工程材料与热加工技术.ppt

图1-6 维氏硬度试验原理示意图 当载荷的单位是千克力(kgf)时， 当载荷的单位是牛顿(N)时， 式中，F为试验所加载荷；S为压痕的面积；d为两对角线的平均长度。维氏硬度的面积S是通过测定压痕表面的对角线平均长度d来计算的。 　　计算出的维氏硬度值有单位(kgf / mm2或者N / mm2)，但通常不标单位。实际测定时，测出压痕对角线长度，然后通过查表即可查出维氏硬度值。 　　维氏硬度的表示方法为：硬度值＋硬度符号＋测试条件。例如，620HV30/20表示在30 kgf(249.3 N)载荷作用下，保持20 s测得的维氏硬度值为620，如果保荷时间10～15 s可以不标注，如620HV30。 　　维氏硬度常用的载荷包括49.1(5)、98.1(10)、196.2(20)、294.3(30)、490.5(50)、981(100)等，单位为N(kgf)。测量时，如果厚度允许的话，尽量用较大的载荷，以便获得较大的压痕，提高测量精度。 　　维氏硬度的优点是试验载荷小，压痕较浅，适合测定零件表面淬硬层及化学热处理的表面层等；可以测量极软到极硬的材料，由于维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小；由于测量载荷可任意选择，因此既可测尺寸厚大的材料，又能测很薄的材料。缺点是试样表面要求高，硬度值的测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。 　　维氏显微硬度试验用于测定显微组织硬度。维氏显微硬度计施加的载荷为0.0981(0.01)、0.1961(0.02)、0.4903(0.05)、0.9807(0.1)、1.961(0.2)等，单位为N(kgf)。测量压痕对角线长度用μm做单位，符号仍用HV表示。由于显微硬度载荷小，压痕很小，可以测定金属箔、金属粉末、极薄表层及金属组织中的晶粒及合金组成相的硬度值。 　　由于各种硬度试验的条件不同，因此相互之间没有理论换算关系。但根据试验数据分析，得到粗略换算公式为：当硬度在200～600HBS(HBW)范围内时，HRC≈1/10HBS(HBW)；当硬度小于450HBS时，HBS=HV。 1.3 韧 性 1.3.1 冲击韧性 　　1．摆锤式一次冲击弯曲试验 　　摆锤式冲击试验原理如图1-7所示，试验时，将标准试样[1]放在试验机的支座上，把质量为m的摆锤抬升到一定高度H1，然后释放摆锤、冲断试样，摆锤依靠惯性运动到高度H2。 　　冲击过程中如果忽略各种能量损失(空气阻力及摩擦等)，摆锤的位能损失mgH1-mgH2＝mg(H1-H2)就是冲断试样所需要的能量，即试样变形和断裂所消耗的功，也称为冲击吸收功AK，即AK=mg(H1-H2)。其中，G表示摆锤的重量；AK表示冲击吸收功。U型缺口试样和V型缺口试样分别表示为AKU和AKV，其单位是焦耳(J)。冲击吸收功的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。 图1-7 摆锤式冲击试验原理示意图 　　冲击韧度用αK=AK/S来计算。其中，S表示试样缺口处的横截面积(单位为cm2)。 　　把冲击吸收功值低的材料称为脆性材料，冲击吸收功值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前没有明显的塑性变形，断口较平直，呈晶状或瓷状，有金属光泽；而韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。 　　2．低温脆性 　　有些金属材料，如工程上用的中低强度钢，当温度降低到某一程度时，会出现冲击吸收功明显下降的现象，这种现象称为冷脆现象。历史上曾经发生过多次由于低温冷脆造成的船舶、桥梁等大型结构脆断的事故。例如，1965年，英国北海油田海上钻井平台由于温度突然下降而断裂，造成巨大损失。 　　通过测定材料在不同温度下的冲击吸收功，就可测出某种材料冲击吸收功与温度的关系曲线。如图1-8所示，冲击吸收功随温度降低而减小，在某个温度区间，冲击吸收功发生急剧下降，试样断口由韧性断口过渡为脆性断口，这个温度区间就称为韧脆转变温度范围。 图1-8 冲击吸收功—温度曲线 　　3．冲击韧性的用途 　　AK是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，零件设计时，虽不能直接计算，但它是一个重要参考。由于冲击吸收功对材料内部组织十分敏感，因此在生产、科研中得到广泛应用。其主要应用如下： 　　(1) 评定材料的低温脆性情况，可以测定材料的韧脆转变温度范围。 　　(2) 评定材料的冶金质量和热加工产品质量。通过测定AK和对试样断口进行分析，能揭示材料的内部缺陷，如气泡、夹渣、偏析等冶金缺陷和过热、过烧、回火脆性等热加工缺陷。这些缺陷使材料的冲击吸收功明显下降，因此，目前用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。 　　(3) 评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。实践表明，塑性、韧性越高，材料抵抗大能量冲击的能力越强；但在小能量多次