1、硬 度 的 測 定,硬度： 金屬材料抵抗局部變形,特別是抵抗塑性變形、壓痕或劃痕的能力。也是衡量金屬軟硬程度的判據(jù)。,主 要 內(nèi) 容,1、硬度的特點及應(yīng)用 2、布氏硬度測試 3、洛氏硬度測試法 4、維氏硬度測試法 5、顯微硬度測試法,硬度試驗的特點及應(yīng)用 試樣制備簡單，可在各種不同尺寸的試樣上進行試驗，試驗后試樣基本不受破壞； 設(shè)備簡便，操作方便，測量速度快； 測量范圍大:可大(多晶體)可小(單個晶粒、表面渡層、手表內(nèi)部小零件等)、可軟可硬各種金屬件都可做硬度試驗；,硬度與強度之間有近似的換算關(guān)系，根據(jù)測出的硬度值就可以粗略地估算強度極限值(如碳鋼b0.36HB)。 測定材料的硬度,定性分析材

2、料的組織、性能; 測定脫碳層深度; 定性分析夾雜物性質(zhì), 組成相的性質(zhì)等。,2.洛氏硬度測定法,2.1 洛氏硬度的測量原理 用頂角為120的金剛石圓錐或為1.588mm的淬火鋼球為壓頭,在規(guī)定載荷（初載荷及主載荷）的作用下壓入材料表面,經(jīng)規(guī)定保持時間后,卸除主試驗力，根據(jù)壓痕深度來確定硬度值。圖1表示了洛氏硬度的測量原理。,圖1.洛氏硬度試驗原理示意圖,0-0：未加載荷，壓頭未接觸試件時的位置。 1-1：壓頭在預(yù)載荷P0(98.1N)作用下壓入試件深度為h0時的位置。 h0包括預(yù)載所引起的彈形變形和塑性變形。 2-2：加主載荷P1后，壓頭在總載荷P= P0+ P1 的作用下壓入試件的位置。 3

3、-3：去除主載荷P1后仍保留預(yù)載荷P0 時壓頭的位置，壓入深度為h1。由于P1所產(chǎn)生的彈性變形被消除，所以壓頭位置提高了h，主載荷引起的塑性變形深度為:h= h1- h0,h值越大，試件越軟，h值越小，試件越硬。 為適應(yīng)數(shù)值越大硬度越高的概念，用一常數(shù)K減去h表示硬度的高低。并規(guī)定每0.002mm為一個洛氏硬度單位，用符號HR表示，則： 測量值直接在表盤上讀出。 用金剛石圓錐壓頭時，常數(shù)K為0.2mm，硬度值由黑色表盤表示 ; 用鋼球(=1.588mm)壓頭時，常數(shù)K為0.26mm，硬度值由紅色表盤表示.,為了擴大洛氏硬度的測量范圍，可用不同的壓頭和不同的總載荷配成不同標(biāo)尺的洛氏硬度。洛氏硬度

4、共有15種標(biāo)尺供選擇，它們分別為：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV；表面洛氏硬度標(biāo)尺：HR45N、 HR30N、 HR15N和HR45T、 HR30T、 HR15T 。其中常用的幾種標(biāo)尺見表1。,表1.各種洛氏硬度值的符號及應(yīng)用,2.2 洛氏硬度測定的優(yōu)缺點 優(yōu)點: 操作簡便、迅速，適宜大生產(chǎn)； 壓痕小，適宜測成品； 適用范圍廣，從極軟到極硬、從極薄到極硬的材料都能測定。 缺點： 不同標(biāo)尺硬度值之間不能相互比較； 對粗大組織的金屬不適用。,硬度表示法如：38HRC、48HR30N、68HR30T等。 金屬洛氏

5、試驗執(zhí)行的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為： GB/T 230.12004 金屬洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法,洛氏硬度實驗過程,1、試驗前的準(zhǔn)備（參數(shù)設(shè)定） 按RESET鍵清零； 將選好的壓頭安裝好； 設(shè)預(yù)載力； 設(shè)總載荷； 設(shè)定標(biāo)尺：按D/B鍵，使力、壓頭、標(biāo)尺一致； 設(shè)定保荷時間：鍵DW TIME與DEC或INC鍵配合，按SET鍵輸入；此時顯示標(biāo)尺與0.0; 用標(biāo)準(zhǔn)塊校驗，示值誤差應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。,2、試驗過程 放好試樣，實驗點對準(zhǔn)壓頭； 順時轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤使試樣緊密接觸壓頭，使預(yù)載力指示燈依次點亮，直至“SET”燈亮， 約1s后自動進行后續(xù)過程； 顯示標(biāo)尺與硬度值供記錄； 設(shè)備復(fù)原位。,注意事項 試樣表面要平滑干凈

