金属材料力学性能最常用的几项指标

金属材料力学性能最常用的几项指标

硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。

对于金属材料的硬度，至今在国内外还没有一个包括所有试验方法的统一而明确的定义。就已经标准化的、被国内外普通采用的金属硬度试验方法而言，金属材料硬度的定义是:材料抵抗另一较硬材料压入的能力。硬度检测是评价金属力学性能最迅速、最经济、最简单的一种试验方法。硬度检测的主要目的就是测定材料的适用性，或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种测试方法是最长用的，它们是金属硬度检测的主要测试方法。而洛氏硬度试验又是应用最多的，它被广泛用于产品的检测，据统计，目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计。另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的及不可移动工件的硬度检测。

1.布氏硬度计原理

对直径为D的硬质合金压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验

力除以压痕表面积的商来计算。

图1布氏硬度试验原理

HB =F / S ……………… (1-1)

=F / πDh ……………… (1-2)

=……………… (1-3)

式中：F ——试验力，N；

S ——压痕表面积，mm；

D ——球压头直径，mm；

h ——压痕深度， mm；

d ——压痕直径，mm

布氏硬度计的特点：

布氏硬度检测的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直径球压头，3000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响，因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。

布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。

布氏硬度与抗拉强度的关系

由于布氏硬度试验能够反映出试样较大范围内的综合性能，因此布氏硬度与材料的其他机械性能关系密切，尤其是与抗拉强度存在近似的换算关系：σ

=K·HB ……………… (1-6)

b

式中：σ

b

—抗拉强度值，MN/m2；

K—常数，不同材料有不同的数值。

通过测试布氏硬度可以间接得到材料的抗拉强度。这一点在生产实际中具有重大意义。可以通过测量硬度的方法得到近似的强度值，这样既可以提高工作效率，又可以节省材料。

2.洛氏硬度计原理

在规定条件下，将压头(金刚石圆锥、钢球或球)分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度h代表硬度的高低。洛氏硬度试验原理如图2-1所示。硬质合金

1—在初始试验力F

0下的压入深度；2—在总试验力F

+F

1

下的压入深度；3—

去除主试验力F

1

后的弹性回复深度；4—残余压入深度h；5—试样表面；6—测量基准面；7—压头位置

洛氏硬度试验分为2种，一种是普通洛氏硬度试验，一种是表面洛氏硬度试验。洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和1.588mm、3.175mm钢球三种压头，采用60kg、100kg、150kg三种试验力，它们共有九种组合，对应于洛氏硬度的九个标尺，即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。表面洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和1.588mm钢球2种压头，采用15kg、30kg、45kg三种试验力，它们共有六种组合，对应于表面洛氏的六个标尺，即HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T。

洛氏硬度计特点

洛氏硬度试验操作简单，测量迅速，可在指示表上直接读取硬度值，工作效率高，成为最常用的硬度试验方法之一。由于试验力较小，压痕也小，特别是表面洛氏硬度试验的压痕更小，对大多数工件的使用无影响，可直接测试成品工件，初试验力的采用，使得试样表面轻微的不平度对硬度值的影响较小，因此，此仪器非常适于在工厂使用，适于对成批加工的成品或半成品工件进行逐件检

测，

该试验方法测量操作的要求不高，非专业人员容易掌握。

3.维氏硬度计原理

3.1 维氏硬度计原理

采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度，见图3-1。

图3-1维氏硬度试验原理图

试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。维氏硬度值按式(３－１)计算：

HV = 常数×试验力/压痕表面积≈0.1891 F／d2…………(3－1)

式中：HV ————维氏硬度符号；

F ――――试验力，N；

d ————压痕两对角线d

1、d

2

的算术平均值，mm

实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。

国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.020～1.400mm

3.2 维氏硬度的表示方法

维氏硬度表示为HV，维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。标准的试验保持时间为10～15S。如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间。例如：

600HV30—表示采用294.2N(30kg)的试验力，保持时间10～15S时得到的硬度值为600。

600HV30/20—表示采用294.2N(30kg)的试验力，保持时间20S时得到的硬度值为600。

3.3 维氏硬度试验的分类和试验力选择

维氏硬度试验按试验力大小的不同，细分为三种试验，即：维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验。见表3-1