加工硬化指數(shù)n計(jì)算方法.doc

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______________________________________________________________________________________________________________ 加工硬化和真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線 工程應(yīng)力工程應(yīng)變曲線的形狀是不變的,并且對(duì)試樣卸載和重新加載時(shí),應(yīng)力也沒(méi)有區(qū)別（必須保證卸載和重新加載之間的時(shí)間足夠短）. 然而,如果用真應(yīng)力和真應(yīng)變來(lái)繪制曲線的話就會(huì)有區(qū)別,例如真應(yīng)變的定義是長(zhǎng)度的增量除以標(biāo)距瞬時(shí)長(zhǎng)度,然而工程應(yīng)變是長(zhǎng)度的增量除以原始標(biāo)距的長(zhǎng)度.比較這兩種繪制曲線的方法,會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變的增加,應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生越來(lái)越顯著的差.一會(huì)兒會(huì)給出一些例子. 加工硬化率總是從真應(yīng)力真應(yīng)變數(shù)據(jù)中測(cè)量得到的. 絕大多數(shù)應(yīng)力應(yīng)變曲線都遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的能量表達(dá)式,稱之為Holloman方程,如下: σt?=?Kεtn 當(dāng) n 為硬化比率或者硬化系數(shù)的時(shí)候，這個(gè)方程對(duì)中斷的測(cè)試同樣適用（但僅適用于立刻重新加載的測(cè)試，在室溫下被延遲了幾個(gè)小時(shí)后再加載就不適用了). 由少量塑性應(yīng)變,比如 1%,引起的應(yīng)力增加會(huì)很顯著,在拉伸試驗(yàn)中可以測(cè)量出來(lái),從而估計(jì)少量塑性應(yīng)變后屈服強(qiáng)度的增加. 對(duì)于給定應(yīng)變,應(yīng)力增量越大,冷加工屈服強(qiáng)度越大.這個(gè)有用的參數(shù)被稱做加工硬化指數(shù),可以通過(guò)繪制如下曲線得到: ln?σ?=?ln?K?+?n.ln?ε 當(dāng)塑性應(yīng)變?cè)黾訒r(shí),真應(yīng)變和工程應(yīng)變之間的差別也越來(lái)越大.一個(gè)可以選擇的能精確測(cè)量 n 值的方法是在給定的應(yīng)變處,測(cè)出真應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率: dσ?/?dε?=?n?KεTn?1 為了取代εn我們有:- dσ?/?dε?=?n?σT?/?εT 或者 n?=?dσ?/?dε.εT?/?σT 這里 σT和εT 是測(cè)量的 dσ/dε處的真應(yīng)力和真應(yīng)變. 第1章 材料在靜載下的力學(xué)行為(力學(xué)性能) 1.1 材料在靜拉伸時(shí)的力學(xué)行為概述 ??? 靜拉伸是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)方法。用靜拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，可以求出許多重要性能指標(biāo)。如彈性模量E，主要用于零件的剛度設(shè)計(jì)中；材料的屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb則主要用于零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，特別是抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度有一定的比例關(guān)系，這就進(jìn)一步為零件在交變載荷下使用提供參考；而材料的塑性，斷裂前的應(yīng)變量，主要是為材料在冷熱變形時(shí)的工藝性能作參考。 圖1－1 幾種典型材料在溫室下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線 　 ??? 