6、； 試樣或試驗層最小厚度不小于金剛石壓頭h的10倍或鋼球壓頭h的5倍； 試驗后試樣背面不得有肉眼可見的變形痕跡；,3.布 氏 硬 度 測 試 法,3.1 布氏硬度的測量原理 加載荷P,使直徑為D的淬火鋼球壓頭壓入試件表面并保持一定時間，去載后，測量壓痕直徑d，算出壓痕面積F， P/F即為布氏硬度，用符號HB表示。布氏硬度的測量原理如圖2所示。,圖2.布氏硬度試驗原理示意圖,式中：P測試用的載荷(kg)； D壓頭鋼球的直徑(mm)； d壓痕直徑(mm)； F壓痕面積(mm2).,測出d,查表即可得HB值,公式,壓頭直徑有2.5mm，5mm，10mm三種; 載荷有15.6kg、62.5kg、182

7、.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七種; 材料的軟硬不同要配合使用。為了在不同直徑的壓頭和不同載荷下進行測試時，同一種材料的布氏硬度值相同。D與P之間要滿足相似原理。 如圖3所示。,圖3. 不同直經(jīng)的鋼球壓頭產(chǎn)生在幾何上相似的壓頭,推倒得出:,只要使P/D2為一常數(shù)，就可使保持不變，從而保持了幾何形狀相似的壓痕。 只要滿足P/D2為常數(shù)，則同一材料測得的HB值是相同的。且不同材料測得的HB值也可進行比較。 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定P/D2的比值為30、10、5三種。 實驗規(guī)范見表2,式中:A為常數(shù),表2 布氏硬度的實驗規(guī)范,3.2 布氏硬度的表示方法 用10mm鋼球，在3000k

8、g載荷下保持10s，測得的布氏硬度值表示為字母HB加上所測得的硬度值，例如HB400。 在其他試驗條件下，在HB后面要注明鋼球直徑、載荷大小及保載時間，例如：130HBW10/1000/30表示用10mm的硬質(zhì)合金球在9.807kN載荷下保持30s測得的布氏硬度為130。 硬度值表示法中一般不寫單位。,3.3布氏硬度測定的優(yōu)缺點 優(yōu)點 因壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相綜合影響的平均值; 因壓痕面積較大,測值較準(zhǔn)確,測量誤差較小;而不受個別組成相及微小不均勻度的影響。 布氏硬度值和抗拉強度b間存在一定換算關(guān)系。 見表3。,表3. 布氏硬度與抗拉強度的關(guān)系,缺點 由于壓痕大,只宜測半成

9、品; 不宜測太薄，太軟、太硬（0.25Dd0.6D）的材料； 對不同材料和厚度的試樣需更換壓頭和試驗力，測壓痕直徑費時，還得查表，所以效率低。,3.4 設(shè)備操作 設(shè)備名稱：KB3000BVRZ萬能硬度計:配備了布氏、維氏與洛氏硬度測量模塊。主要用于不同載荷范圍的布氏硬度測定。 試驗標(biāo)準(zhǔn)：GB 231.12002 金屬布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法。 設(shè)備操作 試樣準(zhǔn)備； 下移載物臺預(yù)留足夠安全空間，完成自檢后按Enter或F1進入測試界面； 選擇載荷、壓頭直徑、壓痕觀測物鏡； 調(diào)物鏡得清晰像；按壓OPTIC切換至壓頭； 按壓Start加載保荷。 顯示硬度測量值。,3.5 測量注意事項: d的

