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1、实验八 显微硬度的测定方法与设备一实验目的熟悉显微硬度试验方法和显微硬度计的使用方法二显微硬度的基本概念“硬度”是指固体材料受到其它物体的力的作用，在其受侵入时所呈现的抵抗弹性变形、塑性变形及破裂的综合能力。这种说法较接近于硬度试验法的本质，适用于机械式的硬度试验法，但仍不适用于电磁或超声波硬度试验法。 “硬度”这一术语，并不代表固体材料的一个确定的物理量，而是材料一种重要的机械性能，它不仅取决于所研究的材料本身的性质，而且也决定于测量条件和试验法。因此，各种硬度值之间并不存在着数学上的换算关系，只存在着实验后所得到的对照关系。“显微硬度”是相对“宏观硬度”而言的一种人为的划分。目前这一概念参
2、照国际标准ISO6507/1-82“金属材料维氏硬度试验”中规定“负荷小于0.2kgf（1.961N）维氏显微硬度试验”及我国国家标准GB4342-84“金属显微维氏硬度试验方法”中规定“显微维氏硬度”负荷范围为“0.010.2kgf（98.0710-31.961N）”而确定的。负荷0.2kgf（1.961N）的静力压入被试验样品的试验称为显微硬度试验。以实施显微硬度试验为主，负荷在0.011kgf（9.90710-39.807N）范围内的硬度计称为显微硬度计。显微硬度的测试原理是采用一定锥体形状的金刚石压头，施以几克到几百克质量所产生的重力（压力）压入试验材料表面，然后测量其压痕的两对角线长
3、度。由于压痕尺度极小，必须在显微镜中测量。三显微硬度试验方法显微硬度测试采用压入法，压头是一个极小的金刚石锥体，按几何形状分为两种类型，一种是锥面夹角为136的正方锥体压头，又称维氏（Vickers）压头，另一种是棱面锥体压头，又称努普（knoop）压头。这两种压头分别示于图8-1a和图8-1b中。 图8-1a 维氏压头 图8-1b 努氏压头3.1 维氏（Vickers）硬度试验法1维氏压头二相对棱面间的夹角为136金刚石正方四棱角锥体，即为维氏压头（图8-1a）。2维氏硬度维氏压头在一定的负荷作用下，垂直压入被测样品的表面产生凹痕，其每单位面积所承受力的大小即为维氏硬度。维氏硬度计算公式 ：
4、 式中：Hv维氏硬度（kgf/mm2）； P 负荷（kgf）； S 压痕面积（mm2）； d 压痕对角线长度（mm2）; 压头二相对棱面的夹角（136）在显微硬度试验中，此公式表示为： HV=1854.4P/d2式中：HV 维氏硬度（gf/mm2）P负荷（gf）d 压痕对角线长度（m）3.2 努普（Knoop）硬度试验法1努普压头二相对棱边的夹角分别为17230和130的四棱金刚石角锥体，即为努普压头（图8-1b）。2努普硬度努普压头在一定的负荷作用下，垂直压入被测物体的表面所产生的凹痕在其表面的投影，每单位面积所承受的作用力的大小即为努普硬度。努普硬度计算公式：式中：HK努普硬度（kgf/m
5、m2）；P 负荷（kgf）S投 压痕的投影面积（mm2） 压头的第一棱夹角（17230） 压头的第二棱夹角（130） 在显微硬度试验中此公式表示为： HK=14228.9P/d2 式中：HK努普硬度（gf/mm2）； P 负荷（gf） d 压痕的长对角线长度（m） 3.3 努普硬度试验法相对维氏硬度试验法的优缺点1优点a. 努普硬度适用于测定脆性材料。努普硬度试验法比维氏硬度试验法更适用于测定珐琅、玻璃、玛瑙、红宝石等脆性材料的硬度，压痕不易产生碎裂。b. 测量误差较小。当操作人员的人为瞄准精度一定时，压痕对角线越长，则由此瞄准误差所引起的测量误差越小。因此在采用相同负荷或保持相同的压入深度时
