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。
以一定的载荷
把一定大小
直径一般为
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
，单位为公斤力
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
刚石圆锥体或直径为
的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，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：
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
载荷和直径
淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料
火钢、铸铁等
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
以内的载荷和顶角为
°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
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洛氏硬度中
为三种不同的标准，称为标尺
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
后根据压痕深度计算硬度值。标尺
使用的是球锥菱形压头，然后加压至
1.588mm(1/16
的钢球作为压头，然后加压至
使用与标尺
的球锥菱形作为压头，但加压后的力是
。因此标尺
适用相对较软的材料，而标尺
较硬的材料。
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。
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所需积分：0冷态下的塑性成形,因产品表面质量好,尺寸精度高,强度性能高,应用很广.但是,多数产品特别是厚大,变形量大和塑性不好的金属产品,常需在加热状态下塑性成形(原理在前面已经讲得很清楚),因为金属在高温下塑性变形抗力小,塑性好,不用很高吨位的设备,即可很快达到塑性成形加工的目的,所以热塑性成形应用更广.这样,金属塑性变形的加工方法就主要有冷加工和热加工两种. 1.3.5.1 热加工与冷加工的区别 在金属学上,这两种变形加工的分界线是金属的再结晶温度.在再结晶温度以下的塑性变形为冷加工;在再结晶温度以上的塑性加工为热加工.前面所说的金属塑性变形的情况都是冷加工.当变形加工是在再结晶温度之上进行,那么,在变形的同时也进行着动态的再结晶,在变形后的冷却过程中,也继续发生再结晶,这种变形加工称为热加工.例如:铅的再结晶温度约为-33℃.即使在室温下对铅进行塑性变形加工也是热加工.又如:钨的再结晶温度约为1188℃,即使在1000℃高温下对钨进行变形加工也仍是冷加工.可见,两种变形加工的区别不是看在变形时对金属是否加热,而是要看加热到什么温度.这个温度界限就是具体金属的再结晶温度值. 这两种变形加工各有所长.冷加工可以达到较高精度和较低的表面粗糙度.并有加工硬化的效果.但是,变形抗力大,一次变形量有限.而热加工与此相反.所以,热加工多用于形状较复杂的零件毛坯及大件毛坯的锻造和热轧钢锭成钢材等等.而冷加工多用于截面尺寸较小,要求表面粗糙度值低的零件和坯料.例如,标准件的冷镦,冷冲,薄壁筒形件的拉深等.当既要大变形量又要求表面粗糙度值低时,可以两者结合起来使用.如,冷轧钢板就是先热轧,然后再冷轧. 1.3.5.2 热加工对金属组织与性能的影响 由于热加工在变形的同时伴随着动态再结晶,变形停止后在冷到室温过程中继续有再结晶发生,所以热加工基本没有加工硬化现象.但是也会使金属的组织和性能发生很大变化,主要表现在:⑴热加工可以焊合铸态金属中的气孔,显微裂纹等,从而提高材料的致密度和力学性能.⑵热加工可以破坏掉铸态的大枝晶和柱状晶,并发生再结晶使晶粒细化,从而也提高材料的力学性能.⑶热加工可以使铸态金属中的偏析和非金属夹杂沿着变形的方向拉长,形成所谓的\流线\也称纤维组织.流线使金属材料的力学性能呈现一定的方向性. ()模锻钩 ()切削加工钩 ()模锻曲轴 ()切削加工曲轴 图1.49 起重钩的流线分布 图1.50 曲轴流线分布 如图1.49()为锻造流线组织,()为切削加工起重钩的流线组织,可见顺流线方向比垂直流线方向有更好的性能(尤其是塑,韧性表现更为明显).又如图1.50为曲轴的流线. 1.3.6 硬度及各种硬度试验原理 硬度是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标.通常采用压入法测量.所以,硬度 的含义是指金属表面抵抗其它硬物压入的能力.也即是材料对局部塑性变形的抵抗能力. 根据载荷的性质及测量方法的不同可分为布氏硬度(),洛氏硬度(),维氏硬度(),肖氏硬度()等多种.前三种都是静载荷压入法.肖氏硬度是动载荷压人法也称为弹性回跳法,适用于对大型构件现场测量.在生产中最常用的是前两种硬度计.维氏硬度计较为娇贵,多用于试验室.各种硬度值之间可以换算.较精确换算可查有关对照表.粗略换算可用如下经验公式:
