金相與硬度測(cè)試

材料分析技術(shù)《金相與硬度測(cè)試》一硬度（一）基本概念1.硬度定義

硬度是衡量金屬材料軟硬的一種性能指標(biāo)。2常用硬度測(cè)量方法和分類

硬度測(cè)量基本可分為壓入法和劃痕法。壓入法中，根據(jù)加載速度不同又可分為靜載壓入法和動(dòng)載壓入法（彈性回跳法）。在靜載壓入法中根據(jù)載荷、壓頭和表示方方法不同，又可分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等多種。壓入法比較簡(jiǎn)單，能測(cè)量所有金屬材料的硬度，不損壞零件，而且在一定條件下和材料抗拉強(qiáng)度等性能指標(biāo)有一定關(guān)系，可由硬度值推斷其他強(qiáng)度指標(biāo)，實(shí)際工作中使用最多。3硬度的物理意義

硬度值的物理意義隨著實(shí)驗(yàn)方法的不同而不同。對(duì)壓入法，硬度表示材料表面抵抗另一種物體壓入時(shí)所引起的變形功；壓入法表示材料抵抗表面斷裂的能力；回跳法硬度值表示材料金屬?gòu)椥宰冃喂Φ拇笮?；因此硬度值?shí)際上不是一個(gè)單純的物理量，它是表征著材料的彈性、塑性、變形強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性指標(biāo)。一般認(rèn)為硬度是金屬表面地抗拒不壓入變形和刻劃破裂的能力。（二）硬度測(cè)量原理1.布氏硬度布氏硬度的測(cè)量原理是用一定載荷P(kgf)，把直徑為D（mm）的淬火鋼球或硬質(zhì)合金頭壓入被測(cè)金屬的表面，保持一定時(shí)間后卸載，根據(jù)金屬壓痕的表面積F（mm2),除載荷所得的商值即為布氏硬度，其符號(hào)用HB表示，代表單位壓痕面積上所承受的壓力，一般不標(biāo)出單位。

