金屬硬度檢測(cè)方法

1、 硬度：是評(píng)定金屬材料力學(xué)性能最常用的指標(biāo)之一。 硬度的實(shí)質(zhì)：是材料抵抗另一較硬材料壓入的能力。 硬度檢測(cè)：是評(píng)價(jià)金屬力學(xué)性能最迅速、最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)單的一種試驗(yàn)方法。 硬度檢測(cè)的主要目的：就是測(cè)定材料的適用性，或材料為使用目的所進(jìn)行的特殊硬化或軟化處理的效果。 硬度檢測(cè)方法： 對(duì)于被檢測(cè)材料而言，硬度是代表著在一定壓頭和試驗(yàn)力作用下所反映出的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能。 由于通過(guò)硬度試驗(yàn)可以反映金屬材料在不同的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和熱處理工藝條件下性能的差異，因此硬度試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于金屬性能的檢驗(yàn)、監(jiān)督熱處理工藝質(zhì)量和新材料的研制。 金屬硬度檢測(cè)主要有兩類試驗(yàn)方法： 一類

2、是靜態(tài)試驗(yàn)方法，這類方法試驗(yàn)力的施加是緩慢而無(wú)沖擊的。 硬度的測(cè)定主要決定于壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小。 靜態(tài)試驗(yàn)方法包括布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等。其中布、洛、維三種試驗(yàn)方法是最常用的，它們是金屬硬度檢測(cè)的主要試驗(yàn)方法。而洛氏硬度試驗(yàn)又是應(yīng)用最多的，它被廣泛用于產(chǎn)品的檢驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前應(yīng)用中的硬度計(jì)70%是洛氏硬度計(jì)。 另一類試驗(yàn)方法是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法，這類方法試驗(yàn)力的施加是動(dòng)態(tài)的和沖擊性的。這里包括肖氏和里氏硬度試驗(yàn)法。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法主要用于大型的，不可移動(dòng)工件的硬度檢測(cè)。 各種金屬硬度計(jì)就是根據(jù)上述試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)的。 下面分別介紹基于各種試驗(yàn)方法的硬度計(jì)的原理、特點(diǎn)與應(yīng)用

3、。 布氏硬度測(cè)定法布氏硬度計(jì)原理：對(duì)直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭施加規(guī)定的試驗(yàn)力P ，使壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，除去試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度用試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商來(lái)計(jì)算。 P/F即為布氏硬度，用符號(hào)HB表示。布氏硬度的測(cè)量原理如圖所示。布氏硬度計(jì)的特點(diǎn)：布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直徑球壓頭，3000kg試驗(yàn)力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相綜合影響的平均值，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻度的影響，因此特別適用于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料。 它的試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，精度高于洛氏，低于維氏。此外布氏

4、硬度值與抗拉強(qiáng)度值之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是壓痕較大，成品檢驗(yàn)有困難，試驗(yàn)過(guò)程比洛氏硬度試驗(yàn)復(fù)雜，測(cè)量操作和壓痕測(cè)量都比較費(fèi)時(shí)，并且由于壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓滑過(guò)渡都會(huì)使壓痕直徑的測(cè)量產(chǎn)生較大誤差。 因此要求操作者具有熟練的試驗(yàn)技術(shù)和豐富經(jīng)驗(yàn)，一般要求由專門的實(shí)驗(yàn)員操作。布氏硬度計(jì)的應(yīng)用： 布氏硬度計(jì)主要用于組織不均勻的鍛鋼和鑄鐵的硬度測(cè)試，鍛鋼和灰鑄鐵的布氏硬度與拉伸試驗(yàn)有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 布氏硬度試驗(yàn)還可用于有色金屬和軟鋼，采用小直徑球壓頭可以測(cè)量小尺寸和較薄材料。 布氏硬度計(jì)多用于原材料和半成品的檢測(cè)，由于壓痕較大，一般不用于成品檢測(cè)。 布氏硬度試驗(yàn)條件：布氏硬度

5、試驗(yàn)條件的選擇如同洛氏硬度試驗(yàn)關(guān)于標(biāo)尺的選擇一樣，布氏硬度試驗(yàn)也要遇到試驗(yàn)條件的選擇問(wèn)題，即試驗(yàn)力F和壓頭球直徑D的選擇。這種選擇不是任意的，而是要遵循一定的規(guī)則，并且要注意試驗(yàn)力和壓頭球直徑的合理搭配，應(yīng)用起來(lái)比洛氏硬度試驗(yàn)略顯復(fù)雜。 布氏硬度試驗(yàn)最常用的試驗(yàn)條件是采用10mm直徑的球壓頭，3000kg試驗(yàn)力。這一條件最能體現(xiàn)布氏硬度的特點(diǎn)。但是由于試樣材質(zhì)不同，硬度不同，試樣大小，薄厚也不同，一種試驗(yàn)力，一種壓頭自然不能滿足要求。在試驗(yàn)力和壓頭球直徑的選擇方面需要遵循相應(yīng)規(guī)則。 壓頭直徑有2.5mm，5mm，10mm三種; 載荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、75

