金屬材料硬度測定

實驗2 金屬材料硬度測定一、實驗?zāi)康?. 掌握金屬布氏、洛氏、維氏硬度的試驗原理和測定方法。2. 了解各種硬度試驗方法的特點、應(yīng)用范圍及選用原則。3. 學(xué)會正確使用各種硬度計。 二、實驗原理硬度是材料力學(xué)性能的重要指標之一，而硬度試驗則是判斷金屬材料或零件質(zhì)量的重要手段。由于金屬的硬度與其他機械性能有相互對應(yīng)關(guān)系，因此，大多數(shù)金屬材料可以通過測定硬度近似地推算出其他機械性能，如強度、疲勞、蠕變和磨損等。金屬硬度試驗是一種較為迅速而經(jīng)濟的力學(xué)性能試驗方法，在生產(chǎn)及科研中應(yīng)用非常廣泛。硬度試驗方法有很多，最常用的有：布什法、洛氏法、維氏法和顯微維氏法。1. 金屬材料布氏硬度布什硬度試驗是將直徑為D（mm）的硬質(zhì)鋼球，以相應(yīng)的試驗力F（kgf）壓入被測金屬表面（如圖所示）經(jīng)規(guī)定保持時間t（s）后卸除外力，測量試樣表面的球形壓痕直徑d（mm），求壓痕表面積A（mm2）。將單位壓痕面積承受的平均壓力（F/A）定義為布什硬度，其符號用HB表示。F圖2-1 布氏硬度試驗原理圖（a）鋼球壓入試樣表面 （b）卸去載體后測定壓痕直徑（a）（b）其計算公式如下： （2-1）式中 h壓痕凹陷的深度，mm；Dh為壓痕的表面積，mm2布氏硬度的單位為kgf/mm2，但一般不標注單位。如載荷的單位用牛頓(N)， 則布氏硬度的單位變?yōu)镸Pa，上式的右端應(yīng)乘以0.102。式中的d是變數(shù)，故只需測出壓痕直徑d，根據(jù)D和F值就可以計算出HB值。在實際測量時，可由壓痕直徑d直徑查表得到HB值。壓痕直徑是用讀數(shù)顯微鏡測量的，其使用方法參照圖2-2。.在讀數(shù)顯微鏡的測微目鏡組中裝有兩塊上下分劃板，上分劃板刻有08毫米長的標尺，標尺每格的格值為1毫米（見圖2-2a）。下分劃板裝在上分劃板的下面，其上刻有一條長刻線，并和上分劃板的標尺相垂直（見圖2-2a）。當(dāng)旋動讀數(shù)指示套時，下分劃板可左右移動，而上分劃板則固定不動。讀數(shù)指示套由0100劃分了100個小格，每一小格的單位是0.01毫米（見圖2-2b）。 使用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑時，將儀器置于被測試樣上，并使讀數(shù)顯微鏡的入光孔朝向光線，被測試樣用自然光或燈光照射，然后調(diào)節(jié)目鏡焦距，使視場中同時看清分劃板和物象。進行測量時，先旋動讀數(shù)指示套，使刻有長絲的下分劃板移動，同時稍微移動讀數(shù)顯微鏡，使豎直長絲與被測壓痕的一邊相切，得一讀數(shù)，然后再旋動讀數(shù)指示套，使豎直長絲與被測壓痕的另一邊相切，又得一讀數(shù)，二者之差即為被測壓痕的直徑。圖2-2 讀數(shù)顯微鏡測量示意圖（a）測量示例（b）讀數(shù)顯示套布氏硬度值的表示方法，一般記為“數(shù)字+硬度符號(HBW)+數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字”的形式，符號前面的數(shù)字為硬度值，符號后面的數(shù)字依次表示鋼球直徑、載荷大小及載荷保持時間等試驗條件。例如，當(dāng)用5mm鋼球，在3000kgf載荷作用下保持 30 s時測得的硬度值為600，則記為600HBW10/3000/30。當(dāng)保持時間為1015s時可不標注。球體直徑D規(guī)定有四種：10、5、2.5和1mm。