圖1-1表示不同類型材料的幾種典型的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？梢?jiàn)，它們的差別是很大的。對(duì)退火的低碳鋼，在拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，出現(xiàn)平臺(tái)，即在應(yīng)力不增加的情況下材料可繼續(xù)變形，這一平臺(tái)稱為屈服平臺(tái)，平臺(tái)的延伸長(zhǎng)度隨鋼的含碳量增加而減少，當(dāng)含碳量增至0.6%以上，平臺(tái)消失，這種類型見(jiàn)圖1-1a；對(duì)多數(shù)塑性金屬材料，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1-1b所示，該圖所繪的雖是一鋁鎂合金，但銅合金，中碳合金結(jié)構(gòu)鋼(經(jīng)淬火及中高溫回火處理)也是如此，與圖1-1a不同的是，材料由彈性變形連續(xù)過(guò)渡到塑性變形，塑性變形時(shí)沒(méi)有鋸齒形平臺(tái)，而變形時(shí)總伴隨著加工硬化；對(duì)高分子材料，象聚氯乙烯，在拉伸開始時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變不成直線關(guān)系，見(jiàn)圖1-1c，即不服從虎克定律，而且變形表現(xiàn)為粘彈性。圖1-1d為蘇打石灰玻璃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，只顯示彈性變形，沒(méi)有塑性變形立即斷裂，這是完全脆斷的情形。工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料象Al2O3，SiC等均屬這種情況，淬火態(tài)的高碳鋼、普通灰鑄鐵也屬這種情況。 1.2 金屬材料的彈性變形 1.2.1 廣義虎克定律 ??? 已知在單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系為： ???????????????? ??? 一般應(yīng)力狀態(tài)下各向同性材料的廣義虎克定律為： ?????其中： ???? 如用主應(yīng)力狀態(tài)表示廣義虎克定律,則有 1.2.2 彈性模量的技術(shù)意義 ??? 工程上把彈性模量E、G稱做材料的剛度，它表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，有時(shí)剛度是第一位的。精密機(jī)床的主軸如果不具有足夠的剛度，就不能保證零件的加工精度。若汽車拖拉機(jī)中的曲軸彎曲剛度不足，就會(huì)影響活塞、連桿及軸承等重要零件的正常工作；若扭轉(zhuǎn)剛度不足，則可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。曲軸的結(jié)構(gòu)和尺寸常常由剛度決定，然后作強(qiáng)度校核。通常由剛度決定的尺寸遠(yuǎn)大于按強(qiáng)度計(jì)算的尺寸。所以，曲軸只有在個(gè)別情況下，才從軸頸到曲柄的過(guò)渡園角處發(fā)生斷裂，這一般是制造工藝不當(dāng)所致。 ??? 不同類型的材料，其彈性模量可以差別很大，因而在給定載荷下，產(chǎn)生的彈性撓曲變形也就會(huì)相差懸殊。材料的彈性模量主要取決于結(jié)合鍵的本性和原子間的結(jié)合力，而材料的成分和組織對(duì)它的影響不大，所以說(shuō)它是一個(gè)對(duì)組織不敏感的性能指標(biāo)，這是彈性模量在性能上的主要特點(diǎn)(金屬的彈性模量是一個(gè)結(jié)構(gòu)不敏感的性能指標(biāo)，而高分子和陶瓷材料的彈性模量則對(duì)結(jié)構(gòu)與組織很敏感)。改變材料的成分和組織會(huì)對(duì)材料的強(qiáng)度(如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度)有顯著影響，但對(duì)材料的剛度影響不大。從大的范圍說(shuō)，材料的彈性模量首先決定于結(jié)合鍵。共價(jià)鍵結(jié)合的材料彈性模量最高，所以象SiC，Si3N4陶瓷材料和碳纖維的復(fù)合材料有很高的彈性模量。而主要依靠分子鍵結(jié)合的高分子，由于鍵力弱其彈性模量最低。