金屬材料力學(xué)性能Z常用的幾項指標
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硬度是評定金屬材料力學(xué)性能常用的指標之一。
對于金屬材料的硬度,至今在國內外還沒(méi)有一個(gè)包括所有試驗方法的統一而明確的定義。就已經(jīng)標準化的、被國內外普通采用的金屬硬度試驗方法而言,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。硬度檢測是評價(jià)金屬力學(xué)性能迅速、經(jīng)濟、簡(jiǎn)單的一種試驗方法。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。對于被檢測材料而言,硬度是代表著(zhù)在一定壓頭和試驗力作用下所反映出的彈性、塑性、強度、韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能。由于通過(guò)硬度試驗可以反映金屬材料在不同的化學(xué)成分、組織結構和熱處理工藝條件下性能的差異,因此硬度試驗廣泛應用于金屬性能的檢驗、監督熱處理工藝質(zhì)量和新材料的研制。金屬硬度檢測主要有兩類(lèi)試驗方法。一類(lèi)是靜態(tài)試驗方法,這類(lèi)方法試驗力的施加是緩慢而無(wú)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(cháng)用的,它們是金屬硬度檢測的主要測試方法。而洛氏硬度試驗又是應用多的,它被廣泛用于產(chǎn)品的檢測,據統計,目前應用中的硬度計70%是洛氏硬度計。另一類(lèi)試驗方法是動(dòng)態(tài)試驗法,這類(lèi)方法試驗力的施加是動(dòng)態(tài)的和沖擊性的。這里包括肖氏和里氏硬度試驗法。動(dòng)態(tài)試驗法主要用于大型的及不可移動(dòng)工件的硬度檢測。
1.布氏硬度計原理
對直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭施加規定的試驗力,使壓頭壓入試樣表面,經(jīng)規定的保持時(shí)間后,除去試驗力,測量試樣表面的壓痕直徑d,布氏硬度用試驗力除以壓痕表面積的商來(lái)計算。
圖1布氏硬度試驗原理
HB =F / S ……………… (1-1)
=F / πDh ……………… (1-2)
=……………… (1-3)
式中:F —— 試驗力,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試驗力,其壓痕面積較大,能反映較大范圍內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。它的試驗數據穩定,重現性好,精度高于洛氏,低于維氏。此外布氏硬度值與抗拉強度值之間存在較好的對應關(guān)系。
布氏硬度試驗的缺點(diǎn)是壓痕較大,成品檢驗有困難,試驗過(guò)程比洛氏硬度試驗復雜,測量操作和壓痕測量都比較費時(shí),并且由于壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓滑過(guò)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技術(shù)和豐富經(jīng)驗,一般要求由專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗員操作。
布氏硬度與抗拉強度的關(guān)系
由于布氏硬度試驗能夠反映出試樣較大范圍內的綜合性能,因此布氏硬度與材料的其他機械性能關(guān)系密切,尤其是與抗拉強度存在近似的換算關(guān)系:
σb=K·HB ……………… (1-6)
式中:σb—抗拉強度值,MN/m2;
K—常數,不同材料有不同的數值。
通過(guò)測試布氏硬度可以間接得到材料的抗拉強度。這一點(diǎn)在生產(chǎn)實(shí)際中具有重大意義??梢酝ㄟ^(guò)測量硬度的方法得到近似的強度值,這樣既可以提高工作效率,又可以節省材料。
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 | σb≈0.343HB×10MN/m2 σb≈0.363HB×10MN/m2 |
鑄鋁合金 | | σb≈0.26HB×10MN/m2 |
退火黃銅、青銅 | | σb≈0.55HB×10MN/m2 |
冷加工后的黃銅、青銅 | | σb≈0.40HB×10MN/m2 |
2.洛氏硬度計原理
在規定條件下,將壓頭(金剛石圓錐、鋼球或球)分2個(gè)步驟壓入試樣表面。卸除主試驗力后,在初試驗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。洛氏硬度試驗原理如圖2-1所示。硬質(zhì)合金
1—在初始試驗力F0下的壓入深度;2—在總試驗力F0+F1下的壓入深度;3—去除主試驗力F1后的彈性回復深度;4—殘余壓入深度h;5—試樣表面;6—測量基準面;7—壓頭位置