主要根據(jù)試樣厚度來選擇，試樣厚度至少應(yīng)為壓痕深度的8倍。在試樣厚度允許的條件下，應(yīng)盡可能選用較大直徑的球體作壓頭，從而得到能夠真實反映出金屬平均硬度的較大壓痕。 布氏硬度試驗的基本條件是載荷P和壓球直徑D必須事先確定，只有這樣所得的數(shù)據(jù)才能進行相互比較。對于材料相同而厚薄不同的工件，為了測得相同的布氏硬度值，在選配壓頭直徑D及試驗力F時，應(yīng)保證得到幾何相似的壓痕（即壓痕的壓入角保持不變）。從圖2-2中可看出，和d的關(guān)系代入（2-1）式后得： （2-3）由公式（2-2）可知要保證同一材料得到相同的硬度值，必須使F/D2為常數(shù)。這樣對于不同材料來講，得到的硬度值也可以進行比較。對于軟硬不同的材料，為了測得統(tǒng)一的、可資比較的硬度值，應(yīng)選用不同的F/D2的比值，以便將壓入角限制在2874的范圍內(nèi)，與此對應(yīng)的壓痕直徑d在(0.240.6)D之間。圖2-2 壓痕相似原理生產(chǎn)上常用的F/D2值規(guī)定有30、15、10、5、2.5和1 共六種，根據(jù)材料種類不同和布氏硬度的范圍而分別采用，如表2-1 所示當(dāng)球體直徑D及F/D2比值確定后，試驗力F也就隨之被確定了。 表2-1 布氏硬度試驗F/D2值的選擇材料布什硬度F/D2鋼、鎳合金、鈦合金30鑄鐵14014010 30銅及銅合金35 35200 2005 10 30輕金屬及其合金35 3580 802.5 5、10、15 10、15鉛、錫1布什硬度試驗優(yōu)點是采用較大直徑的壓頭和壓力，因而壓痕面積大， 能反映出較大體積范圍內(nèi)材料各組成相的綜合平均性能，而不受個別相和微區(qū)不均勻性的影響。缺點壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。不適合直接在零件上測試，壓痕直徑的測量比較麻煩。所以布什硬度試驗主要用于黑色、有色金屬原材料檢驗，也可用于退火、正火鋼零件的硬度測定。2. 金屬洛氏硬度洛氏硬度是以一定的壓力將壓頭壓入試樣表面，以殘留于表面的壓痕深度來表示材料的硬度。壓頭分為兩類：（1）圓錐角=120、頂部曲率半徑為0.2mm的金剛石圓錐體，適于測定淬 火鋼材等較硬的材料；（2）直徑為1.588mm和3.175mm的鋼球，適于測定退火鋼、有色金屬等較軟材料的硬度。圖2-4洛氏硬度試驗原理圖圖2-3中00為金剛石壓頭沒有和試樣接觸時的位置，先對試樣加上規(guī)定的初試驗力F0，這樣壓頭到達11位置，壓痕深度ab=h0點，隨后再加上主試驗力F1，壓頭到達22位置，壓痕深度ac=h1，金屬在F1作用下產(chǎn)生總變形h1中包括彈性變形與塑性變形。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到達33位置，壓痕深度ad=h2，于是得到金屬在F0作用下的殘余壓痕深度增量bd=e（其值0.002mm為單位表示），e也就是壓頭受主試驗力F1作用實際壓入的深度。e值越大表明金屬洛氏硬度越低；反之，則表明硬度越高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，故用一個常數(shù)k減去e來表示洛氏硬度值，并規(guī)定每0.002mm為一個硬度單位，用符號HR表示，即 （2-3）當(dāng)使用金剛石圓錐體壓頭時，常數(shù)k為100；當(dāng)使用淬火鋼球壓頭時，常數(shù)k定為130。 