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1、硬 度 的 测 定,硬度： 金属材料抵抗局部变形,特别是抵抗塑性变形、压痕或划痕的能力。也是衡量金属软硬程度的判据。,主 要 内 容,1、硬度的特点及应用 2、布氏硬度测试 3、洛氏硬度测试法 4、维氏硬度测试法 5、显微硬度测试法,硬度试验的特点及应用 试样制备简单，可在各种不同尺寸的试样上进行试验，试验后试样基本不受破坏； 设备简便，操作方便，测量速度快； 测量范围大:可大(多晶体)可小(单个晶粒、表面渡层、手表内部小零件等)、可软可硬各种金属件都可做硬度试验；,硬度与强度之间有近似的换算关系，根据测出的硬度值就可以粗略地估算强度极限值(如碳钢b0.36HB)。 测定材料的硬度,定性分析材
2、料的组织、性能; 测定脱碳层深度; 定性分析夹杂物性质, 组成相的性质等。,2.洛氏硬度测定法,2.1 洛氏硬度的测量原理 用顶角为120的金刚石圆锥或为1.588mm的淬火钢球为压头,在规定载荷（初载荷及主载荷）的作用下压入材料表面,经规定保持时间后,卸除主试验力，根据压痕深度来确定硬度值。图1表示了洛氏硬度的测量原理。,图1.洛氏硬度试验原理示意图,0-0：未加载荷，压头未接触试件时的位置。 1-1：压头在预载荷P0(98.1N)作用下压入试件深度为h0时的位置。 h0包括预载所引起的弹形变形和塑性变形。 2-2：加主载荷P1后，压头在总载荷P= P0+ P1 的作用下压入试件的位置。 3
3、-3：去除主载荷P1后仍保留预载荷P0 时压头的位置，压入深度为h1。由于P1所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了h，主载荷引起的塑性变形深度为:h= h1- h0,h值越大，试件越软，h值越小，试件越硬。 为适应数值越大硬度越高的概念，用一常数K减去h表示硬度的高低。并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则： 测量值直接在表盘上读出。 用金刚石圆锥压头时，常数K为0.2mm，硬度值由黑色表盘表示 ; 用钢球(=1.588mm)压头时，常数K为0.26mm，硬度值由红色表盘表示.,为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压头和不同的总载荷配成不同标尺的洛氏硬度。洛氏硬度
4、共有15种标尺供选择，它们分别为：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV；表面洛氏硬度标尺：HR45N、 HR30N、 HR15N和HR45T、 HR30T、 HR15T 。其中常用的几种标尺见表1。,表1.各种洛氏硬度值的符号及应用,2.2 洛氏硬度测定的优缺点 优点: 操作简便、迅速，适宜大生产； 压痕小，适宜测成品； 适用范围广，从极软到极硬、从极薄到极硬的材料都能测定。 缺点： 不同标尺硬度值之间不能相互比较； 对粗大组织的金属不适用。,硬度表示法如：38HRC、48HR30N、68HR30T等。 金属洛氏
5、试验执行的现行标准为： GB/T 230.12004 金属洛氏硬度试验 第1部分：试验方法,洛氏硬度实验过程,1、试验前的准备（参数设定） 按RESET键清零； 将选好的压头安装好； 设预载力； 设总载荷； 设定标尺：按D/B键，使力、压头、标尺一致； 设定保荷时间：键DW TIME与DEC或INC键配合，按SET键输入；此时显示标尺与0.0; 用标准块校验，示值误差应符合标准。,2、试验过程 放好试样，实验点对准压头； 顺时转动转盘使试样紧密接触压头，使预载力指示灯依次点亮，直至“SET”灯亮， 约1s后自动进行后续过程； 显示标尺与硬度值供记录； 设备复原位。,注意事项 试样表面要平滑干净
