工程材料：金屬材料硬度測(cè)定

1、長(zhǎng)安大學(xué)材料學(xué)院一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解不同種類硬度測(cè)定的基本原理及常用硬度試驗(yàn)法的應(yīng)用范圍。 2學(xué)會(huì)使用布氏、洛氏、維氏硬度計(jì)并掌握相應(yīng)硬度的測(cè)試方法。 二、實(shí)驗(yàn)原理二、實(shí)驗(yàn)原理金屬的硬度可以認(rèn)為是金屬材料表面在接觸應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的一種能力。 常用的硬度試驗(yàn)方法有： 布氏硬度試驗(yàn)主要用于黑色、有色金屬原材料檢驗(yàn)，也可用于退火、正火鋼鐵零件的硬度測(cè)定。 洛氏硬度試驗(yàn)主要用于金屬材料熱處理后的產(chǎn)品硬度檢驗(yàn)。 維氏硬度試驗(yàn)主要用于薄板材或金屬表層的硬度測(cè)定以及較精確的硬度測(cè)定。 顯微硬度試驗(yàn)主要用于測(cè)定金屬材料的顯微組織組分或相組分的硬度。1布氏硬度 布氏硬度試驗(yàn)是施加一定大小的載

2、荷P，將直徑為D的鋼球壓入被測(cè)金屬表面(如圖1所示)保持一定時(shí)間，然后卸除載荷，根據(jù)鋼球在金屬表面上所壓出的凹痕面積F凹求出平均應(yīng)力值，以此作為硬度值的計(jì)量指標(biāo)，并用符號(hào)HB表示。 其計(jì)算公式如下： HB=P/F凹 1 式中： HB布氏硬度；P施加外力，N；F凹?jí)汉勖娣e，mm2。 根據(jù)壓痕面積和球面之比等于壓痕深度h和鋼球直徑之比的幾何關(guān)系，可知壓痕部分的球面面積為： F凹=Dh 2 式中 D鋼球直徑，mm；h壓痕深度，mm。 由于測(cè)量壓痕直徑d要比測(cè)定壓痕深度h容易，故可將式2中的h改換成d來(lái)表示，這樣可以根據(jù)幾何關(guān)系求出2222 1/2(/2)(/2)( /2) ()/2DhDdhDDd3

3、 將式(2)和式(3)代入式(1)即得：當(dāng)試驗(yàn)力是P的單位是N時(shí)： 式中的d是變數(shù)，故只需測(cè)出壓痕直徑d，根據(jù)已知D和P值就可以計(jì)算出HB值。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，可由壓痕直徑d直接查表得到HB值。222()PPHBFD DDd4 220.1020.204()PPHBFD DDd5 由于金屬材料有硬有軟，所測(cè)工件有厚有薄，若只采用同一種載荷(如29400N)和同一個(gè)鋼球直徑(如D=10mm)時(shí)，則對(duì)有些試樣合適，而對(duì)另一些試樣可能不合適，會(huì)發(fā)生整個(gè)鋼球陷入金屬中的現(xiàn)象；若對(duì)于厚的試樣合適，則對(duì)于薄的試樣可能會(huì)出現(xiàn)壓透的可能。所以在測(cè)定不同的材料布氏硬度值時(shí)要求有不同載荷P和不同直徑D的鋼球。為了得到統(tǒng)

4、一的可以進(jìn)行相互比較的數(shù)值，必須使D和P之間維持某一比值關(guān)系，以保證所得到的壓痕形狀的幾何相似關(guān)系，其必要條件就是使壓入角保 持不變。根據(jù)相似原理，由圖1中可知d和的關(guān)系是：sinsin2222DddD 以此代入式4得： 式6說(shuō)明，當(dāng)值為常數(shù)時(shí)，為使HB相同，P/D2也應(yīng)保持為一定值。因此對(duì)同一材料而言，不論采用何種大小的載荷和鋼球直徑，只要能滿足P/D2=常數(shù)，所得到的HB值是一樣的。對(duì)不同的材料來(lái)說(shuō)，得到的HB值也可以進(jìn)行比較。按照國(guó)標(biāo)的規(guī)定，P/D2比值有30、10和2.5三種，具體布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范和適用范圍可以參考表1。 22211 sin2PHBD62洛氏硬度 洛氏硬度試驗(yàn)常用的壓頭