金屬鍵有較強(qiáng)的鍵力，材料容易塑性變形，其彈性模量適中，但由于各種金屬原子結(jié)合力的不同，也會(huì)有很大的差別，例如鐵(鋼)的彈性模量為210GPa，是鋁(鋁合金)的三倍(EAl≈70GPa)，而鎢的彈性模量又是鐵的兩倍(Ew≈70GPa)。彈性模量是和材料的熔點(diǎn)成正比的，越是難熔的材料彈性模量也越高。 1.2.3 彈性比功 ????對(duì)于彈簧零件來(lái)說(shuō)，不管彈簧的形狀如何（是螺旋彈簧還是板彈簧），也不管彈簧的受力方式如何（是拉壓還是彎扭），都要求其在彈性范圍內(nèi)（彈性極限以下）有盡可能高的彈性比功。彈性比功為應(yīng)力－應(yīng)變曲線下彈性范圍內(nèi)所吸收的變形功，即： 彈性比功　 式中σe為材料的彈性極限，它表示材料發(fā)生彈性變性的極限抗力。理論上彈性極限的測(cè)定應(yīng)該是通過(guò)不斷加載與卸載，直到能使變形完全恢復(fù)的極限載荷。實(shí)際上在測(cè)定彈性極限時(shí)是以規(guī)定某一少量的殘留變形(如0.01%)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)此殘留變形的應(yīng)力即為彈性極限。 ??? 彈性模量是材料的剛度性能，材料的成分與熱處理對(duì)它影響不大；而彈性極限是材料的強(qiáng)度性能，改變材料的成分與熱處理能顯著提高材料的彈性極限。這里附帶說(shuō)明，材料的彈性極限規(guī)定的殘留變形量比一般的屈服強(qiáng)度更小，是對(duì)組織更敏感的性能指標(biāo)，如它對(duì)內(nèi)應(yīng)力、鋼中殘留奧氏體、自由鐵素體和貝氏體等能靈敏地反映出材料內(nèi)部組織的變化。 1.2.4 滯彈性 ??? 理想的彈性體其彈性變形速度是很快的，相當(dāng)于聲音在彈性體中的傳播速度。因此，在加載時(shí)可認(rèn)為變形立即達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的相應(yīng)值，卸載時(shí)也立即恢復(fù)原狀，圖上的加載與卸載應(yīng)在同一直線上，也就是說(shuō)應(yīng)變與應(yīng)力始終保持同步。但是，在實(shí)際材料中有應(yīng)變落后于應(yīng)力現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做滯彈性(如圖1-2)。對(duì)于多數(shù)金屬材料，如果不是在微應(yīng)變范圍內(nèi)精密測(cè)量，其滯彈性不是十分明顯，而有少數(shù)金屬特別象鑄鐵、高鉻不銹鋼則有明顯的滯彈性。例如普通灰鑄鐵在拉伸時(shí)，其在彈性變形范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變并不遵循直線AC關(guān)系(參見(jiàn)圖1-2)，而是加載時(shí)沿著直線ABC，在卸載時(shí)不是沿著原途徑，而是沿著CDA恢復(fù)原狀。加載時(shí)試樣儲(chǔ)存的變形功為ABCE，卸載時(shí)釋放的彈性變形能為ADCE，這樣在加載與卸載的循環(huán)中，試樣儲(chǔ)存的彈性能為ABCDA，即圖中陰影線面積。這個(gè)滯后環(huán)面積雖然很小，但在工程上對(duì)一些產(chǎn)生振動(dòng)的零件卻很重要，它可以減小振動(dòng)，使振動(dòng)幅度很快地衰減下來(lái)，正是因?yàn)殍T鐵有此特性，故常被用來(lái)制作機(jī)床床身和內(nèi)燃機(jī)的支座。滯彈性也有不好的一面，如在精密儀表中的彈簧、油壓表或氣壓表的測(cè)力彈簧，要求彈簧薄膜的彈性變形能靈敏地反映出油壓或氣壓的變化，因此不允許材料有顯著的滯彈性。對(duì)于高分子材料，滯彈性表現(xiàn)為粘彈性并成為材料的普遍特性，這時(shí)高分子的力學(xué)性能都與時(shí)間有關(guān)了，其應(yīng)變不再是應(yīng)力的單值函數(shù)也與時(shí)間有關(guān)。高分子材料的粘彈性主要是由于大的分子量使應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)較慢所致。 1.2.5 包辛格效應(yīng)及其使用意義 ??? 包辛格效應(yīng)就是指原先經(jīng)過(guò)變形，然后在反向加載時(shí)彈性極限或屈服強(qiáng)度降低的現(xiàn)象,如圖1－3所示。特別是彈性極限在反向加載時(shí)幾乎下降到零，這說(shuō)明在反向加載時(shí)塑性變形立即開始了。包辛格效應(yīng)在理論上和實(shí)際上都有其重要意義。