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不确定度分析培训教程七Preparedby:fjhuangFeb.15,2017第七章硬度测量不确定度分析-2-第七章硬度测量不确定度分析1.前言-3-硬度的定义硬度：物理学专业术语，材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。硬度是材料机械性能的一种整体综合指标。硬度值与材料的弹性极限、弹性模量、屈服极限、脆性、材料的结晶状态、原子间键结合力和原子结构等都有关系,硬度测定的特点是不损坏工件、操作方便、迅速、效率高。由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。第七章硬度测量不确定度分析-4-第七章硬度测量不确定度分析基本概念根据不同的测试方法，对硬度进行了一个分类说明：静压入试验——用以测定材料对永久变形的抗力。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度划痕试验——测定材料对破裂的抗力。观察一种材料是否能被另一种材料划痕.马氏划痕硬度、莫氏划痕硬度犁槽试验——将一钝头元件（通常为金刚石）以一定的载荷和相似条件下划过表面，以划痕宽度作为硬度的度量标准。比尔鲍姆硬度试验(Bierbaum)-5-第七章硬度测量不确定度分析回跳试验——或称弹性回跳法,测定材料对弹性变形的抗力.使一标准质量和尺寸的物体由试验表面弹回,取回跳高度作为硬度标准。肖氏硬度阻尼试验——也称摇摆试验,测定材料对永久变形的抗力.摇摆法硬度磨损试验——将试样压在一正在转动的圆盘上,以磨耗率作为硬度的度量标准冲蚀试验——在标准条件下将磨料冲射到试验表面上,以在一定时间内损失的材料重量作为硬度的度量标准-6-第七章硬度测量不确定度分析静压入硬度试验定义：抵抗永久压痕的能力.原理：在一定的时间间隔里,将硬质压头压入所要测试的金属表面,然后测量压痕的深度或大小.优点:材料的硬度和其他物理特性之间存在着某种关系,是一种非破坏性试验.分类：宏观硬度-通常载荷在1KG以上.显微硬度-通常载荷小于1KG(1g-500g).纳米硬度-通常在更小的载荷范围.-7-以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面,保持一段时间,去载后,负荷与其压痕面积之比值,即为布氏硬度值(HB),单位为公斤力/mm2(N/mm2).布氏硬度(HB)常用的静压入硬度试验方法-8-第七章硬度测量不确定度分析布氏硬度试验(GB231&JJG150)GB/T231.1-2009金属材料布氏硬度试验第1部分试验方法.GB/T231.2-2002金属材料布氏硬度试验第2部分硬度计的检验与校准.GB/T231.3-2002金属材料布氏硬度试验第3部分标准硬度块的标定.GB/T231.4-2009金属材料布氏硬度试验第4部分硬度值表.JJG150-2005布氏硬度计检定规程-9-第七章硬度测量不确定度分析布氏硬度试验法的测试原理：在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压入到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕球缺的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值。布氏硬度原理布氏硬度试验原理示意图-10-第七章硬度测量不确定度分析压头：硬质合金钢球（GB/T231.1-2009）--HBW，旧版本还可用淬火钢球—HBS。现己取消布氏硬度符号表示为HBW。按布氏硬度定义HBW=F／A。压痕为一球冠形。压痕面积为：A=πDh；则HBW=F/A=F/πDh从图中看出：D—钢球直径/mm；d—压痕直径/mm；F—加在钢球上的实验力/N；h—压痕深度/mm；则有：-11-第七章硬度测量不确定度分析因为在同际单位制(SI)中,现行力值的计算单位由千克力(kgf)改为牛顿(简称牛N).两种单位的换算关系为:1kgf=9.80665N；1N=0.101972kfg≈0.102kgf.根据国际标准化组织(ISO)的规定.为了保持原硬度试验中的硬度数值不变,布氏硬度值计算公式相应改变为:注：力值单位为-牛N,以上公式与新修订的GB／T231.1—2002现行标准相同。一般硬度检测时均不必用以上公式出计算,而是在测得压痕直径(d)后，通过查表得到硬度值(N/mm2)-12-第七章硬度测量不确定度分析注: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。可根据材料的软硬不同选择配合使用。布氏硬度计使用的步骤如下：①根据试件材料选择合适的压头和载荷。②加预载。③加主载并保持一定的时间。④卸载。⑤将试样取下,用带刻度的低倍放大镜测压痕直径d。⑥查《压痕直径与布氏硬度对照表》得到布氏硬度值。-13-第七章硬度测量不确定度分析布氏硬度表达方式硬质合金球直径,mm硬度符号施加的试验力对应的kgf值，这里30kgf=294.2N试验力保持时间（20s),如果不在规定的时间范围（10s到20s)布氏硬度值600HBW1/30/20-14-第七章硬度测量不确定度分析布氏硬度测试试验力的选择1.试验力的选择应保证压痕直径在0.24D~0.6D之间.2.试验力--压头球直径平方的比率(0.102F/D2比值)应根据材料和硬度值进行选择.3.当试样尺寸允许时，应优先选用直径10mm的球压头进行试验.-15-第七章硬度测量不确定度分析当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量.它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球,在一定载荷下压入被测材料表面,由压痕的深度求出材料的硬度.