6、，努普硬度试验要比维氏硬度试验的测量误差小。c. 压入深度浅。努普硬度试验较之维氏硬度试验更适用于薄件及表面层的硬度试验。d. 当努普压头测定硬度时，其压痕边缘由挤压而引起的凸缘比维氏压痕浅，因而由此类凸缘产生的不精确性可大大减小。2、缺点a. 努普压头制造困难，因为努普压头的二相对棱夹角（尤其是第一对棱夹角17230）的误差对硬度值的影响要比维氏压头的二相对棱夹角的误差对硬度值的影响大得多。所以努普压头的二相对棱夹角的制造精度要求很高。b. 用努普压头测定某些材料（如各向异性的材料）的硬度时，其硬度随压头相对于材料的方向不同而有差异。因为努普硬度试验中只测量压痕的长对角线长，而维氏硬度试验中
7、常测量压痕的二条对角线长度，取其平均值以消除二垂直方向对角线长度不一致而带来的硬度值误差。c. 努普硬度试验中对试样表面光洁度要求更高。因为在压痕顶端产生的起伏不平对压痕对角线长度产生的误差比维氏压痕更敏感。d. 努普硬度试验时，对压头相对于度样表面的垂直度要求比维氏硬度试验要高。3.4 显微硬度测试要点显微硬度测量的准确程度与金相样品的表面质量有关，需经过磨光、抛光、浸蚀，以显示欲评定的组织。1. 试样的表面状态被评定试样的表面状态直接影响测试结果的可靠性。用机械方法制备的金相磨面，由于抛光时表层微量的范性变形，引起加工硬化，或者磨面表层由于形成氧化膜，因此所测得的显微硬度值较电解抛光磨面测
8、得的显微硬度值高。试样最好采用电解抛光，经适度浸蚀后立即测定显微硬度。2. 选择正确的加载部位压痕过分与晶界接近，或者延至晶界以外，那么测量结果会受到晶界或相邻第二相影响；如被测晶粒薄，压痕陷入下部晶粒，也将产生同样的影响。为了获得正确的显微硬度值，规定压痕位置距晶界至少一个压痕对角线长度，晶粒厚度至少10倍于压痕深度。为此，在选择测量对象时应取较大截面的晶粒，因为较小截面的晶粒其厚度有可能是较薄。3. 测量压痕尺度时压痕象的调焦在光学显微镜下所测得压痕对角线值与成像条件有关。孔径光栏减小，基体与压痕的衬度提高，压痕边缘渐趋清晰。一般认为：最佳的孔径光栏位置是使压痕的四个角变成黑暗，而四个棱边
9、清晰。对同一组测量数据，为获得一致的成像条件，应使孔径光栏保持相同数值。4试验负荷为保证测量的准确度，试验负荷在原则上应尽可能大，且压痕大小必须与晶粒大小成一定比例。特别在测定软基体上硬质点的硬度时，被测质点截面直径必须四倍于压痕对角线长，否则硬质点可能被压通，使基体性能影响测量数据。此外在测定脆性质点时，高负荷可能出现“压碎”现象。角上有裂纹的压痕表明负荷已超出材料的断裂强度，因而获得的硬度值是错误的，这时需调整负荷重新测量。5压痕的弹性回复对金刚石压头施一定负荷的力压入材料表面，表面将留下一个压痕，当负荷去除后，压痕将因金属的弹性回复而稍微缩小。弹性回复是金属的一种性质，它与金属的种类有关
10、，而与产生压痕的荷重无关。就是说不管荷重如何，压痕大小如何，弹性回复几乎是一个定值。因此，当荷重小时，压痕很小，而压痕因弹性回复而收缩的比例就比较大，根据回复后压痕尺寸求得的显微硬度值则比较高。这种现象的存在，使得不同荷重下测得的硬度值缺乏正确的比较标准，因此有必要建立显微硬度值的比较标准。3.5显微硬度值的比较标准与宏观硬度相比，显微硬度测量结果的精确性、重现性和可比较性均较差。同一材料，在不同仪器上，由不同试验人员测量往往会测得不同结果，即使同一材料，同一试验人员在同一仪器上测量，如果选取的载荷不同，其测量结果的差异也较大，难以进行比较。导致这一后果，不仅与仪器精度、试样制备优劣、样品成分
