度比韋氏硬度計(jì)高，它的使用不受材料厚度的限制，可以測試更厚的材料，巴氏硬度計(jì)有一個(gè)支腳，測量時(shí)要使之與壓針處于同一水平面內(nèi)，以保證壓針垂直壓下，為了墊平這個(gè)支腳，在測試小尺寸工件時(shí)會(huì)有些不便。
　巴氏硬度計(jì)的應(yīng)用
　　巴氏硬度計(jì)是韋氏硬度計(jì)的良好補(bǔ)充，它主要用于測試鋁及鋁合金，也可以測試其他軟金屬及玻璃鋼。它可測試韋氏硬度計(jì)無法測試的超大材料、超厚材料、棒材、大型鍛件、鑄件、組裝件、純鋁及低硬度鋁合金。

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