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材料硬度

2015-5-29 18:17 中國泵閥第一網 點擊:5721

硬度,物理學專業術語,材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對外界物體入侵的局部抵抗能力,是比較各種材料軟硬的指標。由于規定了不同的測試方法,所以有不同的硬度標準。各種硬度標準的力學含義不同,相互不能直接換算,但可通過試驗加以對比。

材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對外界物體入侵的局部抵抗能力,是比較各種材料軟硬的指標。

硬度分為:

①劃痕硬度。主要用于比較不同礦物的軟硬程度,方法是選一根一端硬一端軟的棒,將被測材料沿棒劃過,根據出現劃痕的位置確定被測材料的軟硬。定性地說,硬物體劃出的劃痕長,軟物體劃出的劃痕短。

②壓入硬度。主要用于金屬材料,方法是用一定的載荷將規定的壓頭壓入被測材料,以材料表面局部塑性變形的大小比較被測材料的軟硬。由于壓頭、載荷以及載荷持續時間的不同,壓入硬度有多種,主要是布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等幾種。

③回跳硬度。主要用于金屬材料,方法是使一特制的小錘從一定高度自由下落沖擊被測材料的試樣,并以試樣在沖擊過程中儲存(繼而釋放)應變能的多少(通過小錘的回跳高度測定)確定材料的硬度。

早在1822年,Friedrich Mohs提出摩氏硬度計。按照他們的軟硬程度分為十級:

1)滑石 2)石膏 3)方解石 4)螢石 5)磷灰石

6)正長石 7)石英8)黃玉 9)剛玉 10)金剛石

簡單記憶方法:滑石方、螢磷長、石英黃玉剛金剛。

各級之間硬度的差異不是均等的,等級之間只表示硬度的相對大小。

試驗鋼鐵硬度的最普通方法是用銼刀在工件邊緣上銼擦,由其表面所呈現的擦痕深淺以判定其硬度的高低。這種方法稱為銼試法,這種方法不太科學。用硬度試驗機來試驗比較準確,是現代試驗硬度常用的方法。常用的硬度測定方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等測試方法

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標,它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力,也可表述為材料抵抗殘余變形和反破壞的能力。硬度不是一個簡單的物理概念,而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。硬度試驗根據其測試方法的不同可分為靜壓法(如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等)、劃痕法(如莫氏硬度)、回跳法(如肖氏硬度)及顯微硬度、高溫硬度等多種方法。

布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示(HBS\HBW)(參照GB/T231-1984),生產中常用布氏硬度法測定經退火、正火和調質的鋼件,以及鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼等毛胚或半成品的硬度。

洛氏硬度可分為HRA、HRB、HRC、HRD四種,它們的測量范圍和應用范圍也不同。一般生產中HRC用得最多。壓痕較小,可測較薄的材料和硬的材料和成品件的硬度。

維氏硬度以HV表示(參照GB/T4340-1999),測量極薄試樣。

硬度分類 

布氏硬度(HB)一般用于材料較軟的時候,如有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度較高的材料,如熱處理后的硬度等等。 

布氏硬度(HB)是以一定大小的試驗載荷,將一定直徑的淬硬鋼球或硬質合金球壓入被測金屬表面,保持規定時間,然后卸荷,測量被測表面壓痕直徑。布氏硬度值是載荷除以壓痕球形表面積所得的商。一般為:以一定的載荷將一定大小的淬硬鋼球壓入材料表面,保持一段時間,去載后,負荷與其壓痕面積之比值,即為布氏硬度值(HB),單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。 

測試載荷與測試鋼球的直徑需根據材料的實際性能再確定。 

折疊維氏硬度 

維氏硬度試驗方法是英國史密斯(R.L.Smith)和塞德蘭德(C.E.Sandland)于1925年提出的。英國的維克斯—阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)公司試制了第一臺以此方法進行試驗的硬度計。和布氏、洛氏硬度試驗相比,維氏硬度試驗測量范圍較寬,從較軟材料到超硬材料,幾乎涵蓋各種材料。 

維氏硬度的測定原理基本上和布氏硬度相同,也是根據壓痕單位面積上的載荷來計算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗的壓頭是金剛石的正四棱錐體。試驗時,在一定載荷的作用下,試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕,測量壓痕對角線長度,除以計算壓痕的表面積,載荷除以表面積的數值就是試樣的硬度值,用符號HV表示。 

折疊里氏硬度 

里氏硬度是以HL表示,里氏硬度測試技術是由瑞士狄爾馬,里伯博士發明的,它是用一定質量的裝有碳化鎢球頭的沖擊體,在一定力的作用下沖擊試件表面,然后反彈。由于材料硬度不同,撞擊后的反彈速度也不同。在沖擊裝置上安裝有永磁材料,當沖擊體上下運動時,其外圍線圈便感應出與速度成正比的電磁信號,再通過電子線路轉換成里氏硬度值。 

折疊肖氏硬度 

簡稱HS。表示材料硬度的一種標準。由英國人肖爾(Albert F.Shore)首先提出。 

應用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發生回跳。撞銷是一只具有尖端的小錐,尖端上常鑲有金剛鉆。測試數值為1000x撞銷返回速度/撞銷初始速度(即為碰撞前后的速度比乘以1000) 