在理論上由于它是金屬變形時(shí)長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力的度量（長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力的大小可用X光方法測(cè)量），包辛格效應(yīng)可用來(lái)研究材料加工硬化的機(jī)制。在工程應(yīng)用上，首先是材料加工成型工藝需要考慮包辛格效應(yīng)。其次，包辛格效應(yīng)大的材料，內(nèi)應(yīng)力較大。 　 1.3 金屬材料的塑性變形 1.3.1 屈服強(qiáng)度及其影響因素 ??? 1. 屈服標(biāo)準(zhǔn) ??? 工程上常用的屈服標(biāo)準(zhǔn)有三種： ??? (1)比例極限??應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力，國(guó)際上常采用σp表示，超過(guò)σp時(shí)即認(rèn)為材料開始屈服。 ??? (2)彈性極限??試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力。國(guó)際上通常以σel表示。應(yīng)力超過(guò)σel時(shí)即認(rèn)為材料開始屈服。 ??? (3)屈服強(qiáng)度??以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)，如通常以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，符號(hào)為σ0.2或σys。 ??? 2. 影響屈服強(qiáng)度的因素 ??? 影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)在因素有：結(jié)合鍵、組織、結(jié)構(gòu)、原子本性。如將金屬的屈服強(qiáng)度與陶瓷、高分子材料比較可看出結(jié)合鍵的影響是根本性的。從組織結(jié)構(gòu)的影響來(lái)看，可以有四種強(qiáng)化機(jī)制影響金屬材料的屈服強(qiáng)度，這就是：(1)固溶強(qiáng)化；(2)形變強(qiáng)化；(3)沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化；(4)晶界和亞晶強(qiáng)化。沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化是工業(yè)合金中提高材料屈服強(qiáng)度的最常用的手段。在這幾種強(qiáng)化機(jī)制中，前三種機(jī)制在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，也降低了塑性，只有細(xì)化晶粒和亞晶，既能提高強(qiáng)度又能增加塑性。 ??? 影響屈服強(qiáng)度的外在因素有：溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力狀態(tài)。隨著溫度的降低與應(yīng)變速率的增高,材料的屈服強(qiáng)度升高，尤其是體心立方金屬對(duì)溫度和應(yīng)變速率特別敏感，這導(dǎo)致了鋼的低溫脆化。應(yīng)力狀態(tài)的影響也很重要。雖然屈服強(qiáng)度是反映材料的內(nèi)在性能的一個(gè)本質(zhì)指標(biāo)，但應(yīng)力狀態(tài)不同，屈服強(qiáng)度值也不同。我們通常所說(shuō)的材料的屈服強(qiáng)度一般是指在單向拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度。 ??? 3.屈服強(qiáng)度的工程意義 ??? 傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，對(duì)塑性材料，以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=σys/n，安全系數(shù)n一般取2或更大，對(duì)脆性材料，以抗拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=σb/n，安全系數(shù)n一般取6。 ??? 