硬度和冲击韧度

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1、硬度和冲击硬度和冲击 硬度硬度 -概述概述 -硬度试验原理硬度试验原理 -硬度与其它力学性能的关系硬度与其它力学性能的关系 冲击冲击 -一次冲击一次冲击 -多次冲击多次冲击 1 硬度硬度 硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能，一般指硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能，一般指材料表面上不大材料表面上不大 体积内抵抗变形或破裂的能力。体积内抵抗变形或破裂的能力。 硬度试验特点硬度试验特点： 试验设备简单，操作方便、快捷；试验设备简单，操作方便、快捷； 故可对大多数机件成品直接进行故可对大多数机件成品直接进行无损检测无损检测； 硬度与其它力学性能特别是抗拉强度等有一定关系。硬度与其它力学性能特别是

2、抗拉强度等有一定关系。 1.1 概述概述 硬度试验目的硬度试验目的： 材料成分判定（非金属材料、有色金属）；材料成分判定（非金属材料、有色金属）； 材料耐磨性能判定（金属材料）；材料耐磨性能判定（金属材料）； 产品质量检验（金属材料）产品质量检验（金属材料） 材料强度推测（金属材料）材料强度推测（金属材料） 硬度试验方法分类硬度试验方法分类 工程常见硬度检测实务工程常见硬度检测实务 钢铁零件表面化学热处理、表面淬火、感应热处理等后硬度检测；钢铁零件表面化学热处理、表面淬火、感应热处理等后硬度检测； 轧辊和钢球的硬度检测；轧辊和钢球的硬度检测； 滚动轴承和滑动轴承零件硬度检测；滚动轴承和滑动轴承

3、零件硬度检测； 钢的淬透性硬度检测；钢的淬透性硬度检测； 铸铁的硬度及灰铸铁的相对硬度检测；铸铁的硬度及灰铸铁的相对硬度检测； 齿轮、弹簧、活塞及焊接接头的硬度检测；齿轮、弹簧、活塞及焊接接头的硬度检测； 金属覆盖层和热涂层硬度检测；金属覆盖层和热涂层硬度检测； 硬质合金和粉末冶金制品的硬度检测；硬质合金和粉末冶金制品的硬度检测； 铝合金板材的硬度检测；铝合金板材的硬度检测； 铍青铜材硬度检测；等等。铍青铜材硬度检测；等等。 1.2 常用压入法硬度试验原理常用压入法硬度试验原理 22 2 dDDD P Dh P S P HB 002. 0 hk HR 2222 1891. 08544. 1 m

4、m N d F mm kg d F HV2 45. 1 l F HK Brinell VickerKnoopRockwell 常用工程材料的硬度常用工程材料的硬度 压头直径（压头直径（D）及载荷（）及载荷（P）的选择）的选择 硬 材 料 硬 材 料 软 材 料 软 材 料 dd P1 P1 D1 D1 P1 P1 D1 D1 P2 D2 P3 D3 几何相似原理几何相似原理 采用不同的载荷（采用不同的载荷（P）或钢球直径（）或钢球直径（D），但），但 必须保证必须保证压痕几何相似压痕几何相似。 2 sin11 2 2 sin11 2 2 2 2 2 2 2 1 1 D P D P HB 要求：

5、要求：常数 2 D P DdD6 . 024. 0 （3）肖氏硬度）肖氏硬度( (Shore Hardness) ) 原理原理：属动态试验法，即将具有一定质量的带有金：属动态试验法，即将具有一定质量的带有金 刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表 面，根据重锤回跳的高度来表征材料硬度大小。面，根据重锤回跳的高度来表征材料硬度大小。 回跳越高，材料越硬。回跳越高，材料越硬。 1 2 h h KHS 特点特点：肖氏硬度计一般为手提式，便于携带，使用：肖氏硬度计一般为手提式，便于携带，使用 方便，可测现场大型工件的硬度。方便，可测现场大型工件的硬度。 缺点缺