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)。洛氏硬度(HR)-16-第七章硬度测量不确定度分析洛氏硬度试验(GB/T230)GB/T230.1-2009金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)GB/T230.2-2012金属材料洛氏硬度试验第2部分:硬度计的检验GB/T230.3-2009金属材料洛氏硬度试验第3部分标准硬度块的标定JJG112-2003金属洛氏硬度计检定规程金属洛氏硬度试验方法标准修改采用了国际标准ISO6508-1：2005。ISO6508由三部分构成：ISO6508-1，ISO6508-2和ISO6508-3-17-第七章硬度测量不确定度分析洛氏硬度试验使用测量压痕深度的原理计算硬度值.试验时,对试样首先施加初试验力F0，产生一个压痕深度h0，然后施加主试验力F1，此时产生一个压痕深度增量h1，第二个步骤是在总试验力作用下进行的，总压痕深度为h0+h1。在此条件下经过规定保持时间后,卸除主试验力,测量在初试验下的残留的压痕深度.洛氏硬度与表面洛氏硬度的区别在于：洛氏硬度单位为0.002mm；而表面洛氏硬度单位为0.001mm。洛氏硬度＝标尺硬度数－（残余压痕深度/标尺单位）HR（A、C、D）=100－(h/0.002)HR（B、E、F、G、H、K）=130－(h/0.002)HR（N、T）=100－(h/0.001)洛氏硬度试验原理-18-以金刚石圆锥或钢球作压头压入金属表面,先后两次施加载荷:初负荷(通常10kg)及总负荷(初负荷加主负荷)60、100、150kg,由两次负荷压痕深度之差,求得洛氏硬度.洛氏硬度按所选压头和负荷不同分为15种:HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV,以HRA、HRC、HRB最为常用测量-19-测量-20-第七章硬度测量不确定度分析符号的表示1S—用S表示规定标尺的单位，对于洛氏硬度为0.002mm；对表面洛氏硬度为0.001mm。2h—压痕残余深度，在试验中，首先施加初试验力，然后施加主试验力，在总试验力下保持规定时间后，卸除主试验力，在保持初试验力的条件下测量的压痕深度即为压痕残余深度h。3h/S—新标准中用h/S取代了e。在GB/T230-91和GB/T1818-94中，规定用e表示压痕残余深度增量，其定义为：去除主试验力后，在初始试验力下的残余压痕深度增量，分别用0.002mm和0.001mm为单位表示。新标准中用残余压痕深度增量h与洛氏硬度单位S之比表示，概念比较明确，即以洛氏硬度数表示压痕残余深度。-21-第七章硬度测量不确定度分析4N—规定标尺的洛氏硬度数，对于洛氏硬度试验，当使用金刚石压头时，满程硬度数为100，当使用球压头时，满程硬度数为130，对于表面洛氏硬度试验，满程硬度数为100。5HR－对各标尺洛氏硬度，是用规定标尺满程硬度数减去以相应标尺单位表示的硬度个数，即洛氏硬度=N－h/s对于HRA、HRC和HRD标尺为100－h/0.002；对于HRB、HRE、HRF、HRG和HRK用球压头试验的标尺，为130－h/0.002；对于表面洛氏硬度HRN和HRT标尺，为100－h/0.001。-22-第七章硬度测量不确定度分析应用范围1）N标尺----15N、30N、45N金刚石压头2）T标尺----15T、30T、45T1.5875mm球3）A、C、D标尺-----金刚石压头4）B、F、G标尺-----1.5875mm球5）E、H、K标尺-----3.175mm球-23-第七章硬度测量不确定度分析洛氏硬度计的检验标准中对洛氏硬度计的检验分为检查硬度计基本功能的直接检验和检查硬度计综合性能的间接检验方法。直接检验1、试验力的检查初试验力F0允许误差不大于标称值的±2.0%，这个允许误差包括在主试验力F1施加前和卸除后两种条件下的初试验力检查。总试验力F的允许误差不大于标称值的±1.0%，其中F的每一单个测量值均应在此允许误差之内。-24-第七章硬度测量不确定度分析2、压头的检验在洛氏硬度试验中，使用两种类型的压头，即金刚石圆锥压头和球压头。a.金刚石圆锥压头的检验金刚石圆锥压头的检验分直接检验和间接检验。在直接检验中要求：－在0.3mm压入深度内金刚石圆锥球面应抛光，并无表面缺陷，锥面与球面应完全相切。－在四个以上等间隔的截面测量压头形状。－金刚石圆锥顶角应为120±0.35°，在邻近结合处金刚石圆锥母线直线度偏差在0.4mm内应不大于0.002mm。－金刚石圆锥体轴线与压头柄轴线夹角应小于0.5°。在间接检验中，按给出的硬度级别进行标定的四个标准块上对压头进行检验b.球压头的检验－球压头包括钢球和硬质合金球。球的表面应抛光，并且没有表面缺陷；－球的直径允许偏差在三个以上位置测量，应符合相关要求；－钢球的维氏硬度应不低于750HV10（曲面修正后的值）；－硬质合金球的维氏硬度应不低于1500HV10（曲面修正后的值）。-25-第七章硬度测量不确定度分析维氏硬度英文词条名：Vickers-hardness表示材料硬度的一种标准。由英国科学家维克斯首先提出。①以49.03~980.7N的负荷,将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后,用测量压痕对角线长度,再按公式来计算硬度的大小.它适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。②维氏硬度尚有小负荷维氏硬度,试验负荷1.961~49.03N,它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定；③显微维氏硬度,试验负荷1.961N,适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。维氏硬度试验-26-第七章硬度测量不确定度分析维氏显微硬度试验(GB4342)GB/T4342-91金属显微维氏硬度试验方法GB/T5030-