1.3.6.1 布氏硬度 图1.51布氏硬度原理图 布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的.用规定直径()的圆球作为压头(可用淬硬的钢球或硬质合金球),在规定的试验力()作用下,将压头压入光洁的金属表面,经过规定的试验力作用时间()后,卸除试验力.用读数显微镜测量出压痕直径().最后,根据布氏硬度的定义公式计算出布氏硬度值.布氏硬度测量的原理图可见图1.51.布氏硬度的定义是: , ;其中 ―施加的试验力(载荷)();―压痕表面面积();―压头直径();―压痕的平均直径().因此 (或);若试验力的单位为标准单位牛顿(),为使传统的布氏硬度值不变,上式可改写成:(或). 上述公式中,,都是规定的已知数,仅压痕的平均直径是待测值.测得值就可以计算出布氏硬度值.从公式中可以看出与之间有直接对应关系.人们已将这种关系列出表格.实际上,在作布氏试验时,只需测量出值就可从有关表格上查出相应的布氏硬度值了.不必用公式自己去计算. 布氏硬度的物理意义是压痕表面上单位面积所承受的压力. 布氏硬度是一种以球压痕的直径大小来表征材料硬度的一种硬度测量方法.在硬度低时 用淬硬钢球作为压头,布氏硬度符号记为,其最大有效测量值是450.在硬度较高时,由于钢球压头的变形影响测值误差,应改为硬质合金球压头,布氏硬度符号记为.其最大有效测量值是650.更高的硬度就不能用布氏硬度计测量了.由于布氏硬度所用压头球直径较大,使压痕大且深,所以也不适于测量薄件和对表面要求严格的成品. 关于布氏硬度值的写法可分为标准写法和简化写法两种.标准写法多用于正式的试验报 告上.其写法是先写出具体布氏硬度值,再写出布氏硬度符号,最后还要按规定的顺序标出 具体的测试条件(压头直径/试验力/试验力作用时间).例如:.5/30,它表示采用2.5淬硬钢球在 187.59.81试验力作用下持续时间为30s的试验条件下被测材料的布氏硬度为200.若试验力作用时间是10s～15s可不标出试验力作用时间.例如:.5.布氏硬度在一般场合下常用简单写法.例如:200,500,200～230等. 1.3.6.2 洛氏硬度 洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度.其原理见图1.52.压头有两种,其一是锥角为120℃的圆锥金刚石压头;另一是直径为1.588钢球.因为压痕的深度直接可用百分表测出来,所以洛氏硬度值直接可以从洛氏硬度计的表盘上读出,不需另外 的测量和计算,使用起来比布氏硬度计方便. 图1.52 洛氏硬度原理图 洛氏硬度值是一个相对值.人们规定每0.002压痕深度为一个洛氏硬度单位.洛氏硬度没有量纲.洛氏硬度主要用于较高硬度的测量,压痕小,对工件表面损伤小. 根据需要洛氏硬度通常有三种:用金刚石压头,609.81试验力(载荷)的称为级洛氏硬度,代号为,适用于测量较薄的硬层或高硬度;若压头不变,试验力(载荷)为1509.81的称为级格氏硬度,代号为,其有效值范围是20～67,高于 67改用测量,低于 20改为测量.是级洛氏硬度.压头为1.588淬火钢球,试验力(载荷)为1009.81.可用于测量较低的硬度值. 此外,为了测量薄硬层的硬度,还有试验力为159.81,309.81,459.81的表面洛氏硬度. 1.3.6.3 维氏硬度 维氏硬度测量原理图见图1.53.其计算公式是:;式中―试验力(),―压痕表面积(),―压痕对角线的平均长度(). 维氏硬度是一种以正四棱锥金刚石为压头的硬度测量方法.压头的两个相对面间的夹角为136℃.硬度值的定义与布氏硬度相同,即压痕表面上单位面积所承受的压力,所不同的是压痕形状为正四棱 图1.53维氏硬度原理图 锥,用测量压痕对角线的平均长度来计算压痕面积及硬度值.维氏硬度代号为.它的优点在于仅用一种压头配以适当试验力就可以对薄厚各异工件从高硬度到低硬度进行广泛的测量.并且测量值近似等于值.它克服了布氏硬度不适宜测太高硬度和洛氏硬度不适合测量太低硬度的不足.同时维氏硬度的压痕较小,对工件表面损坏不大. 硬度值不仅可直接反映出材料的硬度,而且可以间接地反映出材料的强度.也就是说材料的硬度与强度有一定的对应关系.我国有关标准给出了它们之间的换算值.例如:GB1172-74《黑色金属硬度及强度换算值》这种换算是很有实用意义的.尤其是对某些成品构件,直接测量其强度是难于办到的,这时就可以通过对其硬度测量来估算其强度.硬度测量比强度测量要方便得多,无需作试样,直接在构件上测量即可.对构件也不会产生破坏.硬度测量是很方便实用的.所以,机械图样上对零件的力学性能要求通常以硬度来表示.
习 题 1.1 晶体与非晶体的本质区别是什么 单晶体为何有各向异性 而实际金属却表现为各向同性
1.2 作图表示立方晶系(211),(),(),(),(),(236)晶面与[],[],[],[],[],[123]晶向. 1.3 立方晶系中,{120},{123}晶面族包括哪些晶面
1.4 铜和铁室温下的晶格常数分别为0.286和0.3607,求1铁和铜中的原子数. 1.5 常见的金属晶体典型结构有哪几种 ,,,,,,,,,,,各属何种晶体结构
l.6 分析纯金属冷却曲线中出现\过冷现象\和\平台\的原因. 1.7 液态金属过冷提供了结晶的驱动力,所以只要有过冷就可以形核,试分析此种说法是否正确
1.8 凝固时典型金属晶体生长具有何种长大机制 何种条件下,纯金属晶体长大后会得到树枝晶
1.9 说明过冷(或过冷度)对晶粒细化的影响,如何理解降低浇注温度对晶粒细化的作用. 1.10 试说明布氏硬度,洛氏硬度,维氏硬度的应用范围及相互关系. 1.11 试分析钨(熔点3380℃)和铁(熔点1538℃)在1100℃变形,铅(熔点323℃)和锡(熔点232℃)在室温(20℃)变形,能否发生加工硬化现象
1.12 发动机曲轴毛坯的加工方法为锻造,试问锻造前为什么要将坯料加热
1.13 指出面心立方金属中位于(111)和()滑移面上每一个滑移方向的晶向指数(作图并标出). 1.14 某面心立方晶体[001]晶向的拉伸应力达到 20MPa时,(111),[]滑移系上位错开始滑移, 求临界分切应力.09-1009-1009-1009-1009-1009-1009-1009-1009-1009-10最新范文01-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-01君，已阅读到文档的结尾了呢~~
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