10、范圍應(yīng)為0.25Dd0.6D，否則測量結(jié)果無效； 由于壓痕周圍存在變形硬化現(xiàn)象約2-3倍的d，要求相鄰兩個點的距離4d，軟材料6d；否則測得的值將高于實際值； 試件厚度不小于壓痕深度的10倍； 壓痕離試件邊緣的距離應(yīng)不小于壓痕直徑。 安全注意事項,4. 維氏硬度測試法,4.1 維氏硬度的測量原理 測量原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是用金剛石正四棱錐壓頭。正四棱錐兩對面的夾角為136，底面為正方形，如圖4所示。 維氏硬度所用的載荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，負(fù)載的選擇主要取決于試件的厚度。,圖4 維氏金剛石棱錐壓頭,維氏硬度的測

11、試原理,壓痕是一個底面為正方形的正四棱錐。用顯微鏡測定方坑對角線長度d，維氏硬度值HV等于所用載荷與壓痕面積的比值。 壓痕面積F為：F=d2/2sin68 硬度表示為：HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2 式中：P載荷； d對角線長度； F壓痕面積。,當(dāng)載荷P已知時，只要測得壓痕對角線長度d，就可以求出維氏硬度值。 通常是在測量d值后從壓印對角線與維氏硬度對照表中查出相應(yīng)的硬度值。,4.2壓痕對角線的測量,壓痕對角線長度是用附在硬度計上的顯微測微器測量的。 測量精度可達10-3mm。應(yīng)測出兩條互相垂直的對角線的長度，取平均值。 規(guī)定兩條壓痕對角線之差與較短對角線之比不大于2%。若材料

12、各個方向上的硬度不均勻而使比值2%者，需要在硬度值后面注明。,維氏硬度表示法 640 HV 30表示用136金剛石壓頭在294.2N試驗力作用下保持1015秒測得的維氏硬度值為640。 640 HV 30/20表示用136金剛石壓頭在294.2N試驗力作用下保持20秒測得的維氏硬度值為640。,4.3 對試樣的要求,要求試樣經(jīng)過拋光，試樣硬度至少是壓痕深度的10倍或者不小于壓痕對角線的1.5倍，在滿足這個條件的情況下盡可能選用較大載荷，可減少測量誤差。,4.4 優(yōu)缺點及注意事項 優(yōu)點 可測定從極軟到極硬各種金屬材料的硬度,且不同載荷下的維氏硬度值可以進行比較。 維氏硬度值測量精確可靠，在材料科

13、學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。 缺點 維氏硬度需測量對角線的長度，然后通過計算或查表才能得到硬度值。測量過程繁瑣，工作效率低。在測量過程中，采用計算機控制測量過程，采集和處理數(shù)據(jù)，可能克服上述缺點并大大提高工作效率。,注意 維氏硬度兩相鄰壓痕中心之間的距離，對于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的3倍；對于輕金屬、鉛、錫及合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的6倍。如果相鄰兩壓痕大小不同，應(yīng)以較大壓痕確定壓痕間距。 金屬維氏硬度試驗執(zhí)行的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為： GB/T 4340.11999 金屬維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法。,5.顯 微 硬 度 測 試 法,5.1顯微硬度的測量原理,顯微硬度的測量原理與維氏硬度一樣

14、，也是用壓痕單位面積上所承受的載荷來表示的。 只是試樣需要拋光腐蝕制成金相顯微試樣，以便測量顯微組織中各相的硬度。顯微硬度一般用HM表示。,5.1.1 顯微硬度測試用的壓頭有兩種：,一種是和維氏硬度壓頭一樣的兩面之間的夾角為136的金剛石正四棱錐壓頭; 另一種顯微硬度壓頭。這種壓頭叫克努普(Knoop)金剛石壓頭。它的壓痕長對角線與短對角線的長度之比為7.11。 如圖5所示:,維氏金剛石棱錐壓頭,努氏金剛石棱錐壓頭,圖5維氏硬度壓頭,5.1.2 硬度計算公式,兩面之間的夾角為136的金剛石正四棱錐壓頭時,顯微硬度的計算公式為： HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2 式中：P載荷(g)

