金属力学性能测试
?硬度及扭转试验
?
?金属硬度试验
?是金属抵抗局部变形,特别是塑性变形,压痕或划痕的能力,是衡量金属材料软硬程度的一种指标。
?按受力方式分;压入法、刻划法两种
普遍采用压入法
?按加力速度分;静力试验法动力试验法
?静力试验法最为普遍。常用布、洛、维氏硬度等均属静力压入试验法。
?硬度试验应用
?灵敏反映材料在化学成分、金相组织、热处理工艺、冷加工变形等差异;
?试验方法简单,不必破坏工件,适合机械装备和零部件材质现场检测;
?试验压痕很小,可检查金属表面层情况,脱碳与增碳、表面淬火及化学处理后
的表面硬度等。
?应用特点
硬度值物理意义及其含义随试验方法而定
?压入法---材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形的能力;
?刻划法---抵抗表面局部破裂的能力;
?回跳法---金属弹性变形功的大小;
?金属表面上不大体积内抵抗塑性变形或破裂的能力;
?“硬度”不是材料独立的力学性能,其硬度值不是一个单纯的物理量,是人为
规定的在某一特定条件下的一种性能指标;
?根据试验原理方法的区别并根据被测试样特性选择合适的硬度试验方法,从而
保证试验结果具有代表性、准确性及相互间可比性;
?中华人民共和国国家标准
GB/T231.1-2002
eqv ISO 6506-1:1999
代替 GB/T231-1984
金属布氏硬度试验第1部分:试验方法
?GB/T231.1-2002对原GB/T231-1984在下列技术内容进行了修改
?取消了用钢球压头进行试验规定;
?对布氏硬度计的要求完全按GB/T231.2执行;
?将“试样厚度至少应为压痕深度的10倍”改为“试样厚度至少为压痕深度的8
倍”;
?取消了用直径2㎜球压头进行试验的规定;
?钢类的0.102F/D2仅用30的比率;
?将“两相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的4倍”改为“两相邻压痕中
心距离至少为压痕平均直径的3倍”
?增加了附录C使用者对布氏硬度计的日常检查方法。
?标准只规定试验力保持时间为10~15s,对于另取保载时间,只作保持时间允
许误差为±2s的规定。
?布氏硬度试验
?试验原理
一定直径的硬质合金球施加规定的试验力压入试样表面,经规定的保持时间后,卸除试验力,试样表面就残留压痕,测量出压痕直径,求得压痕球形表面积。布氏硬度值HB是试验力除以压痕球形表面积所得的商再乘以0.102。
即
布氏硬度试验原理
?压痕直径d与深度h的关系
?布氏硬度表示方法
?硬质合金球压头,用符号HBW表示;
?符号HBW之前书写硬度值,符号后面依此表示球体直径、试验力及试验力保持
时间。保持时间10~15S不标注。
?例: 350 HBW5/750
?又如:110HBW10/1000/30 则表示用直径10㎜的硬质合金球在9807N试验力
下保持30s测定的布氏硬度值为110。
?压痕相似原理的应用
?在软硬不同的材料或厚薄不一试件上进行试验
?得到同一材料的试样所测得的布氏硬度值相同或在不同的试样上所测得的结
果具有可比性
要保证同一材料测得的布氏硬度值相同
?必须使压入角为常数;
?必须使F/D2值为常数;
?由此可见,试验时只要保持F/D2值为一常数,就可使压入角φ保持不变,从而
保证得到几何相似的压痕。
?对同一材料选用不同的F和D进行试验时,应使F/D2值保持常数,即
?除此之外,F和D的选择应使压痕直径d限定在0.24~0.6D之间,否则试验结果
无效
?试样
?试验面应是光滑平面,表面粗糙度Ra一般不大于1.6μm;在样品的截取及加工
过程中,应避免对试样表面产生影响;
?试样支承面应平整并与试验面保持平行;
?试样的厚度至少应为压痕深度的8倍;
标准附录A给出了最小厚度与压痕平均直径的关系;
试验后,试样背后如出现可见变形,则表明试样太薄;
?试验要点
?试验温度;
试验一般在10~35℃室温下进行。对温度要求严格的试验,室温应控制在23 ℃±5 ℃之内。
?试验仪器检查;
?试验台、试样放置及支撑;
?压头直径的选择;
?试验力的选择;
?试验力保持时间的确定;
?压痕间间距;
?试验仪器
?硬度计应由国家计量部门定期检定
?日常检查
每天至少对硬度计进行一次检查
检查之前,至少预压两个压痕以保证试样和压头处于稳定状态。
注:预测的数据不应使用
?布氏硬度计日常检查方法
?在标准硬度块上至少压出一个压痕(一般三个压痕)。选择的标准块硬度值应
与试验材料的硬度值接近,如果硬度读数的平均值与标准块硬度值之差在
GB/T231.2中规定的范围之内时,则认为硬度计合格,如果超差,应进行直接检验.
