顯微硬度

本章介紹了顯微硬度的原理及應(yīng)用

退出顯微硬度的測試原理是采用一定錐體形狀的金剛石壓頭，施以幾克到幾百克質(zhì)量所產(chǎn)生的重力（壓力）壓入試驗(yàn)材料表面，然后測量其壓痕的兩對角線長度。由于壓痕尺度極小，必須在顯微鏡中測量。壓頭按幾何形狀分為兩種類型，一種是錐面夾角為136?的正方錐體壓頭，又稱維氏（Vickers）壓頭，另一種是棱面錐體壓頭，又稱努普（knoop）壓頭。

維氏（Vickers）硬度試驗(yàn)法1．維氏壓頭二相對棱面間的夾角為136?金剛石正方四棱角錐體，即為維氏壓頭。2．維氏硬度維氏壓頭在一定的負(fù)荷作用下，垂直壓入被測樣品的表面產(chǎn)生凹痕，其每單位面積所承受力的大小即為維氏硬度。維氏硬度計算公式：HV=1854.4P/d2式中：HV—維氏硬度（gf/mm2）P－負(fù)荷（gf）d—壓痕對角線長度（μm）

努普（Knoop）硬度試驗(yàn)法1．努普壓頭二相對棱邊的夾角分別為172?30?和130?的四棱金剛石角錐體，即為努普壓頭。2．努普硬度努普壓頭在一定的負(fù)荷作用下，垂直壓入被測物體的表面所產(chǎn)生的凹痕在其表面的投影，每單位面積所承受的作用力的大小即為努普硬度。努普硬度計算公式：HK=14228.9P/d2式中：HK—努普硬度（gf/mm2）；P—負(fù)荷（gf）d—壓痕的長對角線長度（μm）努普硬度試驗(yàn)法相對維氏硬度試驗(yàn)法的優(yōu)缺點(diǎn)1．優(yōu)點(diǎn)a.努普硬度適用于測定脆性材料。努普硬度試驗(yàn)法比維氏硬度試驗(yàn)法更適用于測定琺瑯、玻璃、瑪瑙、紅寶石等脆性材料的硬度，壓痕不易產(chǎn)生碎裂。b.測量誤差較小。當(dāng)操作人員的人為瞄準(zhǔn)精度一定時，壓痕對角線越長，則由此瞄準(zhǔn)誤差所引起的測量誤差越小。因此在采用相同負(fù)荷或保持相同的壓入深度時，努普硬度試驗(yàn)要比維氏硬度試驗(yàn)的測量誤差小。

類型c.壓入深度淺。努普硬度試驗(yàn)較之維氏硬度試驗(yàn)更適用于薄件及表面層的硬度試驗(yàn)。d.當(dāng)努普壓頭測定硬度時，其壓痕邊緣由擠壓而引起的凸緣比維氏壓痕淺，因而由此類凸緣產(chǎn)生的不精確性可大大減小。

缺點(diǎn)a.努普壓頭制造困難，因?yàn)榕諌侯^的二相對棱夾角（尤其是第一對棱夾角172?30?）的誤差對硬度值的影響要比維氏壓頭的二相對棱夾角的誤差對硬度值的影響大得多。所以努普壓頭的二相對棱夾角的制造精度要求很高。b.用努普壓頭測定某些材料（如各向異性的材料）的硬度時，其硬度隨壓頭相對于材料的方向不同而有差異。因?yàn)榕沼捕仍囼?yàn)中只測量壓痕的長對角線長，而維氏硬度試驗(yàn)中常測量壓痕的二條對角線長度，取其平均值以消除二垂直方向?qū)蔷€長度不一致而帶來的硬度值誤差。

c.努普硬度試驗(yàn)中對試樣表面光潔度要求更高。因?yàn)樵趬汉垌敹水a(chǎn)生的起伏不平對壓痕對角線長度產(chǎn)生的誤差比維氏壓痕更敏感。d.努普硬度試驗(yàn)時，對壓頭相對于試樣表面的垂直度要求比維氏硬度試驗(yàn)要高。顯微硬度測量的準(zhǔn)確程度與金相樣品的表面質(zhì)量有關(guān)，需經(jīng)過磨光、拋光、浸蝕，以顯示欲評定的組織。1.試樣的表面狀態(tài)被評定試樣的表面狀態(tài)直接影響測試結(jié)果的可靠性。用機(jī)械方法制備的金相磨面，由于拋光時表層微量的變形，引起加工硬化，或者磨面表層由于形成氧化膜，因此所測得的顯微硬度值較電解拋光磨面測得的顯微硬度值高。試樣最好采用電解拋光，經(jīng)適度浸蝕后立即測定顯微硬度。