6、0kg、1000kg、3000kg七種; 材料的軟硬不同要配合使用。為了在不同直徑的壓頭和不同載荷下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，同一種材料的布氏硬度值相同。D與P之間要滿足相似原理。 金屬類型布氏硬度范圍HB試件厚度mm載荷P與壓頭直徑D的關(guān)系鋼球直徑D.mm載荷P.Kg載荷保持時(shí)間，s黑色金=30D2105.02.53000750187.51066313063432P=30D2105.02.53000750187.530361309-363663175175Rm0.343HBRm0.343HB10MN/m10MN/m2 2Rm0.362HBRm0.362HB10MN/m10MN/m

7、2 2鑄鋁合金鑄鋁合金Rm0.26HBRm0.26HB10MN/m10MN/m2 2退火黃銅、青銅退火黃銅、青銅Rm0.55HBRm0.55HB10MN/m10MN/m2 2冷加工后黃銅、青銅冷加工后黃銅、青銅Rm0.40HBRm0.40HB10MN/m10MN/m2 2測(cè)量注意事項(xiàng): 1、d的范圍應(yīng)為0.25Dd2%者，需要在硬度值后面注明。 維氏硬度表示法： 640 HV 30表示用136金剛石壓頭在294.2N試驗(yàn)力作用下保持1015秒測(cè)得的維氏硬度值為640。 640 HV 30/20表示用136金剛石壓頭在294.2N試驗(yàn)力作用下保持20秒測(cè)得的維氏硬度值為640。對(duì)試樣的要求： 要

8、求試樣經(jīng)過(guò)拋光，試樣硬度至少是壓痕深度的10倍或者不小于壓痕對(duì)角線的1.5倍，在滿足這個(gè)條件的情況下盡可能選用較大載荷，可減少測(cè)量誤差。優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)： 可測(cè)定從極軟到極硬各種金屬材料的硬度,且不同載荷下的維氏硬度值可以進(jìn)行比較。 維氏硬度值測(cè)量精確可靠，在材料科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)： 維氏硬度需測(cè)量對(duì)角線的長(zhǎng)度，然后通過(guò)計(jì)算或查表才能得到硬度值。測(cè)量過(guò)程繁瑣，工作效率低。在測(cè)量過(guò)程中，采用計(jì)算機(jī)控制測(cè)量過(guò)程，采集和處理數(shù)據(jù)，可能克服上述缺點(diǎn)并大大提高工作效率。注意： 維氏硬度兩相鄰壓痕中心之間的距離，對(duì)于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的3倍； 對(duì)于輕金屬、鉛、錫及合金至少應(yīng)為

9、壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的6倍。 如果相鄰兩壓痕大小不同，應(yīng)以較大壓痕確定壓痕間距。 金屬維氏硬度試驗(yàn)執(zhí)行的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為： GB/T 4340.11999 金屬維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法。 顯微硬度測(cè)試法顯微硬度的測(cè)量原理： 顯微硬度的測(cè)量原理與維氏硬度一樣，也是用壓痕單位面積上所承受的載荷來(lái)表示的。 只是試樣需要拋光腐蝕制成金相顯微試樣，以便測(cè)量顯微組織中各相的硬度。 顯微硬度一般用HM表示。顯微硬度測(cè)試用的壓頭有兩種： 一種是和維氏硬度壓頭一樣的兩面之間的夾角為136的金剛石正四棱錐壓頭; 另一種顯微硬度壓頭。這種壓頭叫克努普(Knoop)金剛石壓頭。它的壓痕長(zhǎng)對(duì)角線與短對(duì)角線的長(zhǎng)度之比為7.1

10、1。 如圖所示:維氏金剛石棱錐壓頭 努氏金剛石棱錐壓頭 維氏硬度壓頭硬度計(jì)算公式 兩面之間的夾角為136的金剛石正四棱錐壓頭時(shí),顯微硬度的計(jì)算公式為： HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2 式中：P載荷(g)； d壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度(m)。 顯微硬度值與維氏硬度完全一致，計(jì)算公式差別只是測(cè)量時(shí)用的載荷和壓痕對(duì)角線的單位不同造成的。 壓頭用克努普(Knoop)金剛石壓頭時(shí), 顯微硬度值為： HK=P/A=14229P/L2kg/mm2 式中：P載荷(g)； L壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度(m)。 顯微硬度如用kg/mm2為單位時(shí)，可以將單位省去，例如HM300，表示其顯微硬度為300kg/mm2 。 顯