6、点：准确性受人为因素影响较大，测量精度低，：准确性受人为因素影响较大，测量精度低， 只适于材料弹性模量相同时比较。只适于材料弹性模量相同时比较。 公式公式: h1 1- -冲头下落高度冲头下落高度; ; h2 2- -冲头反弹高度冲头反弹高度; ; K-系数，对系数，对C形：形： K=153；对；对D形：形： K=140 （4）莫氏硬度）莫氏硬度( (Mohs Hardness) ) 旧标准旧标准新标准新标准 顺序顺序材料材料顺序顺序材料材料 1 1滑石滑石1 1滑石滑石 2 2石膏石膏2 2石膏石膏 3 3方解石方解石3 3方解石方解石 4 4萤石萤石4 4萤石萤石 5 5磷灰石磷灰石5 5

7、磷灰石磷灰石 6 6正长石正长石6 6正长石正长石 7 7石英石英7 7SiOSiO2 2玻璃玻璃 8 8黄玉黄玉8 8石英石英 9 9刚玉刚玉9 9黄玉黄玉 1010金刚石金刚石1010石榴石石榴石 1111熔融氧化锆熔融氧化锆 1212刚玉刚玉 1313碳化硅碳化硅 1414碳化硼碳化硼 1515金刚石金刚石 陶 瓷 及 矿 物 材 料 常 用 的 刻 划 硬 度 ， 它 只 表 示 陶 瓷 及 矿 物 材 料 常 用 的 刻 划 硬 度 ， 它 只 表 示 硬 度 从 小 到 大 的 顺 序 ， 不 表 示 具 体 软 硬 程 度 。 硬 度 从 小 到 大 的 顺 序 ， 不 表 示

8、具 体 软 硬 程 度 。 旧旧 标 准 划 分 为 标 准 划 分 为 10 级 ； 新 标 准 有 级 ； 新 标 准 有 15 级 。 级 。 序 号 越 大 ， 莫 序 号 越 大 ， 莫 氏 硬 度 就 越 高 。 氏 硬 度 就 越 高 。 1.2.5 纳米硬度纳米硬度( (Nanohardness) ) 试验原理试验原理：属压痕法一种：属压痕法一种 试验设备试验设备：纳米力学探针：纳米力学探针 原子力显微镜原子力显微镜 特点特点：载荷极小（可达：载荷极小（可达 N级），压痕深度极小级），压痕深度极小 （nm级），故适用于微级），故适用于微 区力学性能测定。区力学性能测定。 测试基

9、本原理测试基本原理 测定内容测定内容：Ph曲线曲线 128 1 8 4 1 3 2 1 21 2 5 .24 ccccc hChChChChA A P H max 硬度值硬度值： 纳米硬度测定实例纳米硬度测定实例 -90-75-60-45-30-150153045 0 5 10 15 20 25 A B C 6061 Al matrix ( SiCp - 6061 Al ) Nanohardness (GPa) Distance to the major interface (m) 6061Al matrix SiCp- 6061Al bar SiCp BC A 6061Al alloy in

10、 a SiCp- 6061Al bar 6061Al matrix ba 6061Al基体基体 SiCp/6061Al棒棒 纳米压痕法测定原位弹性模量纳米压痕法测定原位弹性模量 通过载荷位移曲线还可求得被测试材料的原位弹性模量。加载过通过载荷位移曲线还可求得被测试材料的原位弹性模量。加载过 程中，材料经历弹塑性变形，而卸载初期材料为弹性变形，因此可由最程中，材料经历弹塑性变形，而卸载初期材料为弹性变形，因此可由最 初卸载曲线斜率初卸载曲线斜率dP/dh得到材料的弹性模量，其公式为得到材料的弹性模量，其公式为 i i s s r r EEE AE dh dP 22 5 . 0 111 式中，式中

11、， 为与压头形状有关常数；为与压头形状有关常数；A为实际压入面积；为实际压入面积；Er、Es、Ei分别为分别为 体系约化模量、材料弹性模量、压头模量；体系约化模量、材料弹性模量、压头模量； s、 i分别为材料和压头的泊分别为材料和压头的泊 松比。对金刚石压头来说，松比。对金刚石压头来说，Ei=1140GPa； i=0.07。 纳米压痕法测定其它性能探索纳米压痕法测定其它性能探索 测定薄膜、涂层、镀层等材料的硬度、模量、残余应力以及与基底材料测定薄膜、涂层、镀层等材料的硬度、模量、残余应力以及与基底材料 的结合力。的结合力。 研究复合材料界面及近界面微区力学性能分布特征。研究复合材料界面及近界面