15、； d壓痕對角線長度(m)。 顯微硬度值與維氏硬度完全一致，計算公式差別只是測量時用的載荷和壓痕對角線的單位不同造成的。,壓頭叫克努普(Knoop)金剛石壓頭時, 顯微硬度值為： HK=P/A=14229P/L2kg/mm2 式中：P載荷(g)； L壓痕對角線長度(m)。,顯微硬度如用kg/mm2為單位時，可以將單位省去，例如HM300，表示其顯微硬度為300kg/mm2,5.2 設(shè)備簡介,設(shè)備名稱：維氏顯微硬度計 儀器組成：照明系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)、目鏡系統(tǒng)、調(diào)焦裝置、硬度值測量系統(tǒng)。 應(yīng)用：測量各種組成相的硬度及滲層的硬度變化梯度等。,試驗前的準(zhǔn)備工作： 接通電源，試樣壓平后固定在載物臺上； 將

16、物鏡轉(zhuǎn)如光路并固定； 旋轉(zhuǎn)目鏡使計測線邊緣聚焦； 調(diào)好后復(fù)零：D1顯示“0.0”,5.3 顯微硬度的測試方法,硬度測試： 安裝物鏡； 試樣聚焦（聚焦前試樣表面與鏡頭距離不少于0.4mm）測試位置置于中心； 壓頭置于光路； 設(shè)置測試載荷（H、L兩檔）； 加載（確認(rèn)物鏡不在光路中）； 物鏡轉(zhuǎn)入光路； 調(diào)目鏡測對角線長度； 硬度顯示。,壓痕對角線長度的測定： 旋轉(zhuǎn)目鏡左右旋鈕，使左計測線內(nèi)側(cè)邊緣與壓痕左側(cè)尖端相切，右計測線內(nèi)側(cè)邊緣與壓痕右側(cè)尖端相切，按“數(shù)值輸入”鍵，壓痕對角線長度在D1位置顯示； 將測微目鏡逆時針旋轉(zhuǎn)90度后重復(fù)上述操作，測量壓痕豎直方向?qū)蔷€長度，按“數(shù)值輸入”鍵，壓痕對角線長度

17、在D2位置顯示。,5.4 影響顯微硬度值的因素 1)試樣制備 制備試樣時，因磨削使表面塑性變形引起加工硬化，這會對顯微硬度值有很大的影響(有時誤差可達50%)，低載荷下更為明顯。 因此要盡量減少表面變形層，特別對軟材料，最好采用電解拋光。,2) 載荷 根據(jù)試樣的實際情況，選擇適當(dāng)?shù)暮奢d，允許時盡量選擇較大的載荷，以得到盡可能大的壓痕。 任意大小的壓痕其彈性回復(fù)量幾乎一樣，壓痕越小彈性回復(fù)量占的比例就越大，顯微硬度值也就越高。 在同一試樣中，選用不同的載荷測試得出的結(jié)果不完全相同，一般載荷越小，硬度值波動越大。 對于同一試驗最好始終選相同的載荷，以減少載荷變化對硬度值的影響。,布科提出了下列四類

18、加載范圍，可供參考： 鋁合金:1-5g; 軟鐵鎳:5-15g;硬鋼:15-30g 碳化物:30-120g 3)加載速度和保載時間 加載速度過快，會使壓痕加大，顯微硬度值降低。一般載荷越小，加載速度的影響就越大。加載后保持載荷3-5s即可卸載進行測量。,6.使用硬度計應(yīng)注意的事項,除了各種硬度計使用時特殊注意事項外，還有一些共同的應(yīng)注意的問題，現(xiàn)列舉如下：,1)硬度計本身會產(chǎn)生兩種誤差： 一是其零件的變形、移動造成的誤差； 二是硬度參數(shù)超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)所造成的誤差。對第二種誤差，在測量前需用標(biāo)準(zhǔn)塊對硬度計進行校準(zhǔn)。,洛氏硬度各標(biāo)度有一事實上的適用范圍，要根據(jù)規(guī)定正確選用。例如，硬度高于HRB100時，應(yīng)采用HRC標(biāo)度進行測試；硬度低于HRC20時應(yīng)用HRB標(biāo)度進行測試。因為超出其規(guī)定的測試范圍時，硬度計的精確度及靈敏度較差，硬度值不準(zhǔn)確，不宜使用。 其他硬度測試法也都規(guī)定有相應(yīng)的校正標(biāo)準(zhǔn)。 校準(zhǔn)硬度計用的標(biāo)準(zhǔn)塊不能兩面使用，因標(biāo)準(zhǔn)面與背面硬