5、為圓錐角=120、頂部曲率半徑為0.2mm的金剛石圓錐體或直徑D=1.588mm的淬火鋼球。試驗(yàn)時(shí)(圖2)，先對(duì)試樣施加初試驗(yàn)力F0，在金屬表面得一壓痕深度h0，以此作為測(cè)量壓痕深度的基線。隨后再加上主試驗(yàn)力F1，此時(shí)壓痕深度的增量為h1。金屬在F1作用下產(chǎn)生的總變形h1中包括彈性變形和塑性變形。當(dāng)將F1卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)，使壓頭回升一段距離。于是得到金屬在F0作用下的殘余壓痕深度h(將此壓痕深度h表示成e，其值以0.002mm為單位表示)，e值愈大表明金屬洛氏硬度愈低；反之，則表示硬度愈高。 為了照顧習(xí)慣上數(shù)值愈大硬度愈高的概念，故用一個(gè)常數(shù)k減去e來(lái)表示洛氏硬度值，并以符號(hào)HR

6、表示，即： HR=k-e 7 當(dāng)使用金剛石圓錐體壓頭時(shí)，常數(shù)k定為100；當(dāng)使用淬火鋼球壓頭時(shí)，常數(shù)k定為130。 實(shí)際測(cè)定洛氏硬度時(shí)，由于在硬度計(jì)的壓頭上方裝有百分表，可直接測(cè)出壓痕深度，并按式7換算出相應(yīng)的硬度值。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中金屬的洛氏硬度值可直接讀出。 為了測(cè)定軟硬不同的金屬材料的硬度，在洛氏硬度計(jì)上可選配不同的壓頭與試驗(yàn)力，組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺。每一種標(biāo)尺用一個(gè)字母在HR后注明。我國(guó)最常用的標(biāo)尺有A、B、C三種，其硬度值的符號(hào)分別用HRA、HRB、HRC表示。洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范和適用范圍見(jiàn)表2。 3維氏硬度 維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)

7、力來(lái)表示維氏硬度值。所不同的是維氏硬度用的壓頭不是球體而是兩對(duì)面夾角=136的金剛石四棱錐體。壓頭在試驗(yàn)力F(單位是kgf或N)作用下，將試樣表面壓一個(gè)四棱錐形壓痕，經(jīng)規(guī)定時(shí)間保持載荷之后，卸除試驗(yàn)力，由讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度d 122ddd8 式中d1和 d2分別是兩個(gè)不同方向的對(duì)角線長(zhǎng)度，用以計(jì)算壓痕的表面積。所以維氏硬度值(HV)就是試驗(yàn)力P除以壓痕表面積F所得的商。當(dāng)試驗(yàn)力P為kgf(9.8N)時(shí)計(jì)算公式如下： 當(dāng)試驗(yàn)力P為N時(shí)計(jì)算公式如下： 222sin(136 /2)1.8544PPPHVVdd9 220.1020.204 sin(136 /2)1.891PPPHVFdd

8、10 與布氏硬度一樣，維氏硬度值也不標(biāo)注單位。維氏硬度值的表示方法是：在HV前書(shū)寫(xiě)硬度值，HV后按順序用數(shù)字表示試驗(yàn)條件(試驗(yàn)力/試驗(yàn)力保持時(shí)間，保持時(shí)間為10-15s者不標(biāo))。例如640HV30/20表示用30kgf(294N)試驗(yàn)力保持20s測(cè)定的維氏硬度值為640。如果試驗(yàn)力為1kgf(9.8N)，試驗(yàn)加載保持時(shí)間10-15s，測(cè)得的硬度值為560，則可表示為560HV1。 維氏硬度試驗(yàn)的試驗(yàn)力為5(49)-100(980)kgf(N)，小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)的試驗(yàn)力為0.2(1.96)-5(49)kgf(N)，可根據(jù)試樣材料的硬度范圍和厚度來(lái)選擇。其選擇原則應(yīng)保證試驗(yàn)后壓痕深度h小于試樣厚

9、度(或表面層厚度)的1/10。 在一般情況下，建議選用試驗(yàn)力30kgf(294N)。當(dāng)被測(cè)金屬試樣組織較粗大時(shí)，也可選用較大試驗(yàn)力。但當(dāng)材料硬度500HV時(shí)，不宜選用大試驗(yàn)力，以免損壞壓頭。試樣力的保持時(shí)間，黑色金屬10-15s，有色金屬302s。 4顯微硬度 金屬顯微硬度試驗(yàn)原理與宏觀維氏硬度試驗(yàn)法完全相同。只不過(guò)所用試驗(yàn)力比小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)力試驗(yàn)時(shí)還要小，通常在0.01-0.2kgf(0.098-1.96N)范圍內(nèi)。所得壓痕對(duì)角線也只有幾微米至幾十微米。因此，顯微硬度是研究金屬微觀組織性能的重要手段。常用于測(cè)定合金中不同的相、表面硬化層、化學(xué)熱處理滲層、鍍層及金屬箔等的顯微硬度。 金屬顯