?布氏硬度计的示值重复性和示值误差
?在规定条件下硬度计的示值重复性由下面量确定:
d
5– d
1
?在规定条件下硬度计的示值误差由下面的量表示:
-五个压痕硬度值的平均值 H-标准块的标定硬度值
?试样的支承
?试样支撑面、压头表面及试验台面应清洁
?试样应稳固地放在试验台面上,试验加力时,力的作用方向应与试验面垂直?对不规则的工件试样,其支承台应具备足够的支撑刚性
?压头直径D
?根据试样(大小及厚度)尺寸确定;
试验条件允许应首先采用直径10㎜压头;
铸铁试样应避免采用直径1㎜压头;
?
试验力F
?试验力-压头球直径的比率( F/D2比值)应根据材料和硬度值选择;
?试验力选择应保证压痕直径d在0.24~0.6D之间;
?不同材料的试验力-压头球直径平方的比率
?试验力保持时间
根据所测材料及硬度值来确定;
一般对钢及铸铁材料试验力保持时间为10~15s。
对于要求试验力保持时间较长的材料,试验力保持时间允许误差为±2 s。
?压痕间的距离
?任一压痕中心距试样边缘的距离至少为压痕平均直径的2.5倍;
?两相邻压痕中心间距离至少为压痕平均直径的3倍;
?试验结果处理
?试验后检查:试样背面是否有变形痕迹及压痕直径d应在0.24~0.6D之间;
?应在两相互垂直方向测量压痕直径。用两个读数平均值按附录B(标准的附录)
查得布氏硬度值。
?布氏硬度应用特点
?采用较大直径球体,所得压痕面积较大,其硬度值能反映金属在较大范围内各
个组成相的平均性能,而不受个别微小不均匀性的影响。
?压痕较大另一优点是数据穏定,重复性强
?布氏硬度试验缺点是对不同材料需要更换球体和改变载荷,压痕直径测量也比
较麻烦。由于压痕较大,不宜在成品上进行试验。
适用范围
?铸铁﹑有色金属及合金﹑特别对软金属,如铝﹑铅﹑锡等。
?中华人民共和国国家标准
GB/T230.1-2004
代替GB/T230-1991、 GB/T1818-1994 金属洛氏硬度试验第1部分: 试验方法
? 2004-05-09发布 2004-10-01实施
?本标准合并了GB/T230-1991和GB/T1818-1994两个独立的标准,并对它们作
了如下修改:
?修改了名称
?增加了用硬质合金球的试验
?改变了计算洛氏硬度的符号
?对洛氏硬度计的要求按GB/T230.2-2002实施
?修改了对试样最小厚度的要求
?修改了试验力施加及保持时间的规定
?修改了对两相邻压痕距离的要求
?洛氏硬度试验
?试验原理
洛氏硬度试验方法与布氏方法不同,它不是通过测量压痕面积来计算硬度值,而是采用测量压痕深度的方法,以压痕深度的大小来表示材料硬度的。
?洛氏硬度试验原理
?洛氏硬度及符号表示:
?A、C和B标尺洛氏硬度用硬度值、符号HR和使用的标尺符号表示。
示例:59HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为59;
?B和K标尺洛氏硬度用硬度值,符号HR、使用的标尺和球压头代号(钢球为S,
硬质合金球为W)表示;
示例:60HRBW表示用硬质合金球压头在B标尺上测得的洛氏硬度值为60;
?T标尺表面洛氏硬度用硬度值、HR、试验力数值(总试验力)、使用的标尺和
和压头代号表示:
示例:40HR30TS表示用钢球压头在总试验力为294.2N的30T标尺测得的表面洛氏硬度值为40;
?试验设备
洛氏硬度计主要部件:
?试验力加载机构
?洛氏硬度压头
?压痕深度测量装置
?试样
?试样制备加工过程中,应避免冷热加工对试样表面硬度的影响;
?试样表面粗糙度Ra一般不大于0.8 μm;
?试样或试验层厚度;
试验后试样背面不应出现可变形痕迹
对于金刚石圆锥压头进行试验,试样或试验层厚度应不小于残余压痕深度的10倍;
对于球压头进行试验,试样或试验层厚度应不小于残余压痕深度的15倍;
?试验操作要点
?试验温度;
?洛氏硬度标尺的选定;
?硬度计的检查;
?试样的支承与固定;
?试验力保持时间;
?压痕间距;
?硬度计允许的示值重复性和示值误差
?压痕间的距离
?两相邻压痕之间的距离至少应为压痕直径的4倍,并且不应小于2㎜;
任一压痕中心距试样边缘的距离至少应为压痕直径的2.5倍,并且不应小于1 ㎜;