需要注意的是，按照傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，必然會(huì)導(dǎo)致片面追求材料的高屈服強(qiáng)度，但是隨著材料屈服強(qiáng)度的提高，材料的抗脆斷強(qiáng)度在降低，材料的脆斷危險(xiǎn)性增加了。 ??? 屈服強(qiáng)度不僅有直接的使用意義，在工程上也是材料的某些力學(xué)行為和工藝性能的大致度量。例如材料屈服強(qiáng)度增高，對(duì)應(yīng)力腐蝕和氫脆就敏感；材料屈服強(qiáng)度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服強(qiáng)度是材料性能中不可缺少的重要指標(biāo)。 1.3.2　加工硬化和真應(yīng)力－應(yīng)變曲線 ??? 1. 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 ??? 材料開始屈服以后，繼續(xù)變形將產(chǎn)生加工硬化。但材料的加工硬化行為，不能用條件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)描述。因?yàn)闂l件應(yīng)力σ=F/A,條件應(yīng)變。應(yīng)力的變化是以不變的原始截面積來(lái)計(jì)量，而應(yīng)變是以初始的試樣標(biāo)距長(zhǎng)度來(lái)度量。但實(shí)際上在變形過(guò)程的每一瞬時(shí)試樣的截面積和長(zhǎng)度都在變化，這樣，自然不能真實(shí)反映變形過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變的變化，而必須采用真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線也叫流變曲線。真實(shí)應(yīng)力S=F/A，真實(shí)應(yīng)變。 ??? 由圖1－4可以看出，真實(shí)應(yīng)變與條件應(yīng)變相比有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)。第一，條件應(yīng)變往往不能真實(shí)反映或度量應(yīng)變。第二，真實(shí)應(yīng)變可以疊加，可以不計(jì)中間的加載歷史，只需要知道試樣的初始長(zhǎng)度和最終長(zhǎng)度。條件應(yīng)變總大于真應(yīng)變，在條件應(yīng)變?yōu)?.1左右時(shí)，兩者相差不多，隨著應(yīng)變量的增加，兩者的相差越來(lái)越大。 ??? 2.真應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系 ??? 從試樣開始屈服到發(fā)生頸縮，這一段應(yīng)變范圍中真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系,可用以下方程描述 式中n稱為加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù)，K叫做強(qiáng)度系數(shù)。如取對(duì)數(shù),則有 在雙對(duì)數(shù)的坐標(biāo)中真應(yīng)力和真應(yīng)變成線性關(guān)系,直線的斜率即為n，而K相當(dāng)于ε=1.0時(shí)的真應(yīng)力，見(jiàn)圖1－5。理想的彈性體和理想的塑性體限定了一般材料加工硬化指數(shù)n的變化范圍，如用 S=Kεn? 方程描述，則在圖1－6中，理想彈性體n=1為-45。斜線，理想塑性體n=0為一水平直線，n=1/2的為一拋物線。 ??? 3.加工硬化指數(shù)n的實(shí)際意義 ??? 加工硬化指數(shù)n反應(yīng)了材料開始屈服以后，繼續(xù)變形時(shí)材料的應(yīng)變硬化情況，它決定了材料開始發(fā)生頸縮時(shí)的最大應(yīng)力。n還決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻應(yīng)變量（見(jiàn)1.3.3內(nèi)容），這一數(shù)值在冷加工成型工藝中是很重要的。 ??? 對(duì)于工作中的零件，也要求材料有一定的加工硬化能力，否則，在偶然過(guò)載的情況下，會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形，甚至有局部的不均勻變形或斷裂，因此材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保證。 ??? 