6、； 试样或试验层最小厚度不小于金刚石压头h的10倍或钢球压头h的5倍； 试验后试样背面不得有肉眼可见的变形痕迹；,3.布 氏 硬 度 测 试 法,3.1 布氏硬度的测量原理 加载荷P,使直径为D的淬火钢球压头压入试件表面并保持一定时间，去载后，测量压痕直径d，算出压痕面积F， P/F即为布氏硬度，用符号HB表示。布氏硬度的测量原理如图2所示。,图2.布氏硬度试验原理示意图,式中：P测试用的载荷(kg)； D压头钢球的直径(mm)； d压痕直径(mm)； F压痕面积(mm2).,测出d,查表即可得HB值,公式,压头直径有2.5mm，5mm，10mm三种; 载荷有15.6kg、62.5kg、182
7、.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种; 材料的软硬不同要配合使用。为了在不同直径的压头和不同载荷下进行测试时，同一种材料的布氏硬度值相同。D与P之间要满足相似原理。 如图3所示。,图3. 不同直经的钢球压头产生在几何上相似的压头,推倒得出:,只要使P/D2为一常数，就可使保持不变，从而保持了几何形状相似的压痕。 只要满足P/D2为常数，则同一材料测得的HB值是相同的。且不同材料测得的HB值也可进行比较。 国家标准规定P/D2的比值为30、10、5三种。 实验规范见表2,式中:A为常数,表2 布氏硬度的实验规范,3.2 布氏硬度的表示方法 用10mm钢球，在3000k
8、g载荷下保持10s，测得的布氏硬度值表示为字母HB加上所测得的硬度值，例如HB400。 在其他试验条件下，在HB后面要注明钢球直径、载荷大小及保载时间，例如：130HBW10/1000/30表示用10mm的硬质合金球在9.807kN载荷下保持30s测得的布氏硬度为130。 硬度值表示法中一般不写单位。,3.3布氏硬度测定的优缺点 优点 因压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值; 因压痕面积较大,测值较准确,测量误差较小;而不受个别组成相及微小不均匀度的影响。 布氏硬度值和抗拉强度b间存在一定换算关系。 见表3。,表3. 布氏硬度与抗拉强度的关系,缺点 由于压痕大,只宜测半成
9、品; 不宜测太薄，太软、太硬（0.25Dd0.6D）的材料； 对不同材料和厚度的试样需更换压头和试验力，测压痕直径费时，还得查表，所以效率低。,3.4 设备操作 设备名称：KB3000BVRZ万能硬度计:配备了布氏、维氏与洛氏硬度测量模块。主要用于不同载荷范围的布氏硬度测定。 试验标准：GB 231.12002 金属布氏硬度试验 第1部分：试验方法。 设备操作 试样准备； 下移载物台预留足够安全空间，完成自检后按Enter或F1进入测试界面； 选择载荷、压头直径、压痕观测物镜； 调物镜得清晰像；按压OPTIC切换至压头； 按压Start加载保荷。 显示硬度测量值。,3.5 测量注意事项: d的
10、范围应为0.25Dd0.6D，否则测量结果无效； 由于压痕周围存在变形硬化现象约2-3倍的d，要求相邻两个点的距离4d，软材料6d；否则测得的值将高于实际值； 试件厚度不小于压痕深度的10倍； 压痕离试件边缘的距离应不小于压痕直径。 安全注意事项,4. 维氏硬度测试法,4.1 维氏硬度的测量原理 测量原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是用金刚石正四棱锥压头。正四棱锥两对面的夹角为136，底面为正方形，如图4所示。 维氏硬度所用的载荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，负载的选择主要取决于试件的厚度。,图4 维氏金刚石棱锥压头,维氏硬度的测
11、试原理,压痕是一个底面为正方形的正四棱锥。用显微镜测定方坑对角线长度d，维氏硬度值HV等于所用载荷与压痕面积的比值。 压痕面积F为：F=d2/2sin68 硬度表示为：HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2 式中：P载荷； d对角线长度； F压痕面积。,当载荷P已知时，只要测得压痕对角线长度d，就可以求出维氏硬度值。 通常是在测量d值后从压印对角线与维氏硬度对照表中查出相应的硬度值。,4.2压痕对角线的测量,压痕对角线长度是用附在硬度计上的显微测微器测量的。 测量精度可达10-3mm。应测出两条互相垂直的对角线的长度，取平均值。 规定两条压痕对角线之差与较短对角线之比不大于2%。若材料
