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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抗拉强度等有一定关系。1.1 概述
2、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零件硬度检测；钢的淬透性硬度检测；钢的淬透性硬度检测；
3、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BrinellVickerKnoopRockwell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）的选择硬硬材材料料软软材材料料ddP1P1D1
4、D1P1P1D1D1P2D2P3D3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。要求：要求：（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。特点特点：肖氏硬度计一般为手提式，便于携带，使用：肖氏
5、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
6、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 陶陶瓷瓷及及矿矿物物材材料料常常用用的的刻刻划划硬硬度度，它它只只表表示示硬硬度度从从小小到到大大的的顺顺序序，不不表表示示具具体体软软硬硬程程度度。旧旧标标准准划划分分为为10级级；新新标标准准有有15级级。序序号号越越大大，
7、莫莫氏氏硬硬度度就就越越高高。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。测试基本原理测试基本原理测定内容测定内容：Ph曲线曲线 硬度值硬度值：纳米硬度测定实例纳米硬度测定实例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
8、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 式中，式中， 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 =114
9、0GPa； 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
10、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。1.3 硬度与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
11、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，即疲劳极限大约为抗，即疲劳极限大约为抗拉强度的一半。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 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
12、、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冲击功：冲击功：冲击韧性：冲击韧性：冲击曲线及冲击功的构成冲击曲线及冲击功的构成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
13、变形功塑性变形功真正的韧性取决于真正的韧性取决于冲击试验的应用冲击试验的应用v 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；v 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；v 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；v 评定材料热加工后的产品质量，如过热、过烧、白点、评定材料热加工后的产品质量，如过热、过烧、白点、回火脆性、淬火及锻造裂纹等；回火脆性、淬火及锻造裂纹等；v 评定
14、材料在不同温度下的脆性转化趋势（采用系列冲击评定材料在不同温度下的脆性转化趋势（采用系列冲击试验）。试验）。温度对钢材冲击韧性的影响温度对钢材冲击韧性的影响冷脆性冷脆性（低温脆性）（低温脆性）篮脆性篮脆性重结晶脆性重结晶脆性2.2 多次冲击（小能量）多次冲击（小能量） 机械工业中有不少机件，如锤杆、凿岩机活塞、钎尾机械工业中有不少机件，如锤杆、凿岩机活塞、钎尾等，往往是工作在承受等，往往是工作在承受小能量的多次冲击小能量的多次冲击载荷的情况下，载荷的情况下，一般总在多次（一般总在多次（10103 3）冲击后才会断裂，而不是一次或少）冲击后才会断裂，而不是一次或少数几次冲击就断裂的，并且所承受的
15、冲击能量也远小于一数几次冲击就断裂的，并且所承受的冲击能量也远小于一次冲击断裂的能量。次冲击断裂的能量。 试验表明，当试样破坏前承受的冲击次数（试验表明，当试样破坏前承受的冲击次数（N）少于）少于5001000次，试样的断裂规律与一次冲击相同；当次，试样的断裂规律与一次冲击相同；当N105时，时，破坏后具有典型的疲劳断口特征，说明是各次冲击损伤累破坏后具有典型的疲劳断口特征，说明是各次冲击损伤累积的结果，不同于一次冲击破坏过程，所以积的结果，不同于一次冲击破坏过程，所以多次冲击抗力多次冲击抗力不能用不能用AK值简单代替值简单代替。多冲试验原理及方法多冲试验原理及方法 多冲试验一般在落锤式多次冲
16、击试验机上进行：多冲试验一般在落锤式多次冲击试验机上进行：冲击频率冲击频率：450周周/min及及600周周/min冲击能量冲击能量：0.11.5J（依靠冲程调节）（依靠冲程调节）多冲抗力多冲抗力：某冲击能量：某冲击能量 A 下的冲断周次下的冲断周次 N ；或规定工作寿；或规定工作寿命命 N 时的冲断能量时的冲断能量 A 。强度和塑性对多冲抗力的响应强度和塑性对多冲抗力的响应 多冲抗力是一个取决于材料强度和塑性的多冲抗力是一个取决于材料强度和塑性的综合机械性能，随条件不同，对强度和塑性的综合机械性能，随条件不同，对强度和塑性的要求是不同的。一般来说：要求是不同的。一般来说： 冲击能量高时冲击能量高时，材料多冲抗力取决于塑性；，材料多冲抗力取决于塑性； 冲击能量低时冲击能量低时，材料多冲抗力取决于强度；，材料多冲抗力取决于强度；三种材料的多冲曲线三种材料的多冲曲线低强、高塑低强、高塑高强、低塑高强、低塑高冲击功时，高冲击功时，25钢寿命长钢寿命长；T8钢寿命短钢寿命短。低冲击功时，低冲击功时，25钢寿命短钢寿命短；T8钢寿命长钢寿命长。