11、微硬度的測(cè)試方法試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作： 1、接通電源，試樣壓平后固定在載物臺(tái)上； 2、將物鏡轉(zhuǎn)如光路并固定； 3、旋轉(zhuǎn)目鏡使計(jì)測(cè)線邊緣聚焦； 4、調(diào)好后復(fù)零：D1顯示“0.0”。硬度測(cè)試： 1、安裝物鏡； 2、試樣聚焦（聚焦前試樣表面與鏡頭距離不少于0.4mm）測(cè)試位置置于中心； 3、壓頭置于光路； 4、設(shè)置測(cè)試載荷（H、L兩檔）； 5、加載（確認(rèn)物鏡不在光路中）； 6、物鏡轉(zhuǎn)入光路； 7、調(diào)目鏡測(cè)對(duì)角線長(zhǎng)度； 8、硬度顯示。壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的測(cè)定： 旋轉(zhuǎn)目鏡左右旋鈕，使左計(jì)測(cè)線內(nèi)側(cè)邊緣與壓痕左側(cè)尖端相切，右計(jì)測(cè)線內(nèi)側(cè)邊緣與壓痕右側(cè)尖端相切，按“數(shù)值輸入”鍵，壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度在D1位置顯示； 將測(cè)微目

12、鏡逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后重復(fù)上述操作，測(cè)量壓痕豎直方向?qū)蔷€長(zhǎng)度，按“數(shù)值輸入”鍵，壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度在D2位置顯示。影響顯微硬度值的因素： 1)試樣制備 制備試樣時(shí)，因磨削使表面塑性變形引起加工硬化，這會(huì)對(duì)顯微硬度值有很大的影響(有時(shí)誤差可達(dá)50%)，低載荷下更為明顯。 因此要盡量減少表面變形層，特別對(duì)軟材料，最好采用電解拋光。2) 載荷 根據(jù)試樣的實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)暮奢d，允許時(shí)盡量選擇較大的載荷，以得到盡可能大的壓痕。任意大小的壓痕其彈性回復(fù)量幾乎一樣，壓痕越小彈性回復(fù)量占的比例就越大，顯微硬度值也就越高。 在同一試樣中，選用不同的載荷測(cè)試得出的結(jié)果不完全相同，一般載荷越小，硬度值波動(dòng)越大。 對(duì)

13、于同一試驗(yàn)最好始終選相同的載荷，以減少載荷變化對(duì)硬度值的影響。 布科提出了下列四類加載范圍，可供參考： 鋁合金: 1-5g; 軟鐵鎳: 5-15g; 硬 鋼:15-30g 碳化物:30-120g3)加載速度和保載時(shí)間 加載速度過(guò)快，會(huì)使壓痕加大，顯微硬度值降低。一般載荷越小，加載速度的影響就越大。加載后保持載荷3-5s即可卸載進(jìn)行測(cè)量。使用硬度計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng) 除了各種硬度計(jì)使用時(shí)特殊注意事項(xiàng)外，還有一些共同的應(yīng)注意的問(wèn)題，現(xiàn)列舉如下：1)硬度計(jì)本身會(huì)產(chǎn)生兩種誤差： 一是其零件的變形、移動(dòng)造成的誤差； 二是硬度參數(shù)超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)所造成的誤差。對(duì)第二種誤差，在測(cè)量前需用標(biāo)準(zhǔn)塊對(duì)硬度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。 洛氏硬度各標(biāo)度有一事實(shí)上的適用范圍，要根據(jù)規(guī)定正確選用。 例如，硬度高于HRB100時(shí)，應(yīng)采用HRC標(biāo)度進(jìn)行測(cè)試； 硬度低于HRC20時(shí)應(yīng)用HRB標(biāo)度進(jìn)行測(cè)試。 因?yàn)槌銎湟?guī)定的測(cè)試范圍時(shí)，硬度計(jì)的精確度及靈敏度較差，硬度值不準(zhǔn)確，不宜使用。 其他硬度測(cè)試法也都規(guī)定有相應(yīng)的校正標(biāo)準(zhǔn)。 校準(zhǔn)硬度計(jì)用的標(biāo)準(zhǔn)塊不能兩面使用，因標(biāo)準(zhǔn)面與背面硬度不一定一致。一般規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)塊自標(biāo)定日起一年內(nèi)有效。 2) 壓頭避免撞擊,保持清潔; 3) 硬度計(jì)調(diào)整后