?曲面试样的洛氏硬度值修正
?标准附录C给出了在凸圆柱面及凸球面上试验时的洛氏硬度修正值;
?新、旧标准对照
?新、旧标准对照
?试样支座
试样支座应使用直径4.5㎜的金刚石平板。支座应与压头轴线垂直,支座轴线应与主轴同轴,并能稳固精确地安装于引导计试台上。
?试样制备
如有必要减薄试样,要对试样上下两面进行加工,加工中应避免如发热或冷变形对金属基体性能的影响。基体金属不应薄于最小允许厚度。
?薄产品HR30Tm试验规范
?一般要求
本试验与GB/T230.1中规定的HR30T试验条件相似,但经协议允许在试样背面出现变形痕迹(这在HRT试验中不允许)。
本试验可用于厚度小于0.6㎜至产品标准中给出的最小厚度的产品。可对硬度在80HR30T以下的薄件进行试验。产品标准规定HR30Tm硬度时,可按此方法试验。
除按GB/T230.1试验外,还应满足下述要求。
?压痕距离
如无其他规定,两相邻压痕中心间距离或任一压痕中心距试样边缘距离应不小于5㎜。
?表面洛氏硬度
?采用洛氏原理及洛氏压头;
?采用较小试验力,解决对极簿工件及氮化层?金属镀层等硬度测定;
?常数k取100,以每0.001 ㎜残余压痕增量为一个硬度e单位;
?试验结果处理
?试验值(精确至0.5个洛氏单位);
一般每个试样给出3点洛氏硬度;
?若在曲面上测定硬度,应对其测值进行修正,
?应用范围及优缺点
?通过变换试验标尺可测量硬度较高的材料;
?压痕较小,可用于成品或半成品检验;
?操作简便,工作效率高,适合于批量检验;
?压痕较小,代表性差;
?不同标尺测得的硬度值彼此无内在联系,也不能直接进行比较;
?中华人民共和国国家标准
GB/T4340.1-1999
eqv ISO6507-1:1997
金属维氏硬度试验第1部分:试验方法
?本标准按三个试验力范围规定了测定
金属维氏硬度的方法
?维氏硬度试验
?试验原理
维氏硬度的试验与布氏硬度相同,也是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值。所不同的是维氏硬度采用的压头是两相对面间夹角为136°的金刚
石正四棱锥体。
计算公式:HV=F/S
HV=0.102×F/S=0.1891F/d2
与布氏硬度一样,维氏硬度值也不标注单位;
?维氏硬度表示方法
在HV前面为硬度值,HV后面按试验力保持时间的顺序用数值表示试验条件,当试验力保持时间为10~15s时不标注。
640HV30/20
560HV1
?试样
?试样试验面;
表面粗糙度Ra不大于0.4 μm
?试样加工;
?试样或试验层厚度;
试样或试验层厚度至少应为压痕长度对角线的1.5倍。试验后试样背面不应出现可见变形痕迹;
?试验设备
?试验(仪器)方法分类;
?试验力;
?压头;
?压痕测量装置;
?示值误差及重复性;
?试验操作要点
?试验温度
?试样的固定
?试验力的选择
?试验力保持时间
?压痕间距
?压痕的测量
?压痕间的距离
?任一压痕中心距试样边缘的距离,对于钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长
度的2.5倍;对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕对角线长度的3倍;?两相邻压痕中心之间的距离,对于钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长度的
3倍;对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕对角线长度的6倍。如果相邻两压痕大小不同,应以较大压痕确定压痕间距。
?试验结果处理
?测量压痕两对角线的长度,用其算术平均值按附录C查出维氏硬度值;
?在平面上压痕两对角线之差应不超过对角线平均值的5%,如果超过5%,则应
在试验报告中注明;
?在一般情况下,建议对每个试样报出三个点的硬度测试值;
?曲面试样的维氏硬度值的修正
?凸曲面上所测得的硬度值增大
?凹曲面上所测得的硬度值减小
在标准附录中列出了曲面维氏硬度修正表.使用时,可根据试样曲面形状及压痕对角线长度d与试样直径的比值,查出对应修正系数.
