硬度测试技术

硬度测试技术硬度的概念•硬度，是材料对一更硬物体压入其内时所表现的抵抗能力。•硬度试验与其它机械性能试验如拉伸、弯曲试验等比较，具有下列特点：⒈试验后工件不被破坏；⒉可以在各种形状和尺寸的试件上进行试验，不需要特别试样；⒊试验方法简单，操作方便，测量迅速；⒋材料的硬度与其强度极限有近似的正比关系：σb=KHB公斤/毫米2式中K为一系数，不同的材料和不同的热处理状态其K值不同。例如碳钢的K值为0.36，调制状态的合金钢为0.34。常用的硬度测试试验方法有：•布氏硬度•洛氏硬度•维氏硬度•显微硬度•理氏硬度•邵氏硬度•莫氏硬度一、布氏硬度1、布氏硬度的测量原理选择一定的载荷P，把直径为D的淬火钢球压入试件表面并保持一定时间，然后卸去载荷，测量钢球在试样表面压出的压痕直径d，计算出压痕面积，算出载荷P与压痕面积的比值，这个比值所表示的硬度就是布氏硬度，用符号HB表示。布氏硬度的测量原理如图所示。布氏硬度计试验原理示意图•布氏硬度的单位为kg/mm2，如HB200，若要换算成国际单位MPa，需要将硬度值乘以9.81。•布氏硬度的压头钢球直径有Φ2.5mm，Φ5mm，Φ10mm三种，载荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种。2、布氏硬度的测试步骤布氏硬度计使用的步骤如下：⒈根据试件材料选择合适的压头和载荷。⒉加预载。⒊加主载并保持一定的时间。⒋卸载。⒌将试样取下，用带刻度的低倍放大镜测压痕直径d。⒍查《压痕直径与布氏硬度对照表》得到布氏硬度值。3、布氏硬度的特点•布氏硬度试验的优点是其硬度代表性全面，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性能，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响。因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料；试验数据稳定，数据重复性强，此外，布氏硬度值和抗拉强度σb间存在一定换算关系。布氏硬度与抗拉强度的关系•布氏硬度试验的缺点：其压头为淬火钢球。由于钢球本身的变形问题，致使不难试验太硬的材料。一般在HB450以上就不能使用；由于压痕较大，成品检验有困难；试验过程比洛氏硬度较为复杂，不能由硬度计上直接读数（需用带刻度的低倍放大镜测出压痕直径，然后通过查表得到布氏硬度值）。4、布氏硬度用以下方法表示：符号HBW前面的数值为硬度值，符号后面为试验条件，即球直径、mm、试验力数字及试验力维持时间，使用规定的维持时间(10-15s)则不用标注。•例如：350HBW5/750－－用5mm硬质合金球，在750kgf试验力下维持10-15s，测得的硬度值为350（10—15s为标准时间，不用标注）•600HBW1/30/20－－用1mm硬质合金球，在30kgf试验力下维持20s，测得的布氏硬度值为600.二、洛氏硬度•洛氏硬度法是采用金刚石圆锥体（锥角为120°）和采用淬火钢球（直径为1.588毫米）做压头。一般较硬的金属材料（如淬火后的工件）用金刚石压头；较软的金属材料则用钢球压头。•洛氏硬度的测试原理是根据压头压入试样表面的不可变的压痕深度来比较材料的硬度数值的高低。•洛氏硬度值HR为一无名数，试验时一般由试验机指示器上直接读出。•洛氏硬度的三种标尺中，以HRC应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度HRC与布氏硬度HBS之间关系约为1：10，如40HRC相当于400HBS。如50HRC，表示用HRC标尺测定的洛氏硬度值为50。•根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：•HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。•HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。•HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。•洛氏适用于硬质合金、渗碳钢、淬火钢、硬铸铁及软铜、铝合金、铜合金。洛氏试验力一般是60KG、100KG、150KG•表面洛氏适用于硬质合金、渗碳层和其它化学处理层及薄形零件表面洛氏试验力一般为15KG、30KG、45KG洛氏硬度与其它硬度及强度换算表•所用标尺有A、B、C、D、E、F、G、H、K等9个标尺。其中常用于钢材硬度试验的标尺一般为A、B、C，即HRA、HRB、HRC。三个标尺适用范围如下：•HRA（金刚石圆锥压头）20-88•HRC（金刚石圆锥压头）20-70•HRB（直径1.588mm钢球压头）20-100•洛氏硬度试验是目前应用很广的方法，其中HRC在钢管标准中使用仅次于布氏硬度HB。