10、微硬度的符號(hào)、硬度值的計(jì)算公式和表示方法與宏觀維氏硬度試驗(yàn)法完全相同。金屬顯微硬度試驗(yàn)的試驗(yàn)力，分為0.01(9.810-2)、0.02(0.196)、0.05(0.49)、0.1(0.98)及0.2(1.96) kgf(N)等五級(jí)，盡可能選用較大的試驗(yàn)力進(jìn)行試驗(yàn)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料 1硬度計(jì)：布氏、洛氏、維氏及顯微硬度計(jì)。 2讀數(shù)顯微鏡：最小分度值為0.01mm。 3標(biāo)準(zhǔn)硬度塊：不同硬度試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)硬度 塊。 4. 材料：20、45、T8、T12鋼退火態(tài)、正火態(tài)、 淬火態(tài)及回火態(tài)試樣，2024、7075、6063退火 態(tài)及時(shí)效態(tài)試樣，尺寸為2010mm。四、實(shí)驗(yàn)步驟與方法

11、四、實(shí)驗(yàn)步驟與方法 1了解各種硬度計(jì)的構(gòu)造、原理、使用方法、 操作規(guī)程和安全注意事項(xiàng)。 2對(duì)各種試樣選擇合適的試驗(yàn)方法和儀器，確 定實(shí)驗(yàn)條件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和試樣條件選擇壓 頭、載荷(砝碼)。 3用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊校驗(yàn)硬度計(jì)。校驗(yàn)的硬度值不 應(yīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)硬度塊硬度值的3%(布氏)或 (1%-1.5%)(洛氏)。 4試樣支撐面、工作臺(tái)和壓頭表面應(yīng)清潔。試 樣平穩(wěn)地放在工作臺(tái)上，保證試驗(yàn)加載過(guò)程 中不發(fā)生移動(dòng)和翹曲，試驗(yàn)力平穩(wěn)地加在試 樣上，不得造成沖擊和震動(dòng)，施力方向與試 樣表面垂直。保持載荷規(guī)定的時(shí)間(對(duì)布氏、 維氏硬度，卸去載荷后用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量壓 痕尺寸，計(jì)算或查表)，卸去載荷準(zhǔn)確地記錄 試驗(yàn)數(shù)據(jù)。五、

12、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1試樣兩端要平行，表面應(yīng)平整，若有油污或 氧化皮，可用砂紙打磨，以免影響測(cè)量。 2圓柱形試樣應(yīng)放在帶有“V”形槽的工作臺(tái)上操 作，以防試樣滾動(dòng)。 3加載時(shí)應(yīng)細(xì)心操作，以免損壞壓頭。 4測(cè)完硬度值，卸掉載荷后，必須使壓頭完全 離開(kāi)試樣后再取下試樣。 5金剛石壓頭系貴重物件，質(zhì)硬而脆，使用時(shí) 要小心謹(jǐn)慎，嚴(yán)禁與試樣或其他物件碰撞。 6應(yīng)根據(jù)硬度試驗(yàn)機(jī)的使用范圍，按規(guī)定合理 選用不同的載荷和壓頭，超過(guò)使用范圍，將不 能獲得準(zhǔn)確的硬度值。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1簡(jiǎn)述布氏硬度和洛氏硬度的試驗(yàn)原理、優(yōu)缺 點(diǎn)及應(yīng)用。 2設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表內(nèi)，對(duì)結(jié) 果進(jìn)行

13、分析并進(jìn)行必要的硬度值換算。 3分析用布氏硬度試驗(yàn)方法能否直接測(cè)量成品 或較薄的工件。圖1 布氏硬度的實(shí)驗(yàn)原理圖2 洛氏硬度的試驗(yàn)原理 表1 布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范材 料硬度范圍HB試樣厚度/mmP/D2鋼球直徑/mm載 荷P/N載何保持時(shí)間/s黑色金屬140-4501406-34-266-366-366-332.51052.52450612.5152.8860表2 各種洛氏硬度值的符號(hào)、試驗(yàn)條件和應(yīng)用標(biāo) 尺壓頭類型初始試驗(yàn)力/kgf(N)主試驗(yàn)力/kgf(N)硬度值測(cè)量范圍應(yīng)用實(shí)例HRA120金剛石圓錐體10(98)50(490)65-85高硬度的薄件、表面處理鋼件、硬質(zhì)合金等HRC140(1372)20-67硬度大于100HRB的淬火及回火鋼、鈦合金等HRB1.588mm淬火鋼球90(882)25-100銅合金、鋁合金、退火鋼材、可鍛鑄鐵等HRD120金剛石圓錐體90(882)40