形變硬化是提高材料強(qiáng)度的重要手段。不銹鋼有很大的加工硬化指數(shù)n=0.5，因而也有很高的均勻變形量。不銹鋼的屈服強(qiáng)度不高，但如用冷變形可以成倍地提高。高碳鋼絲經(jīng)過(guò)鉛浴等溫處理后拉拔，可以達(dá)到2000MPa以上。但是，傳統(tǒng)的形變強(qiáng)化方法只能使強(qiáng)度提高，而塑性損失了很多?，F(xiàn)在研制的一些新材料中，注意到當(dāng)改變了顯微組織和組織的分布時(shí)，變形中既能提高強(qiáng)度又能提高塑性，見(jiàn)圖1－7。 　 1.3.3 頸縮條件和抗拉強(qiáng)度 ??? 1.頸縮條件 ??? 應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)即開始出現(xiàn)頸縮。在頸縮前變形沿整個(gè)試樣長(zhǎng)度是均勻的，發(fā)生頸縮后變形則主要集中在局部區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)橫截面越來(lái)越細(xì)，局部應(yīng)力越來(lái)越高，直至不能承受外加載荷而斷裂。出現(xiàn)頸縮時(shí)正是相當(dāng)于負(fù)荷-變形曲線上的最大載荷處，因此，應(yīng)有dF=0 ?????????????? ???????? dF=d(S·A)=AdS+SdA=0 即　　?????????????????? -dA/A=dS/S ??? 又按體積不變定理有　 dL/L=-dA/A=dε 故有 　　　　　　???????????? dS/dε=S ??? 這就是出現(xiàn)頸縮的條件，即當(dāng)加工硬化速率等于該處的真應(yīng)力時(shí)就開始頸縮。 ??? 依據(jù)頸縮條件，倘若已有真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并作出相應(yīng)的應(yīng)變硬化速率和應(yīng)變的關(guān)系，這兩個(gè)曲線的交點(diǎn)即表示在該應(yīng)變量下將要開始頸縮，在交點(diǎn)的左方dS/dε>S，硬化作用較強(qiáng)，足以補(bǔ)償因截面之減小所引起的應(yīng)力升高，而在交點(diǎn)的右方dS/dε2，即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力，所以在這種加載方式下幾乎所有金屬材料都會(huì)發(fā)生塑性變形，而起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形的抗力(即形變強(qiáng)化能力)就直接決定壓 入硬度值的大小。 ??? 硬度試驗(yàn)按其試驗(yàn)方法的物理意義可分為刻劃硬度、回跳硬度(肖氏硬度)和壓入硬度?？虅澯捕戎饕碚鞑牧蠈?duì)切斷式破壞的抗力，所以它與SK之間有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。回跳硬度主要表征材料彈性比功大小。因此，必須對(duì)彈性模量相同的材料才能進(jìn)行這一試驗(yàn)。壓入硬度的含義已如上述。由于此法在生產(chǎn)上應(yīng)用最為廣泛，故下面主要談壓入法硬度。 1.7.2布氏硬度 ??? 1. 布氏硬度試驗(yàn)的基本原理 ??? 布氏硬度的測(cè)定原理是：在直徑D的鋼珠上，加一定負(fù)荷P，壓入被試金屬的表面(見(jiàn)圖1－20)，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹面積F凹計(jì)算出應(yīng)力值，以此值作為硬度值大小的計(jì)量指標(biāo)。布氏硬度的符號(hào)以HB標(biāo)計(jì) ??????? 式中為壓痕陷凹深度；為壓痕陷凹面積(試驗(yàn)參見(jiàn)動(dòng)畫演示)，這可以從壓痕陷凹面積和整個(gè)球面積之比等于壓痕陷凹深度和球直徑D之比的關(guān)系中求得。 ??? 由上式可知，在P和D一定時(shí)，HB的高低取決于t的大小，二者呈反比。t大說(shuō)明金屬形變抗力低，故硬度值HB小，反之則HB大。 ??? 在實(shí)際測(cè)定時(shí)，由于測(cè)定較困難，而測(cè)定陷凹直徑卻較容易，因此，要將上式中的換成。則有 ??????????? ??? 可得出 ??? 2.布氏硬度試驗(yàn)規(guī)程 ??? 布氏硬度試驗(yàn)的基本條件是負(fù)荷P和鋼球直徑D必須事先確定，這樣所得數(shù)據(jù)才能進(jìn)行比較。