實際測定洛氏硬度時，由于在硬度計的壓頭上方裝有百分表，可直接測出壓痕深度，并按上式換算出相應(yīng)的硬度值。因此，在試驗過程中金屬的洛氏硬度值可直接讀出。 為了測定不同軟硬材料的硬度，長采用不同的壓頭和總試驗力組合成幾種不同的洛氏硬度標尺。每一種標尺用一個字母在洛氏硬度符號HR后注明，有9種之多，常用的是HRA、HRB和HRC。其實驗規(guī)范及應(yīng)用見表2-2表2-2 各種洛氏硬度的試驗規(guī)范及應(yīng)用硬度符號壓頭類型初始試驗力/kgf主試驗力/kgf總試驗力/kgf測量硬度范圍應(yīng)用實例HRA金剛石圓錐1050602088高硬度的薄件、表面薄層硬化鋼、硬質(zhì)合金等HRB1.588mm淬火鋼球9010020100銅合金、鋁合金、退火鋼、可鍛鑄鐵等HRC金剛石圓錐1401502070淬火及回火鋼、高硬度鑄鐵等HRD金剛石圓錐901004077薄鋼板、中等表面硬化鋼、珠光體可鍛鑄鐵等HRE3.175mm淬火鋼球9010070100灰鑄鐵、鋁合金、鎂合金、軸承合金HRF1.588mm淬火鋼球506060100退火銅合金、軟質(zhì)薄鋼板HRG1.588mm淬火鋼球1401503094可鍛鑄鐵、銅鎳合金、銅鎳鋅合金HRH3.175mm淬火鋼球506080100鋁、鉛、鋅HRK3.175mm淬火鋼承合金、較軟金屬、薄材3. 金屬維氏硬度及顯微維氏硬度維氏硬度的測定原理和布氏硬度相同，也是根據(jù)單位壓痕單位面積上承受的載荷來計算硬度值。 所不同的是維氏硬度采用錐面夾角為136的四方金鋼石角錐體壓頭，這樣當(dāng)載荷改變時壓入角不變，因此載荷可以任意選擇，這是維氏硬度試驗最主要的特點，也是最大的優(yōu)點。其試驗原理如圖2-4所示。壓頭在試驗力F（單位為kgf或N）作用下，將試樣表面壓出一個四方錐形的壓痕，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，測量出壓痕對角線平均長度dd=(d1+d2)/2，用以計算壓痕的表面積。維氏硬度值（HV）就是試驗力F除以壓痕表面積A所得的商值： （2-4）當(dāng)F單位為kgf，d單位為mm時，維氏硬度的單位為kgf/mm2，但一般不標注單位。如載荷的單位用牛頓(N)， 則維氏硬度的單位變?yōu)镸Pa，上式的右端應(yīng)乘以0.102。F圖2-5維氏硬度試驗原理圖維氏硬度的表示方法同布氏硬度，如640HV30/20,前面的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字依次為所加載荷（kgf）和保持時間。維氏硬度試驗時，所加的載荷是50N，100N，200N，300N，500N，1000N等六種。當(dāng)載荷一定時，即可根據(jù)d值，算出維氏硬度表。實際測量時，可由壓痕對角線長度d直徑查表得到硬度值。顯微硬度試驗一般是指測試載荷小于2N的硬度試驗。金屬的顯微維氏硬度試驗原理與宏觀維氏硬度試驗法完全相同。顯微維氏硬度法所得到的壓痕對角線也只有幾微米至幾十微米。因此適合測微小區(qū)域的硬度值，是研究金屬微觀組織性能的重要手段，常用來測定金屬中不同的相、表面硬化層、滲層、鍍層等顯微硬度。金屬顯微維氏硬度的符號、硬度值的計算公式和表示方法與宏觀維氏硬度試驗法完全相同。三、實驗設(shè)備及材料1. 硬度計：布什、洛氏、維氏硬度計2.實驗材料：T12、20鋼或灰鑄鐵、滲氮件等。 四、實驗方法和步驟 1. 了解各種硬度計的構(gòu)造原理，學(xué)習(xí)操作規(guī)程及安全注意事項，掌握操作方法。2. 對各種試樣選擇合適的硬度試