12、各个方向上的硬度不均匀而使比值2%者，需要在硬度值后面注明。,维氏硬度表示法 640 HV 30表示用136金刚石压头在294.2N试验力作用下保持1015秒测得的维氏硬度值为640。 640 HV 30/20表示用136金刚石压头在294.2N试验力作用下保持20秒测得的维氏硬度值为640。,4.3 对试样的要求,要求试样经过抛光，试样硬度至少是压痕深度的10倍或者不小于压痕对角线的1.5倍，在满足这个条件的情况下尽可能选用较大载荷，可减少测量误差。,4.4 优缺点及注意事项 优点 可测定从极软到极硬各种金属材料的硬度,且不同载荷下的维氏硬度值可以进行比较。 维氏硬度值测量精确可靠，在材料科
13、学研究中被广泛应用。 缺点 维氏硬度需测量对角线的长度，然后通过计算或查表才能得到硬度值。测量过程繁琐，工作效率低。在测量过程中，采用计算机控制测量过程，采集和处理数据，可能克服上述缺点并大大提高工作效率。,注意 维氏硬度两相邻压痕中心之间的距离，对于钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长度的3倍；对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕对角线长度的6倍。如果相邻两压痕大小不同，应以较大压痕确定压痕间距。 金属维氏硬度试验执行的现行标准为： GB/T 4340.11999 金属维氏硬度试验 第1部分：试验方法。,5.显 微 硬 度 测 试 法,5.1显微硬度的测量原理,显微硬度的测量原理与维氏硬度一样
14、，也是用压痕单位面积上所承受的载荷来表示的。 只是试样需要抛光腐蚀制成金相显微试样，以便测量显微组织中各相的硬度。显微硬度一般用HM表示。,5.1.1 显微硬度测试用的压头有两种：,一种是和维氏硬度压头一样的两面之间的夹角为136的金刚石正四棱锥压头; 另一种显微硬度压头。这种压头叫克努普(Knoop)金刚石压头。它的压痕长对角线与短对角线的长度之比为7.11。 如图5所示:,维氏金刚石棱锥压头,努氏金刚石棱锥压头,图5维氏硬度压头,5.1.2 硬度计算公式,两面之间的夹角为136的金刚石正四棱锥压头时,显微硬度的计算公式为： HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2 式中：P载荷(g)
15、； d压痕对角线长度(m)。 显微硬度值与维氏硬度完全一致，计算公式差别只是测量时用的载荷和压痕对角线的单位不同造成的。,压头叫克努普(Knoop)金刚石压头时, 显微硬度值为： HK=P/A=14229P/L2kg/mm2 式中：P载荷(g)； L压痕对角线长度(m)。,显微硬度如用kg/mm2为单位时，可以将单位省去，例如HM300，表示其显微硬度为300kg/mm2,5.2 设备简介,设备名称：维氏显微硬度计 仪器组成：照明系统、物镜系统、目镜系统、调焦装置、硬度值测量系统。 应用：测量各种组成相的硬度及渗层的硬度变化梯度等。,试验前的准备工作： 接通电源，试样压平后固定在载物台上； 将
16、物镜转如光路并固定； 旋转目镜使计测线边缘聚焦； 调好后复零：D1显示“0.0”,5.3 显微硬度的测试方法,硬度测试： 安装物镜； 试样聚焦（聚焦前试样表面与镜头距离不少于0.4mm）测试位置置于中心； 压头置于光路； 设置测试载荷（H、L两档）； 加载（确认物镜不在光路中）； 物镜转入光路； 调目镜测对角线长度； 硬度显示。,压痕对角线长度的测定： 旋转目镜左右旋钮，使左计测线内侧边缘与压痕左侧尖端相切，右计测线内侧边缘与压痕右侧尖端相切，按“数值输入”键，压痕对角线长度在D1位置显示； 将测微目镜逆时针旋转90度后重复上述操作，测量压痕竖直方向对角线长度，按“数值输入”键，压痕对角线长度在D2位置显示。,5.4 影响显微硬度值的因素 1)试样制备 制备试样时，因磨削使表面塑性变形引起加工硬化，这会对显微硬度值有很大的影响(有时误差可达50%)，低载荷下更为明显。 因此要尽量减少表面变形层，特别对软材料，最好采用电解抛光。,2) 载荷