折疊巴氏硬度 

巴柯爾(Barcol)硬度(簡稱巴氏硬度), 最早由美國 Barber-Colman公司提出,是近代國際上廣泛采用的一種硬度門類, 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為一個巴氏硬度單位。巴氏硬度單位表示為HBa。 

折疊努氏硬度 

努氏硬度是作為絕對數值而測得的硬度,主要在加工方面使用該數值。一般來說,金剛石的努氏硬度為7000~8000千克/平方毫米 

折疊韋氏硬度 

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的壓入深度為一個韋氏硬度單位。韋氏硬度單位表示為HW。 

硬度測定 

實踐證明,金屬材料的各種硬度值之間,硬度值與強度值之間具有近似的相應關系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續塑性變形抗力決定的,材料的強度越高,塑性變形抗力越高,硬度值也就越高。 

壓入法(布氏、洛氏、維氏)測量硬度,硬度值表示材料表面抵抗另一物體壓入時所引起的塑性變形的能力。 

回跳法(肖氏、里氏)測量硬度,硬度值代表金屬彈性變形功能的大小。 

刻劃法測量硬度,硬度值表示金屬抵抗表面局部破裂的能力。 

另外,天然水中的鈣鎂含量也用硬度表示.我國規定的硬度是:1L水中含的鈣鹽,鎂鹽折合成CaO和MgO的總量相當于10mgCaO(將MgO也換算成CaO)時,其硬度是1° 

水的硬度是水質的重要指標,通常分為五類: 

很軟水 軟水 中硬水 硬水 很硬水 

0°~4° 4°~8°8°~16° 16°~30° >30° 

1.肖氏硬度(HS)=布氏硬度(BHN)/10+12 

2.肖氏硬度(HS)=洛氏硬度(HRC)+15 

3.洛氏硬度(HRC)= 布氏硬度(BHN)/10-3 

硬度測定范圍: 

HS<100 

HBW 3 ~ 660 

HRC 20~70 , HRA 20~88, HRB 20~100 

HR15N 70~94,HR30N 42~86,HR45N 20~77 

HR15T 67~93,HR30T 29~82,HR45T 10~72 

HV<4000 

測試種類

1. HRA:(洛氏A)用于量測熱處理硬質鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼及其它軟硬材質的硬度測試。 

2. HK:(Knoop 努氏)用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。 

3. HRC:(Rockwell C洛氏)用于量測熱處理鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼等。 

4. HRB:(Rockwell B洛氏)用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。 

5. HR30T:(Rockwell 30T洛氏) 用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。 

6. HB5:(Brinell 布氏5)用于量測鋁、軟質鋁合金、鑄鐵、銅、黃銅等。 

7. HB30:(Brinell 布氏30)用于熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。 

8. HV:(Vickers維氏)適用于量測各類材料。 

9. R:(Tensile module拉伸模數 N/mm2)用于熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。 

10. HR15N:(Rockwell 洛氏HR15N)用于量測熱處理硬質鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼等。

  金屬材料的力學性能

  金屬的力學性能是指在力的作用下,材料所表現出來的一系列力學性能指標,反映了金屬材料在各種形式外力作用下抵抗變形或破壞的某些能力。

力學性能

  金屬的力學性能是指金屬材料抵抗各種外加載荷的能力,

  其中包括:彈性和剛度、強度、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度及疲勞強度等,它們是衡量材料性能極其重要的指標。

  1、強度:材料在外力(載荷)作用下,抵抗變形和斷裂的能力。材料單位面積受載荷稱應力。

  2、屈服點(бs):稱屈服強度,指材料在拉抻過程中,材料所受應力達到某一臨界值時,載荷不再增加變形卻繼續增加或產生0.2%L。時應力值,單位用牛頓/毫米2(N/mm2)表示。

  3、抗拉強度(бb)也叫強度極限指材料在拉斷前承受最大應力值。單位用牛頓/毫米2(N/mm2)表示。如鋁鋰合金抗拉強度可達689.5MPa

  4、延伸率(δ):材料在拉伸斷裂后,總伸長與原始標距長度的百分比。

  工程上常將δ≥5%的材料稱為塑性材料,如常溫靜載的低碳鋼、鋁、銅等;而把δ≤5%的材料稱為脆性材料,如常溫靜載下的鑄鐵、玻璃、陶瓷等。

  5、斷面收縮率(Ψ)材料在拉伸斷裂后、斷面最大縮小面積與原斷面積百分比。

  6、硬度:指材料抵抗其它更硬物壓力其表面的能力,常用硬度按其范圍測定分布氏硬度(HBS、HBW)和洛氏硬度(HKA、HKB、HRC)。

  7、沖擊韌性(Ak):材料抵抗沖擊載荷的能力,單位為焦耳/厘米2(J/cm2)。

  對低碳鋼拉伸的應力——應變曲線分析

  1.彈性:εe=σe/E, 指標σe,E

  2.剛性:△L=P·l/E·F 抵抗彈性變形的能力強度

  3.強度:σs---屈服強度,σb---抗拉強度

  4.韌性:沖擊吸收功Ak

  5.延展性:

  ①.延性:是指材料的結構、構件或構件的某個截面從屈服開始到達最大承載能力或到達以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力。

  ②.展性:指物體可以壓成薄片的性質。

  6.疲勞強度:交變負荷σ-1<σs

  7.硬度 HR、HV、HB

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