?维氏硬度和布氏硬度的比较
?维氏压入角恒定不变,F可任意选择,压痕几何形状总保持相似,而不受F/D2
等于常数的制约;
?要求布氏d一般在0.24~0.6D之间,而当布氏压痕直径d为0.375D时压入角
φ=44°,与钢球表面相切的金刚石四棱锥体相对面夹角正好是136°。这就使维氏硬度值最大限度地与布氏硬度值相等或接近;
450HB以下时,HV与HB基本相等;
?
钢球与金刚石棱锥体
HB与HV 的关系
压痕之间的关系
?应用范围及优缺点
适合测定各种表面处理后的渗碳层或镀层的硬度以及较小、较簿工件的硬度.
?试验力改变,压入角恒定不变,因此试验力从小到大,可任意选择;
?硬度值从低到高标尺连续,硬度测试条件统一。
?采用对角线长度计量,精确可靠;
?硬度值测定较麻烦,工作效率较洛氏硬度低,所以不宜于成批生产的常规检验;
?中华人民共和国国家标准
GB/T4341-2001
金属肖氏硬度试验方法
?肖氏硬度试验
?试验原理
与上述各种静态压入法硬度不同,肖氏硬度是一种动态力试验法;
采用具有一定重量和规定形状的金刚石冲头从一定高度自由落到试样表面,根据冲头回弹高度来衡量硬度值大小,因此也称弹性回跳硬度;
?肖氏硬度表示
25HSC
?试验操作要点
?试验温度;
?硬度计调整及检查;
?试验过程应保持平稳;
?操作应熟练;
?两相邻压痕中心距离应≥1㎜,压痕距边缘的距离应≥4㎜;
?试验结果处理
?硬度值应读到0.5个单位;
?以连续5次读数的平均值作为一个测量值;
平均值按标准规定修约到整数;
?对于手持计测筒或安置特殊形状支架上测定的硬度值,应注明为手持测量或支
架测量;
?应用范围及优缺点
?肖氏硬度试验适合于在现场测试轧棍、机床床面、导轨、大型锻件等工件硬度。
?操作简便,测试效率高,试验后工件上几乎不产生压痕,可用于成品检验。
?测试精度低,重复性差。试验结果准确性受人为因素影响较大,不适合精度要
求较高的试验。
?对于弹性系数相差较大的材料,其所测硬度不能相互比较。
?中华人民共和国国家标准
GB/T17394-1998
金属里氏硬度试验方法
?里氏硬度试验
?试验原理
用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面,用冲头在距试样表面1㎜处回弹速度与冲击速度的比值再乘以1000,定义为里氏硬度。
?里氏硬度按冲击装置可分为D、DC 、G及C型,一般常用D型。
?里氏硬度表示 700 HLD
里氏硬度也是一个无量纲的值
?试样
?试样表面应避免受冷、热加工对其影响;
?试样厚度;
?试样质量;
?试样表面曲率半径;
?试样不应带有磁性;
?试样试验面符合要求;
?硬度计的检查;
?试样支承时,应保证其整体刚性;
?冲击装置支撑要求;
试验结果
?每个测试部位应进行5次试验,数据分散不应超出平均值的±15HL;
?结果换算表示例如: 400HVHLD表示用D型冲击装置测定的里氏硬度值换
算的维氏硬度值为400。
?应用范围及优缺点
?一般适合于大件的现场硬度测试;
?操作简单,测试效率高。
?采用电子测量,数值显示灵敏,测量精度优于肖氏硬度;
?试验时受试样质量及厚度影响较大,一般不宜对薄板及薄管材进行检测;
?各种硬度及硬度与强度之间的换算
?工程检测及对其性能评价对换算值需求;
