硬度知识与金属工艺学

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1、硬度知识一、硬度简介：硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨 性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1.布氏硬度布氏硬度(HB)以一定的载荷(一般 3000kg)把一定大小(直径一般为 10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间， 去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。 2.洛氏硬度洛氏硬度(HR)当 HB450 或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角 120的金 刚石圆锥体或直径为 1.59、3.18mm 的钢球，在一定载荷下压入被

2、测材料表面，由压痕的深度求出材料 的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用 60kg 载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB：是采用 100kg 载荷和直径 1.58mm 淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火 钢、铸铁等)。 HRC：是采用 150kg 载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。3 维氏硬度维氏硬度(HV)以 120kg 以内的载荷和顶角为 136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除 以载荷值，即为维氏硬度 HV 值(kgf/mm2)。# 注： 洛氏硬度

3、中 HRA、HRB、HRC 等中的 A、B、C 为三种不同的标准，称为标尺 A、标尺 B、标尺 C。 洛氏硬度试验是现今所使用的几种普通压痕硬度试验之一，三种标尺的初始压力均为 98.07N(合 10kgf)，最后 根据压痕深度计算硬度值。标尺 A 使用的是球锥菱形压头，然后加压至 588.4N(合 60kgf)；标尺 B 使用的是直 径为 1.588mm(1/16 英寸)的钢球作为压头，然后加压至 980.7N(合 100kgf)；而标尺 C 使用与标尺 A 相同的球锥 菱形作为压头，但加压后的力是 1471N(合 150kgf)。因此标尺 B 适用相对较软的材料，而标尺 C 适用较硬的材

4、料。 实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑 性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。但各种材料 的换算关系并不一致。本站硬度对照表一文对钢的不同硬度值的换算给出了表格，请查阅。 #二、硬度对照表：根据德国标准 DIN50150,以下是常用范围的钢材抗拉强度与维氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度的对照表。抗拉强度 Rm N/mm2 维氏硬度 HV 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HRC 250 80 76.0 - 270 85 80.7 - 285 90 85.2 - 305 95 90.2 - 320 1

5、00 95.0 - 335 105 99.8 - 350 110 105 - 370 115 109 - 380 120 114 - 400 125 119 - 415 130 124 - 430 135 128 - 450 140 133 - 465 145 138 - 480 150 143 - 490 155 147 - 510 160 152 - 530 165 156 - 545 170 162 - 560 175 166 - 575 180 171 - 595 185 176 - 610 190 181 - 625 195 185 - 640 200 190 - 660 205 1

6、95 - 675 210 199 - 690 215 204 - 705 220 209 - 720 225 214 - 740 230 219 - 755 235 223 - 770 240 228 20.3 785 245 233 21.3 800 250 238 22.2 820 255 242 23.1 835 260 247 24.0 850 265 252 24.8 865 270 257 25.6 880 275 261 26.4 900 280 266 27.1 915 285 271 27.8 930 290 276 28.5 950 295 280 29.2 965 300

7、 285 29.8 995 310 295 31.0 1030 320 304 32.2 1060 330 314 33.3 1095 340 323 34.4 1125 350 333 35.5 1115 360 342 36.6 1190 370 352 37.7 1220 380 361 38.8 1255 390 371 39.8 1290 400 380 40.8 1320 410 390 41.8 1350 420 399 42.7 1385 430 409 43.6 1420 440 418 44.5 1455 450 428 45.3 1485 460 437 46.1 152

8、0 470 447 46.9 1555 480 (456) 47.7 1595 490 (466) 48.4 1630 500 (475) 49.1 1665 510 (485) 49.8 1700 520 (494) 50.5 1740 530 (504) 51.1 1775 540 (513) 51.7 1810 550 (523) 52.3 1845 560 (532) 53.0 1880 570 (542) 53.6 1920 580 (551) 54.1 1955 590 (561) 54.7 1995 600 (570) 55.2 2030 610 (580) 55.7 2070

9、620 (589) 56.3 2105 630 (599) 56.8 2145 640 (608) 57.3 2180 650 (618) 57.8 660 58.3 670 58.8 680 59.2 690 59.7 700 60.1 720 61.0 740 61.8 760 62.5 780 63.3 800 64.0 820 64.7 840 65.3 860 65.9 880 66.4 900 67.0 920 67.5 940 68.0硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。 实践证明，