洛氏硬度試驗分為2種,一種是普通洛氏硬度試驗,一種是表面洛氏硬度試驗。洛氏硬度試驗采用1200金剛石圓錐和1.588mm、3.175mm鋼球三種壓頭,采用60kg、100kg、150kg三種試驗力,它們共有九種組合,對應于洛氏硬度的九個(gè)標尺,即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。表面洛氏硬度試驗采用1200金剛石圓錐和1.588mm鋼球2種壓頭,采用15kg、30kg、45kg三種試驗力,它們共有六種組合,對應于表面洛氏的六個(gè)標尺,即HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T。
洛氏硬度標尺技術(shù)條件
洛氏硬度標尺 | 硬度符號 | 壓頭類(lèi)型 | 初試驗力F0(N) | 主試驗力F1(N) | 總試驗力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 |
表面洛氏硬度標尺技術(shù)條件
表面洛氏硬度標尺 | 硬度符號 | 壓頭類(lèi)型 | 初試驗力F0(N) | 主試驗力F1(N) | 總試驗力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 |
(取自國家標準GB/T230.1-2004 注:力值單位9.8N=1kg)
洛氏硬度計特點(diǎn)
洛氏硬度試驗操作簡(jiǎn)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方法之一。由于試驗力較小,壓痕也小,特別是表面洛氏硬度試驗的壓痕更小,對大多數工件的使用無(wú)影響,可直接測試成品工件,初試驗力的采用,使得試樣表面輕微的不平度對硬度值的影響較小,因此,此儀器非常適于在工廠(chǎng)使用,適于對成批加工的成品或半成品工件進(jìn)行逐件檢測,
該試驗方法測量操作的要求不高,非專(zhuān)業(yè)人員容易掌握。
3.維氏硬度計原理
3.1維氏硬度計原理
采用正四棱錐體金剛石壓頭,在試驗力作用下壓入試樣表面,保持規定時(shí)間后,卸除試驗力,測量試樣表面壓痕對角線(xiàn)長(cháng)度,見(jiàn)圖3-1。
圖3-1維氏硬度試驗原理圖
試驗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)計算:
HV = 常數×試驗力/壓痕表面積 ≈0.1891 F/d2 …………(3-1)
式中:HV ———— 維氏硬度符號;
F ―――― 試驗力,N;
d ———— 壓痕兩對角線(xiàn)d1、d2的算術(shù)平均值,mm
實(shí)用中是根據對角線(xiàn)長(cháng)度d通過(guò)查表得到維氏硬度值。
國家標準規定維氏硬度壓痕對角線(xiàn)長(cháng)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HV前面的數值為硬度值,后面為試驗力值。標準的試驗保持時(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維氏硬度試驗的分類(lèi)和試驗力選擇
維氏硬度試驗按試驗力大小的不同,細分為三種試驗,即:維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗和顯微維氏硬度試驗。見(jiàn)表3-1
表3-1維氏硬度試驗的三種方法
試驗力范圍/N | 硬度符號 | 試驗名稱(chēng) |
F≥49.03 | ≥HV5 | 維氏硬度試驗 |
1.961≤F<49.03 | HV0.2~ | 小負荷維氏硬度試驗 |
0.09807≤F<1.961 | HV0.01~ | 顯微維氏硬度試驗 |
維氏硬度試驗可選用的試驗力值很多,見(jiàn)表3-2。
表3-2推薦的維氏硬度試驗力
維氏硬度試驗 | 小負荷維氏試驗試驗 | 顯微維氏硬度試驗 |
硬度符號 | 試驗力/N | 硬度符號 | 試驗力/N | 硬度符號 | 試驗力/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.維氏硬度試驗可使用大于980.7N的試驗力; 2.顯微維氏試驗力為推薦值。 |
試驗力的選擇要根據試樣種類(lèi)、試樣厚度和預期的硬度范圍而定。標準規定,試樣或試驗層的厚度至少為壓痕對角線(xiàn)長(cháng)度的1.5倍。試驗后試樣背面不應出現可見(jiàn)的變形痕跡。
3.4維氏硬度試驗的優(yōu)點(diǎn)
維氏硬度試驗的壓痕是正方形,輕廓清晰,對角線(xiàn)測量準確,因此,維氏硬度試驗是常用硬度試驗方法中精度高的,同時(shí)它的重復性也很好,這一點(diǎn)比布氏硬度計優(yōu)越。
維氏硬度試驗測量范圍寬廣,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。
維氏硬度試驗大的優(yōu)點(diǎn)在于其硬度值與試驗力的大小無(wú)關(guān),只要是硬度均勻的材料,可以任意選擇試驗力,其硬度值不變。這就相當于在一個(gè)很寬廣的硬度范圍內具有一個(gè)統一的標尺。這一點(diǎn)又比洛氏硬度試驗來(lái)得優(yōu)越。
