显微硬度讲解

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1.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бb≈0.36HB)。测定材料的硬度,定性分析材料的组织、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φ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：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(Φ=1.588mm)压头时，常数K为0.26mm，硬度值由红色表盘表示.0.002KhHR•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。标度符号压头总载荷N(kg)表盘上刻度颜色常用硬度值范围应用举例HRA金刚石圆锥588.6(60)黑色70~85碳化物、硬质合金、表面淬火钢等HRB1.588mm钢球981(100)红色25~100软钢、退火钢、铜合金HRC金刚石圆锥1471.5(150)黑色20~67淬火钢、调质钢等HRD金刚石圆锥981(100)黑色40~77薄钢板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm钢球981(100)红色70~100铸铁、铝、镁合金、轴承合金HRF1.588mm钢球588.6(60)红色40~100薄板软钢、退火铜合金HRG1.588mm钢球1471.5(150)红色31~94磷青铜、铍青铜HRH3.175mm钢球588.6(60)红色铝、锌、铅表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。•金属洛氏试验执行的现行标准为：GB/T230.1－2004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DWTIME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；•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Φ2.5mm，Φ5mm，Φ10mm三种;•载荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、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2/sin2nndPDAAD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金属类型布氏硬度范围HB试件厚度mm载荷P与压头直径D的关系钢球直径D,mm载荷P,kg载荷保持时间，s黑色金属140~1506~34~32P=30D2105.02.53000750187.51014066~33P=10D2105.02.5100025062.510有色金属1306~34~32P=30D2105.02.53000750187.53036~1309~-36~33P=10D2105.02.5100025062.5308~3566~33P=2.5D2105.02.525062.515.6303.2布氏硬度的表示方法•用Φ10mm钢球，在3000kg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Φ10mm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σb间存在一定换算关系。见表3。材料硬度值HB-Rm近似换算关系钢125~175175Rm≈0.343HB×10MN/m2Rm≈0.362HB×10MN/m2铸铝合金Rm≈0.26HB×10MN/m2退火黄铜、青铜Rm≈0.55HB×10MN/m2冷加工后黄铜、青铜Rm≈0.40HB×10MN/m2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：GB231.1－2002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=d2/2sin68ْ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•640HV30表示用136°金刚石压头在294.2N试验力作用下保持10～15秒测得的维氏硬度值为640。•640HV30/20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/T4340.1－1999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，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)；d——压痕对角线长度(μm)。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(μ