?各种硬度之间及其他力学性能之间在理论上并无内在的联系;
?通过针对某些材料的大量比对数据处理,得到了各相互间换算的近似对应关系;
?制定并颁布了有关材料“硬度及强度换算值”的国家标准;
?中华人民共和国国家标准
GB/T10128-1998
金属室温扭转试验方法
?金属扭转试验
?概述
扭转试验是金属力学性能试验中的一种重要试验方法。对于承受扭矩的零部件,如传动轴等,具有重要的实际意义。在设计制造、材料及加工工艺评定方面常用此法。
?扭转试验特点
?扭转的应力状态软性系数 =0.8;与拉伸试验相比更能显示出材料的塑性,因
此,可评定那些在拉伸时呈现脆性的淬火结构钢和工具钢的塑性;
?扭转试验时,试样横截面上沿直径方向切应力和切应变分布
是不均匀的,
?表面应力和应变最大。因此,扭转可以灵敏地反映材料的表面缺陷;利用这
一特性对各种表面强化工艺进行研究和检查机件热处理的表面质量;
?由于扭转时最大切应力和正应力数值相等,故能以明显不同断裂方式---正断
或切断,来反映不同材料的强度特性;
?截面应力分布不均匀,表面处最大,愈往心部愈小。对于显示金属体积缺陷,
特别是靠近心部的材料缺陷不敏感;
?圆柱体受扭矩作用产生扭角
?扭转试样
金属扭转试验主要采用圆形试样,其形状和尺寸见图。
推荐试样直径d
0为10㎜,标距长度L
分别为50 ㎜和100 ㎜,平行部分长度L
c
分别
为70 ㎜和120 ㎜。
?扭转性能指标的测定
?对于圆形试样扭转试验,施加扭矩,测量扭矩及其相应的扭角,一般扭至断裂,
便可测出金属材料各项扭转性能指标。如金属的切变模量G、屈服点τ
s
、上屈服
点τ
su 、下屈服点τ
sL
、规定非比例应力
p、
抗扭强度
b
及最大非比例切应变
man
等。
?切变模量G
?在切应力与切应变成线性关系范围内,切应力和切应变之比称为切变模量。即
G=τ/ =TL
e / I
p
?具有物理屈服金属材料的T-?曲线
?屈服点
?屈服点τs,在扭转曲线上出现水平台阶(即扭角增加而扭矩保持恒定),此台阶
对应的扭矩T
s,
如图a
τs =T
s
/W
式中W为试样截面系数(㎜3)W= d3/16
?上屈服点τsU以扭转试验中首次下降前的最大扭矩T sU,如图b
sU = T
sU
/W
?下屈服点τsL以屈服阶段中最小扭矩T sL,如图b
sL =T
sL
/W
测定方法:可采用图解法或指针法
?规定非比例扭转应力τp
?扭转试验中,试样标距部分外表面上的非比例切应变达到规定数值时,按弹性
扭转公式计算的切应力,以τ
P 表示。表示此应力的符号应以角注说明,例如
P0.015
和
P0.3
等,分别表示规定的非比例切应变达到0.015﹪和0.3﹪时的切应力。一
般将
P0.015 和
P0.3
分别示为“条件扭转比例极限”和“条件扭转屈服强度”。
?测定方法:
规定非比例扭转应力可用图解法或逐级加力法来测定;?
图解法---规定非比例扭转应力τp
?抗扭强度 b
?试样在扭断前承受的最大扭矩T b,按弹性扭转公式计算的切应力
τb =T
b
/W
?试验时,对试样连续施加扭矩,直至断裂。从记录的扭转曲线上或从试验机扭
矩度盘上读出试样扭断前所承受的最大扭矩T
b,然后按式计算即得τ
b。
?测 b及 max的图解法
扭转试样断口分析
谢谢大家﹗