3.5維氏硬度試驗的缺點(diǎn)
維氏硬度試驗效率低,要求較高的試驗技術(shù),對于試樣表面的光潔度要求較高,通常需要制作專(zhuān)門(mén)的試樣,操作麻煩費時(shí),通常只在實(shí)驗室中使用。
3.6維氏硬度計的應用
維氏硬度試驗主要用于材料研究和科學(xué)試驗方面小負荷維氏硬度試驗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,薄片材料和細線(xiàn)材的硬度,刀刃附近的硬度,牙科材料的硬度等,由于試驗力很小,壓痕也很小,試樣外觀(guān)和使用性能都可以不受影響。顯微維氏硬氏試驗主要用于金屬學(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。
里氏硬度計原理
用規定質(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算出的數值就是里氏硬度。里氏硬度計實(shí)際上是肖氏硬度計的改進(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。
里氏硬度的計算公式如下:
HL=1000×UR/UA
式中:HL ————里氏硬度符號
UA ————球頭的沖擊速度,m/s;
UR ————球頭的反彈速度,m/s。
4.里氏硬度計特點(diǎn)
里氏硬度計儀器輕巧,測試簡(jiǎn)便,快速,讀數方便,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,非常適于在現場(chǎng)對大型工件、組裝件進(jìn)行硬度測試,里氏硬度計比肖氏硬度計有了很大的技術(shù)進(jìn)步。
里氏硬度計的缺點(diǎn)是這種試驗方法在上還沒(méi)有被普遍接受,迄今還沒(méi)有被標準化組織(ISO)采納,試驗數據在上還缺乏來(lái)自獨立的第三方或組織方面的監督與復核。里氏硬度試驗要求試樣有一定的質(zhì)量和厚度,不適于測試小工件。
里氏硬度計主要用于在現場(chǎng)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,在國內里氏硬度計有取代肖氏硬度計的趨勢。
里氏硬度計不能測試表面硬化工件,通過(guò)耦合的辦法測試小零件往往是不可靠的,目前有被誤導測試小零件的傾向。對于中、小零件應盡量采用上通用的靜態(tài)硬度測試方法。里氏硬度計試驗與肖氏硬度試驗相同,里氏硬度試驗結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
韋氏硬度計原理
一定形狀的硬鋼壓針,在標準彈簧試驗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。
韋氏硬度計的特點(diǎn)
韋氏硬度計是小型便攜式儀器,它體積小、重量輕、可單手操作,可快速、方便、無(wú)損地測試材料硬度,它不必取樣,對操作技能要求不高,非常適于在生產(chǎn)現場(chǎng)對材料進(jìn)行快速硬度檢測。 韋氏硬度計的缺點(diǎn)是靈敏度較差,量程較窄,全量程只有20個(gè)刻度,因此通常一臺儀器只能測試1~2種金屬材料。
韋氏硬度計的應用
韋氏硬度計采用兩種不同形狀的壓針,兩種不同的試驗力,它們的組合構成三種不同型號的儀器,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,材料厚度大可達到13mm。
韋氏硬度計非常適于在生產(chǎn)現場(chǎng)對成批產(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(mǎn)足要求,正是由于這個(gè)原因,韋氏硬度計在鋁加工行業(yè)得到了相當廣泛的應用。
6.巴氏硬度計
巴氏硬度計的原理
一定形狀的硬鋼壓針,在標準彈簧試驗力作用下,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。
巴氏硬度計的特點(diǎn)
巴氏硬度計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(wú)損地測試材料硬度,它不必取樣,對操作技能要求不高,非常適于在生產(chǎn)現場(chǎng)和倉庫對材料進(jìn)行快速檢驗。
巴氏硬度計有100個(gè)刻度,精度比韋氏硬度計高,它的使用不受材料厚度的限制,可以測試更厚的材料,巴氏硬度計有一個(gè)支腳,測量時(shí)要使之與壓針處于同一水平面內,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。
巴氏硬度計的應用
巴氏硬度計是韋氏硬度計的良好補充,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無(wú)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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