10、金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起 始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。 下面是本站根据由实验得到的经验公式制作的快速计算器，有一定的实用价值，但在要求数据比较精确 时，仍需要通过试验测得。三、硬度換算公式1.肖氏硬度(HS)=勃式硬度(BHN)/10+12 2.肖式硬度(HS)=洛式硬度(HRC)+15 3.勃式硬度(BHN)= 洛克式硬度(HV) 4.洛式硬度(HRC)= 勃式硬度(BHN)/10-3 硬度測定範圍: HS107 不疲劳破坏 2 疲劳破坏原因 材料有杂质,表面划痕,能引起应力

11、集中,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏. 3 预防措施 改善结构形状,避免应力集中,表面强化-喷丸处理,表面淬火等. 第二节 金属材料的物理,化学及工艺性能 一 物理性能 比重: 计算毛坯重量,选材,如航天件 :轻 熔点:铸造 锻造温度(再结晶温度) 热膨胀性:铁轨 模锻的模具 量具 导热性: 铸造:金属型 锻造:加热速度 导电性: 电器元件 铜 铝 磁性:变压器和电机中的硅钢片 磨床: 工作台 二 化学性能 金属的化学性能,决定了不同金属与金属,金属与非金属之间形成化合物的性能,使有些合金机械性能高,有些合金 抗腐蚀性好,有的金属在高温下组织性能稳定. 如耐酸,耐碱等 如

12、化工机械,高温工作零件等 三 工艺性能 金属材料能适应加工工艺要求的能力. 铸造性,可锻性,可焊性,切削加工形等 思考题; 1 什么是应力,应变(线应变)? 2 颈缩现象发生在拉伸图上哪一点? 如果没发生颈缩,是否表明该试样没有塑性变形? 3 0.2 的意义?能在拉伸图上画出吗? 4 将钟表发条拉成一直线,这是弹性变形还是塑性变形?如何判定变形性质? 5 为什么冲击值不直接用于设计计算? 第二章 金属和合金的晶体结构与结晶 第一节 金属的晶体结构 一基本概念: 固体物质按原子排列的特征分为: 晶体: 原子排列有序,规则,固定熔点,各项异性. 非晶体:原子排列无序,不规则,无固定熔点,各项同性

13、如: 金属 ,合金,金刚石晶体 玻璃,松香 沥青非晶体 晶格: 原子看成一个点,把这些点用线连成空间格子. 结点: 晶格中每个点. 晶胞: 晶格中最小单元,能代表整个晶格特征. 晶面: 各个方位的原子平面 晶格常数: 晶胞中各棱边的长度(及夹角), 以 A(1A=10-8cm)度量 金属晶体结构的主要区别在于晶格类型,晶格常数. 二 常见晶格类型 1 体心立方晶格: Cr ,W, -Fe, Mo , V 等,特点:强度大,塑性较好,原子数:1/8 X8 +1=2 20 多种 2 面心立方晶格: Cu Ag Au Ni Al Pb - Fe 塑性好 原子数:4 20 多种 4 密排六方晶格: M

14、g Zn Be -Cr -Ti Cd(镉) 纯铁在室温高压(130x108N/M2)成 -Fe 原子数=1/6 x12+1/2 x2+3=6 , 30 多种 三 多晶结构 单晶体- 晶体内部的晶格方位完全一致. 多晶体许多晶粒组成的晶体结构.各项同性. 晶粒外形不规则而内部晶各方位一致的小晶体. 晶界晶粒之间的界面. 第二节 金属的结晶 一 金属的结晶过程(初次结晶) 1 结晶: 金属从液体转变成晶体状态的过程. 晶核形成: 自发晶核:液体金属中一些原子自发聚集,规则排列. 外来晶核:液态金属中一些外来高熔点固态微质点. 晶核长大:已晶核为中心,按一定几何形状不断排列. *晶粒大小控制: 晶核

15、数目: 多细(晶核长得慢也细) 冷却速度: 快细(因冷却速度受限,故多加外来质点) 晶粒粗细对机械性能有很大影响,若晶粒需细化,则从上述两方面入手. 结晶过程用冷却曲线描述! 2 冷却曲线 温度随时间变化的曲线热分析法得到 1) 理论结晶温度 实际结晶温度 时间(s) T() 过冷: 液态金属冷却到理论结晶温度以下才开始结晶的现象. 2) 过冷度:理论结晶温度与实际结 晶温度之差. (实际冷却快,结晶在理论温度下) 二 金属的同素异购转变(二次结晶重结晶) 同素异构性一种金属能以几种晶格类型存在的性质. 同素异购转变金属在固体时改变其晶格类型的过程. 如:铁 锡 锰 钛 钴 以铁为例: -Fe(1394)-Fe(912)-Fe 体心 面心 体心 因为铁能同素异构转变,才有对钢铁的各种热处理. (晶格转变时,体积会变化,以原子排列不同) 第三节 合金的晶体结