但由于金屬有硬有軟，所試工件有厚有薄，如果只采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)荷P(如3000kgf)和鋼球直徑D(如10mm)時(shí)，則對(duì)于硬合金(如鋼)雖然適合，對(duì)于軟合金(如鉛、錫)就不適合，這時(shí)，整個(gè)鋼球都會(huì)陷入金屬中；同樣，這個(gè)值對(duì)厚的工件雖然適合，對(duì)于薄的工件(如厚度小于2mm)就不適合，這時(shí)工件可能被壓透。此外，壓痕直徑d和鋼球直徑D的比值也不能太大或太小，否則所得HB值失真，只有二者的比值在一定范圍(0.2D450以上的太硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測(cè)數(shù)據(jù)的正確性，因此不能使用。由于壓痕較大，不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品檢驗(yàn)，也不宜于薄件試驗(yàn)。此外，因需測(cè)量d值，故被測(cè)處要求平穩(wěn)，操 作和測(cè)量都需較長(zhǎng)時(shí)間，故在要求迅速檢定大量成品時(shí)不適合。 1.7.3洛氏硬度 ??? 1. 洛氏硬度值的規(guī)定 ??? 洛氏硬度的壓頭分硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)的由頂角為120°的金鋼石圓錐體制成，適于測(cè)定淬火鋼材等較硬的金屬材料；軟質(zhì)的為直徑1/16"(1.5875mm)或1/8"(3.175mm)的鋼球，適于退火鋼、有色金屬等較軟材料硬度值的測(cè)定。洛氏硬度所加負(fù)荷根據(jù)被試金屬本身硬軟不等作不同規(guī)定，隨不同壓頭和所加不同負(fù)荷的搭配出現(xiàn)了各種稱號(hào)的洛氏硬度級(jí)。 ??? 生產(chǎn)上用得最多的是A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)，即HRA(金鋼石圓錐壓頭、60kgf負(fù)荷)，HRB(1/16"鋼球壓頭、100kgf負(fù)荷)和HRC(金鋼石圓錐壓頭、150kgf負(fù)荷)，而其中又以HRC用得最普遍。 ??? 因?yàn)槁迨嫌捕仁且詨汉巯莅忌疃萾作為計(jì)量硬度值的指標(biāo)。在同一硬度級(jí)下，金屬愈硬則壓痕深度t愈小，愈軟則t愈大。如果直接以t的大小作為指標(biāo)，則將出現(xiàn)硬金屬t值小從而硬度值小，軟金屬的t值大從而硬度值大的現(xiàn)象，這和布氏硬度值所表示的硬度大小的概念相矛盾，也和人們的習(xí)慣不一致。為此，只能采取一個(gè)不得已的措施，即用選定的常數(shù)來(lái)減去所得t值，以其差值來(lái)標(biāo)志洛氏硬度值。此常數(shù)規(guī)定為0.2mm(用于HRA、HRC)和0.26mm (用于HRB)。因此 ????????? ????????? 　　　　　　 ??? 其中t為壓痕的陷凹深度。 ??? 2. 洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn) ??? 洛氏硬度試驗(yàn)避免了布氏硬度試驗(yàn)所存在的缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是： ??? 1)因有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，故適于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗(yàn)，不存在壓頭變形問(wèn)題； ??? 2)壓痕小，不傷工件表面； ??? 3)操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，生產(chǎn)效率高，適用于大量生產(chǎn)中的成品檢驗(yàn)。 ??? 缺點(diǎn)是：用不同硬度級(jí)測(cè)得的硬度值無(wú)法統(tǒng)一起來(lái)，無(wú)法進(jìn)行比較。 1.7.4 維氏硬度 ????維氏硬度試驗(yàn)法開始于1925年。維氏硬度的測(cè)定原理和布氏硬度相同,也是根據(jù)單位壓痕陷凹面積上承受的負(fù)荷，即應(yīng)力值作為硬度值的計(jì)量指標(biāo)。所不同的是維氏硬度采用錐面夾角為136°的四方角錐體，由金鋼石制成。