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硬軟及硬度試驗(yàn)
硬和軟的概念來自于日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐。未成熟的柿子是硬的,熟透的柿子是軟的;干燥的土塊是硬的,濕潤的泥土是軟的;玻璃是硬的,木材是軟的;鋼鐵是硬的,滑石是軟的。同樣是鋼材,經(jīng)淬火和氮化處理后表面就變硬。由此可見,硬和軟是有條件的、相對的。
硬度,通俗地說,是固體材料或物品軟硬程度的定量表示。嚴(yán)格地說,是固體材料或物品抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力,或者是抵抗其中兩種或三種同時發(fā)生的能力。例如,硬度作為礦物的物理性質(zhì)之一,是礦物抵抗外來機(jī)械作用特別是劃痕作用的能力;作為材料的機(jī)械性能之一,是材料抵抗其它物體(具有一定形狀和尺寸的較堅(jiān)硬的物體)壓入其表面的能力。
眾所周知,兩樣物品相互劃磨或刻劃,在軟的物品上、會產(chǎn)生劃痕,而硬的物品則紋絲不變。1822年,人們最早即是以這種抵抗劃痕破壞的能力,來比較或衡量礦物的硬度:第1級最軟的是滑石,第2級次軟的是石膏,……第9級次硬的是剛玉,第10級最硬的是金剛石。這就是莫氏刻度或莫氏硬度(Mohs hardness)。顯然,第10、9兩級之間的硬度差別,要比第2、1兩級之間的差別大得多。所以,這種劃痕試驗(yàn)不完全是定量的,但對于野外作業(yè)的礦物學(xué)者來說,不失是一種實(shí)用而簡便的方法。
這種方法后來被移植到純金屬:鈉最軟為0.4級,而銅和鐵同為4級。不久,又被移植到顯微劃痕儀:在27.4毫牛(3克力)的力作用下的立方體金剛石,對物品進(jìn)行劃痕,按所得劃痕的寬度來計(jì)算其硬度。由于劃痕方法不甚精確,難以適應(yīng)材料工業(yè)迅速發(fā)展和硬度應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大的需要;又由于人們對硬度這個技術(shù)參量的認(rèn)識有所深入,新的試驗(yàn)方法不斷出現(xiàn),如靜態(tài)壓痕和動態(tài)回跳為主的硬度試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備,使硬度測量得以逐步改進(jìn)與發(fā)展。現(xiàn)有的硬度標(biāo)尺已增加到幾十種之多。
金屬的耐磨性、強(qiáng)度等通常同硬度有關(guān),機(jī)器中相互發(fā)生摩擦的零件(如軸承中的滾珠與軸瓦)須有足夠的硬度。在金屬切削加工方面,常按工件材料的硬度來選擇刀具及切削速度;在金相熱處理方面,常通過硬度試驗(yàn)來檢驗(yàn)機(jī)械零件熱處理后的強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計(jì),一輛4 t載重卡車的發(fā)動機(jī)有204種零件(不含標(biāo)準(zhǔn)件,下同),其中107種要測量硬度;一架大型噴氣式客機(jī),單是4個發(fā)動機(jī)的零件就有1.2萬多個需測量硬度;常用的機(jī)械手表有130多個零件,其中70多個需測量硬度。對于軸承、刀具、鋼軌等,幾乎100%要進(jìn)行硬度檢驗(yàn),并以此作為產(chǎn)品是否合格的重要依據(jù)。
一般說來,硬度過高,零件易造成脆性斷裂或是加工性能不好;硬度過低,則容易磨損或是強(qiáng)度不夠。除了金屬材料外,橡膠、塑料、木材、皮革、玻璃鋼、土壤、水果等,均需測量硬度。例如,果品的硬度值常用于確定果品的采摘時間,以及制定儲藏、保鮮、包裝與運(yùn)輸方案等;通過測量土壤硬度值,可以了解土壤對種子發(fā)芽與根系生長的阻力,以及土壤對農(nóng)機(jī)的承載能力。
由于硬度與強(qiáng)度之間有一定關(guān)系,可以通過制定硬度與強(qiáng)度的換算值,使人們有可能以簡便、迅速、不破壞零件使用性能的硬度試驗(yàn),來替代破壞性的、相對費(fèi)時費(fèi)力的強(qiáng)度試驗(yàn),從而大大提高了效率和效益。由于硬度試驗(yàn)簡便易行,局部的塑性變形對試件損傷極微,并不影響使用價值,在這個意義上可以認(rèn)為它是非破壞性試驗(yàn),所以應(yīng)用廣泛。2012年注冊計(jì)量師考試時間
