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1、第四章材料的硬度,4.1 前言 古时，利用固体互相刻划来区分材料的软硬 硬度仍用来表示材料的软硬程度。 硬度值大小取决于材料的性质、成分和显微组织，测量方法和条件不符合统一标准就不能反映真实硬度。 目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。 硬度测定简便，造成的表面损伤小，基本上属于“无损”检测的范畴。 测定硬度的方法很多，主要有压入法，回跳法和刻划法三大类。,硬度试验动画,4.2 布氏硬度 压入法硬度:氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度,表征材料表面抵抗外物压人时引起塑性变形的能力。4.2.1 布氏硬度测定的原理和方法 压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留
2、下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。,施加压力P,压头直径D, 压痕深度h或直径d,计算出布氏硬度值，单位为kgf/mm2（一般不标注）。 （4-1） 公式表明，当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。,由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，压入角应相等。 布氏硬度相同时，要保证压入角相等，则P/D2应为常数。 国标GB231-84根据材料的种类及布氏硬度范围，规定了7种P/D2
3、之值，见表4-1。,压头直径选定: 试件的厚度应大于压痕深度的10倍。尽可能选用大直径的压头。根据材料及其硬度范围，参照表4-1选择P/D2。 测试加载压力与试件表面垂直，均匀平稳，无冲击。 压力作用下的保持时间有规定，对黑色金属应为10秒，有色金属为30秒，对HB35的材料为60秒。压痕直径d不在0.25 0.6 D 范围无效。,符号表示：压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBW HBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。 例：150HBSl0300030表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值为150； 500
4、HBW5750，表示用硬质合金球，压头直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒(保持时间为10-15，不加标注)，测得布氏硬度值为500。,4.2.2 布氏硬度的特点和适用范围,压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。布氏硬度分散性小，重复性好 适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，象灰铸铁和轴承合金等。,试验证明，在一定的条件下，布氏硬度与抗拉强度存在如下的经验关系 b=k HB (4-3) 式中k为经验常数，随材料不同而异。表4-2列出了常见金属材料的抗拉强度与HB的比例常数。 压痕较大，不宜在实际零件表面、薄壁件、表面硬化层上
5、测定布氏硬度。 淬火钢球作压头，测定HB450的材料的硬度； 硬质合金球作压头，测定的硬度可达650HB,4.3 洛氏硬度,4.3.1 洛氏硬度测定的原理和方法 洛氏硬度是直接测量压痕深度，压痕愈浅表示材料愈硬 常用的压头： 顶角为1200的金刚石圆锥体 直径为1.588mm(116英寸)的钢球压头,试验程序：先加10kg预压力，再加主压力。预压力+主压力=总压力，总压力视材料的软硬而定；不同压头和施加不同的总压力，组成不同的洛氏硬度标尺。 常用A、B和C三种标尺，C标尺最普遍。用这三种标尺的硬度记为HRA、HRB和HRC。,测定HRC采用金刚石压头，最好用图示,先加10kgf预载，压入材料表
6、面的深度为t0，此时表盘上的指针指向零点(见图4-3(a)。 然后再加上140kgf主载荷，压头压入表面的深度为t1，表盘上的指针逆时针方向转到相应的刻度(见图4-3(b)。,卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复，压头将回升一段距离，即(t1-t)，表盘上的指针将相应地回转(见图4-3(c)。 最后，在试件表面留下的残余压痕深度为t。 为符合人的思维，即数值越大越硬，规定：t0.2mm时,HRC0；t0,HRC100，压痕深度每增0.002mm, HRC降低1个单位。于是有 HRC(0.2-t)0.002（100-t）0.002 (4-4),图4-3 洛氏硬度试验过程的示意图,4.3.2
7、 洛氏硬度的优缺点及其应用,优点： 因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，故测定洛氏硬度更为简便迅速,工效高； 对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验； 因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。,缺点: 不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。 由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差.,4.3.3 表面洛氏硬度,洛氏硬度施加的压力大，不宜用于测定极薄的工件和表面硬化层. 发展了表面洛氏硬度试验。 与普通洛氏硬度主要不同点： 1）预载荷为3kgf(29.42N)，总载荷比较小,分别为15kgf,30kgf和45kgf(441.3N) 2
8、）取t0.1mm时的洛氏硬度为零，深度每增大0.001mm,表面洛氏硬度降低一个单位。,4.4 维氏硬度,4.4.1 维氏硬度测定的原理和方法 维氏硬度测定的原理与方法基本上与布氏硬度的相同，根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。 测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为1360，所加的载荷较小。,已知载荷P，测得压痕两对角线长度后取平均值d，计算维氏硬度值，单位为kgf/mm2（一般不标注） HV=1.8544P/d2 载荷为5kgf,10kgf，20kgf，30kgf，50kgf和100kgf等6种 压头压入试件表面，保持一定的时间后卸除压力，试件表面上留
9、下压痕，如图4-4所示。,维氏硬度的表示方法与布氏硬度的相同， 例：640HV3020，最前数字为硬度值，后面数字依次为载荷/保持时间。,4.4.2 维氏硬度的特点和应用 维氏硬度测试采用了四方角锥体压头，各种载荷作用下所得的压痕几何相似，载荷大小任意选择，所得硬度值均相同，不受布氏法那种载荷P和压头D的规定条件的约束。 测量范围较宽，软硬材料都可测。 压痕为一轮廓清晰的正方形，对角线长度易于精确测量，故精度较布氏法的高。 材料的硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。,4.5 显微硬度,布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均硬度值 测定极小范围内的硬度，需用显微硬度试验，例
10、如某个晶粒，某个组成相或夹杂物的硬度 显微硬度试验一般是指测试载荷小于200g力的硬度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度。,4.5.1 显微维氏硬度 显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，仍用HV表示。 测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理，必须注明载荷大小，以便比较,如340HV0.1表示用0.1kgf的载荷测得的维氏显微硬度为340， 340HV0.05则是表示用0.05kgf的载荷测得的硬度为340.,4.5.2 努氏硬度 努氏硬度是维氏硬度的发展。长棱形金刚石压头，两长棱夹角为172.50，两短棱夹角为1300(
11、见图4-6)。压痕是长对角线比短对角线长度大7倍,努氏硬度值与维氏硬度的不同，定义单位压痕投影面积上所承受的力。已知载荷P、压痕长对角线长度L，计算努氏硬度值(HK) HK14.22P/L2 (4-9) 努氏硬度试验法无国家标准，测试载荷通常为1-50N。按金相试样的要求制备试件。 压痕浅而细长，较维氏法优越。适于测定极薄层或极薄零件，丝、带等细长件以及硬而脆的材料(如玻璃、玛瑙、陶瓷等)的硬度。测量精度和对表面状况的敏感度也更高。,4.5.3 显微硬度试验特点及应用 特点： 1）载荷小，压痕极小，几乎不损坏试件，便于测定微小区域内的硬度值。 2）灵敏度高。,4.6 肖氏硬度（回跳硬度） 原理：金刚石圆头或钢锭球的标准冲头从一定高度h0自由下落到试件表面，因试件的弹性变形使其回跳到某高度h，用两个高度的比值计算肖氏硬度值 HS=Kh/h0 (4-10) HS为肖氏硬度，K为肖氏硬度系数，C型肖氏硬度计K=104/65 ；D型肖氏硬度计K=140。,特点：操作简便，测量迅速，压痕小，携带方便，可到现场进行测试等。 主要用于检验大型工件：轧辊、机床床面、导轨，曲轴、大齿轮等的硬度。 缺点：测定精度较低，重复性差。 弹性模数不同的材料，其结果不能相互比较。,