12、微区力学性能分布特征。 研究蠕变行为及性能研究蠕变行为及性能 文物及贵重工艺品硬度测试文物及贵重工艺品硬度测试 测定脆性薄膜或陶瓷材料微小区域的断裂韧度。当压头压入脆性材料时，测定脆性薄膜或陶瓷材料微小区域的断裂韧度。当压头压入脆性材料时， 可能会在压痕周围产生径向微裂纹，根据微裂纹尺度及硬度估算断裂韧可能会在压痕周围产生径向微裂纹，根据微裂纹尺度及硬度估算断裂韧 度：度： 式中，式中， 为与压头形状相关的经验系数；为与压头形状相关的经验系数；H H 为硬度；为硬度；C C 为径向裂纹长度；为径向裂纹长度； E E 为杨氏模量。为杨氏模量。 2 3 2 1 C P H E KC 1.3 硬度与

13、其他力学性能的关系硬度与其他力学性能的关系 式中，式中，k比例系数。比例系数。 不同的金属，不同的金属，k 值值 不同；对同一种金属，不同；对同一种金属， 热处理不改变热处理不改变 k 值，但值，但 冷变形使冷变形使 k 值变化。值变化。 碳钢布氏硬度与抗拉强度关系碳钢布氏硬度与抗拉强度关系 HBk b 1.3.1 硬度与抗拉强度的关系硬度与抗拉强度的关系 部分钢的硬度与抗拉强度的关系部分钢的硬度与抗拉强度的关系 部分有色金属硬度与抗拉强度的关系部分有色金属硬度与抗拉强度的关系 1.3.2 硬度与疲劳强度的关系硬度与疲劳强度的关系 通常，通常，m = 0.4 0.6，平均为平均为0.5，即疲劳

14、极限大约为，即疲劳极限大约为 抗拉强度的一半。抗拉强度的一半。 对钢铁材料：已知：对钢铁材料：已知：b3.3HB 因此：因此：-11.6HB b m 1 2 冲击冲击 受冲击载荷的构件受冲击载荷的构件 空间飞行器空间飞行器受陨石的撞击；受陨石的撞击； 炮弹、子弹对炮弹、子弹对装甲装甲的穿透；的穿透； 飞机降落时飞机降落时起落架起落架与地面的碰撞；与地面的碰撞； 汽车汽车驶过凹坑和凸起；驶过凹坑和凸起； 经受锻造、爆炸焊接、爆炸加工成型的经受锻造、爆炸焊接、爆炸加工成型的构件构件；等等。；等等。 利用冲击能量来工作的构件利用冲击能量来工作的构件 锻锤；锻锤； 冲床；冲床； 凿岩机；凿岩机； 铆钉

15、枪；等等。铆钉枪；等等。 2.1 一次冲击试验及性能一次冲击试验及性能 冲击弯曲冲击弯曲悬臂梁冲击悬臂梁冲击冲击弯曲冲击弯曲 Charpy试样试样Izod试样试样 夏比冲击试验及冲击韧性夏比冲击试验及冲击韧性 hGGhAK冲击功：冲击功： 冲击韧性：冲击韧性： N K K F A a 冲击曲线及冲击功的构成冲击曲线及冲击功的构成 dFPCK AAAAA 塑性变形功塑性变形功 裂纹形成功裂纹形成功 裂纹扩展功裂纹扩展功 裂纹失稳扩展功裂纹失稳扩展功 弹性变形功弹性变形功 裂纹亚稳扩展功裂纹亚稳扩展功 AF 塑性变形功塑性变形功 真正的韧性取决于真正的韧性取决于 FP AA 冲击试验的应用冲击试验的应用 作为材料承受大能量冲击时的抗力指标，如炮弹、装甲作为材料承受大能量冲击时的抗力指标，如炮弹、装甲 板等；板等； 作为评定某些构件寿命与可靠性的结构性能指标，如船作为评定某些构件寿命与可靠性的结构性能指标，如船 用钢板等；用钢板等； 评定原材料的冶金质量，如夹杂、气泡、严重分层、偏评定原材料的冶金质量，如夹杂、气泡、严重分层、偏 析等宏观缺陷；析等宏观缺陷； 评定材料热加工后的产品质量，如过热、过烧、白点、评定