硬度試驗(yàn)方法按施加作用力的特性,可分為靜力硬度試驗(yàn)和動力硬度試驗(yàn)兩大類;按被試材料的特性,可分為金屬硬度試驗(yàn)和非金屬硬度試驗(yàn)兩類。靜力硬度試驗(yàn)是在靜力作用下,將規(guī)定材料與形狀的硬質(zhì)壓頭,壓入被試材料的表面,經(jīng)過一定的保持時間后卸除該力,然后測量壓痕的深度或大小,通過計(jì)算、查表或自動顯示來獲得硬度值。試驗(yàn)時力應(yīng)平穩(wěn)地施加到試件表面上,不得有沖擊和振動。屬于靜力試驗(yàn)的有布氏(Brinell)、洛氏(Rockwell)、維氏(Vickers)及顯微硬度(Microhardness)試驗(yàn)等,它們多以壓痕單位面積上承受的試驗(yàn)力為標(biāo)志,來表征硬度值。
動力硬度試驗(yàn)是在動力作用下,將規(guī)定材料與針狀的硬質(zhì)沖頭,沖擊被試材料的表面,通過測量沖頭回跳高度等參數(shù)來獲得硬度值。屬于動力試驗(yàn)的有肖氏(Shore)、里氏(Leeb)硬度試驗(yàn)等,它們以材料的彈性變形為主要特征。
布氏硬度值HBS(淬火鋼球壓頭)或HBW(硬質(zhì)合金球壓頭),以壓痕表面積上的平均壓力表示。由于壓痕較大,能反映試件較大范圍的綜合性能,故適用于經(jīng)退火或正火處理的粗大晶粒的試件,以及鑄鐵、鋼材、有色金屬、軟合金等;此外,也可應(yīng)用于電木、塑料等某些非金屬材料。洛氏硬度的標(biāo)尺,按所用壓頭(金剛石圓錐體或不同直徑的鋼球)形式和總試驗(yàn)力的不同有15種之多。在常用的A、B、C三種標(biāo)尺中,HRA適用于硬金屬和硬質(zhì)合金,如碳化鎢、滲碳鋼等;HRB適用于有色金屬和軟金屬,如軟鋼、鋁合金、銅合金、可鍛鑄鐵及退火鋼等;HRC適用于熱處理后的結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼,如淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。表面洛氏硬度的標(biāo)尺也有15種,適用于氮化、氰化、滲碳零件及薄試件表面硬度的測量。
維氏硬度用金剛石正四棱錐體作壓頭,通過測量壓痕兩對角線長度,以壓痕單位表面積上承受的試驗(yàn)力表示硬度值HV。它適用于金屬、合金及其表面層硬度的測量,軟硬材料均可,特別適用于試驗(yàn)面積較小、較薄而硬度值又較高的試件,如發(fā)條、游絲等的硬度測量。顯微硬度是試驗(yàn)力小于1.961~9.807N(0.2~1kgf)的維氏硬度,適用于測量極薄的或特別小的零部件、表面硬化層、鍍層及金相組織的硬度,也可用于脆性材料(如玻璃、寶石等)、琺瑯質(zhì)及補(bǔ)牙塑料等。肖氏硬度沖頭的頂端為金剛石,沖頭從固定高度自由下落到試件表面,由于材料的彈性變形而回跳到某一高度,用這兩個高度的比值即可表示硬度值HS。它主要用于軋輥、機(jī)床床身、曲軸、大齒輪、螺旋槳葉片等大型工件的現(xiàn)場硬度測量。
由上可知,硬度值的大小不僅取決于材料,而且取決于試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法。換言之,硬度值的獲得,不僅與材料的彈性模量、比例極限、塑性、脆性以至結(jié)晶狀態(tài)、分子結(jié)構(gòu)及原子間的鍵結(jié)合力等因素有關(guān),而且與人為規(guī)定的、適用的方法和條件有關(guān)試驗(yàn)方法不同,硬度值也不一樣,人們至今尚未確定,用各種試驗(yàn)方法獲得的硬度,在理論上究竟同材料的物理性質(zhì)有何種確切的量的關(guān)系。事實(shí)上,硬度是一種實(shí)用、有效的技術(shù)參量或工程量,而并不屬于物理量。但硬度計(jì)量是力學(xué)計(jì)量的組成部分,我國已經(jīng)建立了硬度的計(jì)量基準(zhǔn),組織進(jìn)行了量值傳遞工作。●
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