•洛氏硬度可适用于测定由极软到极硬的金属材料，它弥补了布氏法的不是，较布氏法简便，可直接从硬度机的表盘读出硬度值三、维氏硬度•由于布氏硬度试验法存在钢球变形问题，限制它不能用于测试高硬度材料（＞450HBW），洛氏硬度试验法虽可测定各种金属的硬度，但需采用不同的标度，不同标度测定的硬度又不能直接换算，因此出现了维氏硬度试验法。•维氏硬度测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据单位压痕陷凹面积上所受的载荷，即应力值作为硬度值的计量指标。所不同的是维氏硬度采用了锥面夹角为136°的金刚石四方角锥体。这时由于压入角φ恒定不变，使得载荷改变时，压痕的几何形状相似。因此，在维氏硬度试验中，载荷可以任意选择，而所得硬度值相同，这是维氏硬度试验最主要的特点，也是最大的优点。•维氏硬度计原理采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。维氏硬度值按式１计算：HV=常数×试验力/压痕表面积≈0.1891F／d2式中：HV—维氏硬度符号；F――试验力，N；d——压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。压痕对角线与维氏硬度对照表•维氏硬度试验法的优点：不存在布氏硬度试验时，要求载荷P和压头直径D所规定条件的约束，以及压头变形问题，也不存在洛氏硬度法那种硬度值无法统一的问题。不仅载荷可以任意选取，而且材质不论软硬，测量数据稳定可靠，精度高。•基于以上优点，维氏硬度法广泛应用于材料试验研究工作中。在热处理工艺质量检验中，常用低负荷维氏硬度测定表面淬火时硬化层深度和化学热处理（如渗氮）件表面硬度和薄件硬度等。•维氏硬度试验法的缺点：硬度值需通过测量对角线长度后才能计算（或查表）出来，因此测量效率不如洛氏硬度高。•维氏硬度的表示方法640HV30/20——用30Kgf（294.2N）试验力保持20S（秒）测定的维氏硬度值为640N/mm2(MPa)。维氏硬度试验的注意事项和局限性•1.载荷的选择当压痕太小不能获得准确的读数时，应当加大载荷；如果压痕太大，应当减小载荷。新材料做试验时，经常需要对压头进行一些试验，以确定最佳载荷。•2.压痕的间距布氏和洛氏试验时的压痕间距的原则，也使用于维氏（或努氏）硬度试验。其基本原则为两压痕间距应大于两压痕产生任何应力变形范围的两倍，亦即保证硬度试验不受两压痕变形重叠的影响。•3.硬度值与载荷值的关系由于维氏硬度试验压痕的几何形状相似，似乎硬度值与压头载荷值无关。但是随着显微硬度的广泛使用发现，硬度值随载荷值而变化，如图6-9可以看出，维氏和努氏显微硬度随载荷增大呈现相反的变化，前者硬度值上升，后者下降。当载荷较大时，维氏和努氏硬度值均趋于与载荷无关的常值，但维氏硬度值略高于努氏硬度值。•4.显微硬度可用于微小零件、超薄件、细丝和软薄材料，可以采用金相镶嵌技术。•对于软材料（如塑料薄板、油漆等）和极薄涂层（如各种表面涂层），需要采用极轻的载荷（如0.5gf），这时应避免振动。四、显微硬度•如果用小的载荷把硬度测试的范围缩小到显微尺度以内就称为显微硬度。显微硬度是金相分析中常用的测试手段之一。它和一般硬度测定的原理及方法一样，只是加在锥形金刚石压头上的负荷极小，从数克到数百克，因此在试样上所留的压痕也极微小，压痕对角线一般只有几个微米到几十个微米，这么小的压痕必须用金相显微镜才能测量。因而使得欲评定某一相或结构组分的硬度成为可能，进而为组织分析或性能分析提供依据。•显微硬度计类型很多，按结构来分主要有金刚石压头装入物镜和压头单独使用两种。五、理氏硬度•硬度值的定义为冲击体反弹速度（υB）与冲击速度（υA）之比乘以1000•材料越硬，其反弹速度也越大。•理氏硬度优、缺点：⑴携带方便，测量头很小，适用于各种大型、重型工件和工件内壁（曲率半径大于30mm的曲面）的硬度检测。⑵操作简便，主观因素造成的误差小。⑶对被测试件表面损伤极小。⑷理氏硬度的物理意义不够明确•六、邵氏硬度基本概念•试验范围：邵氏硬度用于确定塑料或橡胶等软性材料的相对硬度。它测量了规定压针在指定压强和时间条件下的针入度。硬度值用来识别或指定特殊硬度的塑料，也可作为多批材料的质量控制。•试验方法：•将试样置于硬而平的台面上，把硬度计的压针压入试样内，并保证它与台面平行。七、莫氏硬度•刻划硬度是硬度测试的最古老方式，以一个固体物被另一固体物擦刻划伤（scratch）来确定、判别。所以，莫氏硬度是一种划痕硬度，它是以材料抵抗划痕的能力作为衡量硬度的依据。莫氏硬度首先由矿物学家和宝石收集、检验师采用，主要用于无机非金属材料，特别是矿物。•莫氏硬度不能很好适用金属，这是因为较硬的金属的莫氏硬度值在4-~8之间，不能很好划分细的等级，同时硬度值的测试与刻划端的位向和倾斜角度相关，这些是难以事先确切了解的。