2.選擇正確的加載部位

若壓痕過分與晶界接近，或者延至晶界以外，那么測量結(jié)果會受到晶界或相鄰第二相影響；如被測晶粒薄，壓痕陷入下部晶粒，也將產(chǎn)生同樣的影響。為了獲得正確的顯微硬度值，規(guī)定壓痕位置距晶界至少一個壓痕對角線長度，晶粒厚度至少10倍于壓痕深度。為此，在選擇測量對象時應(yīng)取較大截面的晶粒，因?yàn)檩^小截面的晶粒其厚度有可能是較薄。

3.測量壓痕尺度時壓痕象的調(diào)焦在光學(xué)顯微鏡下所測得壓痕對角線值與成像條件有關(guān)。一般認(rèn)為：最佳的調(diào)焦位置是使壓痕的四個角變成黑暗，而四個棱邊清晰。對同一組測量數(shù)據(jù)，為獲得一致的成像條件，應(yīng)保持相同調(diào)焦位置。4．試驗(yàn)負(fù)荷為保證測量的準(zhǔn)確度，試驗(yàn)負(fù)荷在原則上應(yīng)盡可能大，且壓痕大小必須與晶粒大小成一定比例。特別在測定軟基體上硬質(zhì)點(diǎn)的硬度時，被測質(zhì)點(diǎn)截面直徑必須四倍于壓痕對角線長，否則使基體性能影響到測量數(shù)據(jù)。此外在測定脆性質(zhì)點(diǎn)時，高負(fù)荷可能出現(xiàn)“壓碎”現(xiàn)象。角上有裂紋的壓痕表明負(fù)荷已超出材料的斷裂強(qiáng)度，因而獲得的硬度值是錯誤的，這時需調(diào)整負(fù)荷重新測量。

5．壓痕的彈性回復(fù)對金剛石壓頭施一定負(fù)荷的力壓入材料表面，表面將留下一個壓痕，當(dāng)負(fù)荷去除后，壓痕將因金屬的彈性回復(fù)而稍微縮小。彈性回復(fù)是金屬的一種性質(zhì)，它與金屬的種類有關(guān)，而與產(chǎn)生壓痕的荷重?zé)o關(guān)。就是說不管荷重如何，壓痕大小如何，彈性回復(fù)幾乎是一個定值。因此，當(dāng)荷重小時，壓痕很小，而壓痕因彈性回復(fù)而收縮的比例就比較大，根據(jù)回復(fù)后壓痕尺寸求得的顯微硬度值則比較高。這種現(xiàn)象的存在，使得不同荷重下測得的硬度值缺乏正確的比較標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要建立顯微硬度值的比較標(biāo)準(zhǔn)。

顯微硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用1．

優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用顯微硬度試驗(yàn)是一種真正的非破壞性試驗(yàn)，其得到的壓痕小，壓入深度淺，在試件表面留下的痕跡往往是非目力所能發(fā)現(xiàn)的，因而適用于各種零件及成品的硬度試驗(yàn)。可以測定各種原材料、毛坯、半成品的硬度，尤其是其它宏觀硬度試驗(yàn)所無法測定的細(xì)小薄片零件和零件的特殊部位（如刃具的刀刃等），以及電鍍層、氮化層、氧化層、滲碳層等表面層的硬度。

可以對一些非金屬脆性材料（如陶瓷、玻璃、礦石等）及成品進(jìn)行硬度測試，不易產(chǎn)生碎裂?？梢詫υ嚰钠拭嫜卦嚰目v深方向按一定的間隔進(jìn)行硬度測試（即稱為硬度梯度的測試），以判定電鍍、氮化、氧化或滲碳層等的厚度。可通過顯微硬度試驗(yàn)間接地得到材料的一些其它性能。如材料的磨損系數(shù)、建筑材料中混凝土的結(jié)合力、瓷器的強(qiáng)度等。

2．

缺點(diǎn)試件尺寸不可太大；如要知道材料或零件的硬度，則必須對試件進(jìn)行多點(diǎn)硬度試驗(yàn)。對試件的表面質(zhì)量要求較高，尤其是表面粗糙度。對測試人員必須進(jìn)行一定的訓(xùn)練。以保證測試人員的瞄準(zhǔn)精度。對環(huán)境要求高，尤其是要求有嚴(yán)格的防震措施。

顯微硬度在金相研究中的應(yīng)用金屬材料、合金相的研究顯微硬度廣泛應(yīng)用于測定金屬及合金中各組成相的硬度，剖析其對合金性能的貢獻(xiàn)，為合金的正確設(shè)計提供依據(jù)。如對各類碳化物顯微硬度的研究，為制造優(yōu)良的硬質(zhì)合金提供了有效的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。借助合金中各組成相的顯微硬度，分析在合金強(qiáng)化中起主要作用的結(jié)構(gòu)組分，金屬表面層性能的研究1.擴(kuò)散層性能的研究例如：滲碳層、氮化層、金屬擴(kuò)散層等表面處理層的性能。2．表面加工硬化層性能的