之所以采用四方角錐，是針對(duì)布氏硬度的負(fù)荷P和鋼球直徑D之間必須遵循P/D2為定值的這一制約關(guān)系的缺點(diǎn)而提出來(lái)的。采用了四方角錐，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)壓人角不變，因此負(fù)荷可以任意選擇，這是維氏硬度試驗(yàn)最主要的特點(diǎn)，也是最大的優(yōu)點(diǎn)。四方角錐之所以選取136°，是為了所測(cè)數(shù)據(jù)與HB值能得到最好的配合。因?yàn)橐话悴际嫌捕仍囼?yàn)時(shí)，壓痕直徑d多半在0.25D到0.5D之間，當(dāng) ??????????????? 時(shí)，通過(guò)此壓痕直徑作鋼球的切線，切線的夾角正好等于136°，如圖1－22所示。所以通過(guò)維氏硬度試驗(yàn)所得到的硬度值和通過(guò)布氏硬度試驗(yàn)所得到的硬度值能完全相等，這是維氏硬度試驗(yàn)的第二個(gè)特點(diǎn)。 ??? 此外，采用四方角錐后，壓痕為一具有清晰輪廓的正方形在測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d時(shí)誤差小(參看圖1－22)，這點(diǎn)比用布氏硬度測(cè)量圓形的壓痕直徑d要方便得多。還有，采用金鋼石制壓頭可適用于試驗(yàn)任何硬質(zhì)的材料。 ??? 和布氏、洛氏硬度試驗(yàn)比較起來(lái)，維氏硬度試驗(yàn)具有許多優(yōu)點(diǎn)。它不存在布氏那種負(fù)荷P和壓頭直徑D的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問(wèn)題；也不存在洛氏那種硬度值無(wú)法統(tǒng)一的問(wèn)題。而它和洛氏一樣可以試驗(yàn)任何軟硬的材料，并且比洛氏能更好地測(cè)試極薄件(或薄層)的硬度，這點(diǎn)只有洛氏表面硬度級(jí)才能做到。但即使在這樣的條件下，也只能在該洛氏級(jí)內(nèi)進(jìn)行比較，和其它硬度級(jí)統(tǒng)一不起來(lái)。此外洛氏由于是以壓痕深度為計(jì)量指標(biāo)，而壓痕深度總比壓痕寬度要小些，故其相對(duì)誤差也越大些。因此，洛氏硬度數(shù)據(jù)不如布氏、維氏穩(wěn)定，當(dāng)然更不如維氏精確。 ??? 總的來(lái)說(shuō)，維氏硬度試驗(yàn)具有另外兩種試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)而摒棄了它們的缺點(diǎn)，此外還有它本身突出的特點(diǎn)——負(fù)荷大小可任意選擇。唯一缺點(diǎn)是硬度值需通過(guò)測(cè)量對(duì)角線后才能計(jì)算(或查表)出來(lái)，因此生產(chǎn)效率沒(méi)有洛氏高。 1.7.5 顯微硬度 ??? 顯微硬度所用的載荷很小，大致在100gf-500gf范圍，所用的壓頭有兩種：一種是維氏壓頭，和宏觀的維氏硬度壓頭—樣，只是在金剛石四方錐的制造上和測(cè)量上要更加嚴(yán)格；另一種是努氏壓頭(knoop indenter)，它是一菱形的金剛錐體，其形貌如圖1－23所示。在縱向上錐體的頂角為，，橫向上錐體的頂角為130°，壓痕的長(zhǎng)短對(duì)角線長(zhǎng)度之比約7：1，壓痕的深度約為其長(zhǎng)度的1/30。努氏硬度按以下公式計(jì)算 ??????????????? ??? 總的來(lái)說(shuō)，顯微硬度是用來(lái)測(cè)量尺寸很小或很薄零件的硬度，或者是用來(lái)測(cè)量各種顯 微組織的硬度。但是，努氏與維氏顯微硬度比較，有些突出的優(yōu)點(diǎn)，例如： ??? (1)在測(cè)量滲碳(或氮化)淬硬層的硬度分布時(shí)，努氏壓痕的排列與分布較維氏更緊湊； ??? (2)在相同的對(duì)角線長(zhǎng)度下(努氏壓痕以長(zhǎng)對(duì)角線計(jì))，努氏壓痕的深度與面積只有維氏壓痕的15％，這對(duì)測(cè)量薄層硬度，例如電鍍層特別適宜，而在測(cè)量脆性材料如玻璃，陶瓷的硬度時(shí)，在壓痕周圍不容易碎裂，因?yàn)閿嗔褍A向是和受應(yīng)力材料的體積成正比的，所以努氏硬度在—些特定的場(chǎng)合下使用時(shí)更方便。  THANKS !!! 致力為企業(yè)和個(gè)人提供合同協(xié)議，策劃案計(jì)劃書，學(xué)習(xí)課件等等 打造全網(wǎng)一站式需求 歡迎您的下載，資料僅供參考 -可編輯修改-