11、、组织结构的均匀有关，最主要的是在小负荷下载荷与压痕不遵守“几何相似定律”。宏观维氏硬度应用的公式是建立在“硬度与负荷无关”的几何相似定律基础之上的，其在10100Kg载荷下试验得到证实。然而在小负荷下（11000G）的试验结果表明：几何相似定律不再适用。由于压痕的弹性回复所致，使同一试样的相同测试对象在载荷变化时显微硬度值不相等。哈纳门（HANEMANN）提出：既然显微硬度值的差别是由压痕大小引起的，故此以一定尺寸的压痕对角线长度计算的硬度值H5，H10,H20作为显微硬度的比较标准。在硬度测试中，不可能得到完全与标准压痕相同的压痕长度，因此需要首先测出不同载荷的硬度值（56个），并绘出压痕
12、对角线长度D与显微硬度HM的关系曲线。再从曲线上求得H5，H10,H20。3.6显微硬度试验的优缺点及应用1 优点及应用显微硬度试验是一种真正的非破坏性试验，其得到的压痕小，压入深度浅，在试件表面留下的痕迹往往是非目力所能发现的，因而适用于各种零件及成品的硬度试验。可以测定各种原材料、毛坯、半成品的硬度，尤其是其它宏观硬度试验所无法测定的细小薄片零件和零件的特殊部位（如刃具的刀刃等），以及电镀层、氮化层、氧化层、渗碳层等表面层的硬度。可以对一些非金属脆性材料（如陶瓷、玻璃、矿石等）及成品进行硬度测试，不易产生碎裂。可以对试件的剖面沿试件的纵深方向按一定的间隔进行硬度测试（即称为硬度梯度的测试）
13、，以判定电镀、氮化、氧化或渗碳层等的厚度。可通过显微硬度试验间接地得到材料的一些其它性能。如材料的磨损系数、建筑材料中混凝土的结合力、瓷器的强度等。所得压痕为棱形，轮廓清楚，其对角线长度的测量精度高。2 缺点试件尺寸不可太大；如要知道材料或零件的硬度，则必须对试件进行多点硬度试验。对试件的表面质量要求较高，尤其是要求表面粗糙度要在RA0.05以上。对测试人员必须进行一定的训练。以保证测试人员的瞄准精度。对环境要求高，尤其是要求有严格的防振措施。四常用显微硬度计常用的显微硬度计按其结构特点可以分为两类：一类是专门的显微硬度计，另一类是作为金相显微镜上的显微硬度附件，即哈纳门型显微硬度计。苏联的M
14、T-3型，国产的71型，HX-1000型，日本的MVK型等均为专门的显微硬度计，哈纳门型的显微硬度计则是作为特殊的附件，装在“Neophot”及“MeF-3型”等大型金相显微镜上使用的。4.1 专门显微硬度计4.1.1 71型显微硬度计(1)、仪器结构图8-2是71型显微硬度计外形。该仪器主要有壳体、升降系统、工作台、加荷机构、光学系统和电子部分等组成。56211918372021516231242214131图8-2a 71型显微硬度计外形图（正向） 图8-2b 71型显微硬度计外型图（侧向）壳体由底座（1）、主体（2）和主体盖（3）三位一体连成的。仪器的大部分零件都封闭在壳体内，仪器由三只可调的安平螺丝支持着。琴键开关和指示灯（4）安装在仪器的底座的正前方，按下开关的红键，指示灯的绿灯亮，表明仪器的电子部分开始工作，可以进行下一步操作。光学系统安置在主体的左半部。由物镜、测微目镜、折射棱镜和照明等部分连接组成，测微目镜由滚花螺钉（5）固定在目镜管上，它是由装着读数装置的目镜组成的。内装有一块中间带点的十字虚线可移动划板，旋动测微手轮（6），十字叉线就在视场内移动，可以对压痕进行瞄准，（7）是照明插线，（8）是照明灯管，松开滚花螺钉（11），将偏心调节圈（10）连照明灯管（8）一起抽出，以便更换灯泡
