蠕变及硬度小结(4)

m 稳态蠕变速率；m是小于1的正数，大体上是材料常数；?0、?、?s等常数与温度、应力和材料有关，或者???mtm?1??s

有些文献提出反映温度和应力对蠕变应变速率影响的经验关系式，在回复蠕变可以进行的较高温度范围内，当应力不太大时，这一关系式可以表示为

??A? [5]

mexp(?UkT)

?为稳态蠕变速率，?为应力，A和应力指数m为常数，U为蠕变激活能，A、m和U可由试验测定，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度

蠕变应变

?c，蠕变应变率??c，应力σ，时间t及温度T之间存在着较复

杂的关系。影响蠕变的因素很多， 难以得出统一的蠕变计算公式。 在一定的假设前提下， 蠕变本构方程用最少的变量来反映蠕变的主要因素。 通常认为蠕变过程包括硬化和损伤， 蠕变过程可视为硬化和损伤的迭加， 即：

?c??(1)

式中 ，

hc??dc

?hc 为硬化蠕变应变；

?dc 为损伤蠕变应变。根据参考文

献，结合材料的硬化和损伤过程，蠕变模型可由 2 部分构成：一是材料的硬化作用，二是材料的发生损伤。并假设材料的损伤是产生在蠕变的加速阶段，蠕变损伤-硬化模型形式如下：

εc=c1σc2(1-exp(c3-t))+c4(1-(1-t/tR)C5)exp(-C6/T)

(2)

式中，c1、c2、c3、c6 是与材料相关的常数，c4、c5和tR 是应力 σ函数。 6. 参考文献

[1] 涂善东 高温结构完整性原理 [ M]1 北京 : 科学出版社 ,2003.1 [2] Rensen N J . A plane model study of creep in metal matrix composites with misaligned short fibers [ J ] . Act Metal Material , 1993 , 41 : 297322983.

[3] 王浩伟. Al2O3/ Al 合金复合材料的蠕变与回蠕变行为[J ] . 金属学报,2000 , 36 (11) : 122321228.

[4] 郑修麟 .材料的力学性能. 西北工业大学出版社 . 2000.4 [5] 刘学等. P91钢高温蠕变的数值研究 [J] . 电力建设,2009,5

的

硬度

硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力。

影响因素：化学成分、组织结构和热处理工艺。

金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法，硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种试验方法是最长用的，它们是金属硬度检测的主要试验方法。另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的，不可移动工件的硬度检测。

各种金属硬度计就是根据上述试验方法设计的。下面分别介绍基于各种试验方法的硬度计的原理、特点与应用。

1.布氏硬度计（GB/T231.1—2002） 1.1布氏硬度计原理

对直径为D的硬质合金压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验力除以压痕表面积的商来计算。

图1布氏硬度试验原理

布氏硬度?0.102?2F??D(D?D?d)22 （1）

式中：F —— 试验力，N；

D —— 球压头直径，mm； h —— 压痕深度， mm； d —— 压痕直径，mm

此式是基于实验得出的，在求的表面压痕后就可以得出其深度，最后得出布氏硬度。在有限元模拟的时候可以直接由节点位移得出下压位移。

由

h?D?D?d222 （2）

得到

布氏硬度?F??D?h （3）

式中：F —— 试验力，kg； D —— 球压头直径，mm； h —— 压痕深度， mm； d —— 压痕直径，mm 1.2布氏硬度计的特点：

布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的是10mm直径球压头，3000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响，因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。

布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。

1.3布氏硬度计的应用

布氏硬度计主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。

1.4布氏硬度试验条件

布氏硬度试验条件的选择如同洛氏硬度试验关于标尺的选择一样，布氏硬度试验也要遇到试验条件的选择问题，即试验力F和压头球直径D的选择。这种选择不是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配，应用起来比洛氏硬度试验略显复杂。布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头，3000kg试验力。这一条件最能体现布氏硬度的特点。但是由于试样材质不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试验力，一种压头自然不能满足要求。在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循的规则有2个。

1.4.1规则一，要使试验力和球压头直径的平方之比为一个常数。即这个规则来源于相似律。根据相似律，在图1-2中不同直径的球压头D1、D2在不同的试验力F1、F2作用下压入试样表面，压痕直径d1、d2是不同的，但是只要压入角1、2相同，压痕就具有相似性。这时试验力和压头球直径的平方之比就是一个常数。在这种条件下，采用不同的试验力和不同直径的球压头，在同一试样上测得的硬度值是相同的，在不同的试样上测得的硬度值是可以相互比较的。试验力与压头球直径平方之比在采用公斤力的旧标准中表示为F/D2，在采用牛顿力的新标准中表示为0.102F/D2。

1.4.2规则二，试验后要使压痕直径处于以下范围： 0.24D < d < 0.6D

否则试验结果是无效的,应选择合适的试验力重新试验。人们的大量试验表明，当压头直径在0.24D～0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。布氏硬度试验可选择的试验力从3000kg到1kg大约有20个级别。布氏硬度试验可选

择的压头直径为10mm、5mm、2.5mm、1mm共4种。布氏硬度试验可选择的0.102F/D2值为30、15、10、5、2.5、1共6种 1.2 肖氏硬度

肖氏硬度简称HS。表示材料硬度的一种标准。由英国人肖尔(Albert F.Shore)首先提出。

应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳。撞销是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻。用测得的撞销回跳的高度来表示硬度。

肖氏硬度试验是一种动态力试验，与布、洛、维等静态力试验法相比，准确度稍差，受测试时的垂直性，试样表面光洁度等因素的影响，数据分散性较大，其测试结果的比较只限于弹性模量相同的材料。它对试样的厚度和重量都有一定要求，不适于较薄和较小试样，但是它是一种轻便的手提式仪器，便于现场测试，其结构简单，便于操作，测试效率高。

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