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于測(cè)量壓痕直徑d比h方便，因此將上式h換算成d的表達(dá)式式中，HBS、HBW分別代表用鋼球和金剛石壓頭測(cè)得的硬度，d是唯一變量，試驗(yàn)是只要測(cè)出壓痕直徑d（mm),可通過計(jì)算，或查布氏硬度表即可得到HB值。由于金屬軟硬不同，工件薄厚、大小不同，不能僅采用一種標(biāo)準(zhǔn)載荷和鋼球直徑D，需要在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，能使用不同大小負(fù)荷P和鋼球直徑D。對(duì)同一種材料采用不同載荷和鋼球直井，能否得到同一硬度值，關(guān)鍵在于壓痕的幾何形狀相似性。如圖所示，要保證級(jí)和相似性，必須保證鋼球壓入角j相等。由圖可知，此式說明，若壓入角不變，為了使同一種材料二者所得HB不變，則要求P/D2保持常數(shù)，這就是由壓痕相似性原理導(dǎo)出的P和D選配原則，硬度實(shí)驗(yàn)時(shí)必須執(zhí)行。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定布氏硬度實(shí)驗(yàn)時(shí)，P/D2的比值為30，10，2.5三種，根據(jù)金屬材料種類、試樣硬度范圍和厚度的不同，按照下表規(guī)范選擇鋼球直徑P、載荷P及載荷保持時(shí)間。布氏硬度實(shí)驗(yàn)規(guī)范金屬類型布氏硬度（HB)試樣厚度（mm)P與D相互關(guān)系鋼球直徑D(mm)載荷P(kgf)在和保持時(shí)間（sec)黑色金屬140-4506-34-2小于2P=30D21052.53000750187.510小于140大于66-3小于3P=10D21052.53000750187.510有色金屬大于1306-34-2小于2P=30D21052.53000750187.53036-1309-36-3小于3P=10D21052.53000750187.5308-35大于66-3小于3P=2.5D21052.53000750187.560布氏硬度試驗(yàn)的有效性、標(biāo)注、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍有效性檢驗(yàn)：試驗(yàn)后壓痕直徑應(yīng)在0.25D<d<0.6D的范圍內(nèi)，否則試驗(yàn)無效，應(yīng)考慮換用其他載荷重做試驗(yàn)。表式方法：用D=10mm，P=1000kgf，載荷保持時(shí)間10sec,所測(cè)硬度值為280，則用HB280表示。在其他試驗(yàn)條件下，符號(hào)HB應(yīng)以相應(yīng)的指數(shù)注明鋼球直井，載荷大小及保持時(shí)間。如HB5/250/30,表示D=5,P=250kgf,載荷保持時(shí)間為30sec。優(yōu)點(diǎn)：硬度值代表性全面，因壓痕大，能反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相影響的綜合性能，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻度的影響，適用于測(cè)定灰口鑄鐵，軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好，與強(qiáng)度有一定換算關(guān)系。缺點(diǎn)：由于壓頭為淬火鋼球，由于鋼球自身的變形問題，適用于HB<450的硬度范圍。2.洛氏硬度洛氏硬度是目前使用最為廣泛的實(shí)驗(yàn)方法，和布氏硬度一樣，也是一種壓入硬度實(shí)驗(yàn)方法，但它不是測(cè)量壓痕面積，而是測(cè)量壓痕深度，以深度大小表示材料的硬度值。洛氏硬度的壓頭采用錐角為120o的金剛石圓錐或直徑為1.588mm（1/6inch)的鋼球。載荷分兩次加，先加初載P1，然后加主載荷P2，其總載荷為P=P1+P2.圖中0-0為金剛石壓頭沒有和試樣接觸位置，1-1為壓頭受到初載P1后壓入試樣深度為h0的位置，2-2為受到主載荷P2后壓入試樣深度為h1的位置，3-3為壓頭卸掉主載荷仍保留初載P1下的位置，由于彈性恢復(fù)，壓頭位置提高了h2。此時(shí)壓頭受主載荷作用壓入深度為h，用h值來衡量材料的硬度。金屬越硬，壓痕深度越??；金屬越軟，壓痕深度越大。若直接以深度h作為硬度值，會(huì)出現(xiàn)材料越軟，h值反而越大的情況。為了適應(yīng)人們認(rèn)為硬度越高，材料越硬的習(xí)慣相一致，認(rèn)為規(guī)定以常數(shù)K減去h值作為落實(shí)硬度值的指標(biāo)，并規(guī)定每0.002mm為一個(gè)洛氏硬度單位，用符號(hào)HR表示：使用金剛石壓頭，K=0.2mm，褐色表盤刻度所示，使用鋼球壓頭，K=0.26mm,紅色表盤刻度所示。洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)3.維氏硬度載荷P可從0.5-120kgf范圍內(nèi)根據(jù)試樣大小、薄厚和其他條件進(jìn)行選擇，但常用的載荷為是0.5，1，5，10，30kgf。壓痕對(duì)角線是用附在硬度計(jì)上的顯微計(jì)測(cè)量的。測(cè)量時(shí)應(yīng)測(cè)出兩對(duì)角線長(zhǎng)度，求其算術(shù)平均值作為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d。測(cè)出d后，就可以用計(jì)算或從不同載荷下計(jì)算好的對(duì)照表查得試樣的維氏硬度值。維氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）不存在布氏硬度試驗(yàn)?zāi)欠N載荷與壓頭直徑比例關(guān)系的約束，2）不存在變形問題3）由于角錐壓痕輪廓清晰，采用對(duì)角線長(zhǎng)度計(jì)量，精確可靠。4）不存在洛氏硬度的硬度級(jí)無法統(tǒng)一的缺點(diǎn)，而且較洛氏硬度能夠更好的測(cè)量極薄試樣的硬度。缺點(diǎn)硬度值需要測(cè)量對(duì)角線，然后查表獲得，生產(chǎn)效率不如洛氏硬度，不適宜于大批量的常規(guī)檢驗(yàn)。4.顯微硬度顯微硬度試驗(yàn)實(shí)質(zhì)上就是小負(fù)荷的維氏硬度試驗(yàn)，其原理與維氏硬度相同，所不同的實(shí)載荷以克力（gf)，壓痕長(zhǎng)度以微米計(jì)量。主要用來測(cè)定各種組成相的硬度。顯微硬度符號(hào)用HM表示。式中P為克力（gf),d為微米（mm）。顯微硬度一般使用載荷為2、5、10、50、100、200克力。由于壓痕較小，試樣必須制備成金相樣品，在磨制和拋光是應(yīng)注意不能產(chǎn)生較厚的金屬擾亂層和表面強(qiáng)化層，以免影響試驗(yàn)結(jié)果。在可能的范圍內(nèi)盡可能使用加大載荷，以減少因磨制試樣所產(chǎn)生的硬化層的影響。5.硬度和抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系實(shí)踐證明，硬度實(shí)驗(yàn)室機(jī)械性能試驗(yàn)中最簡(jiǎn)單的一種實(shí)驗(yàn)方法。材料的硬度和強(qiáng)度之間存在一定的關(guān)系，根據(jù)硬度可近似估計(jì)材料的強(qiáng)度，但精確的強(qiáng)度需要仔細(xì)的測(cè)量。幾種常用的經(jīng)驗(yàn)公式未淬硬鋼：碳鋼灰鑄鐵鑄鋼鉻錳硅鋼sb=3.5HB鉻鉬鋼sb=3.3HB硬鋁sb=3.7HB黃銅sb=5.3HB純銅sb=4.8HB根據(jù)洛氏硬度

sb=-801.24+50.08HRC（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)步驟1.HB-3000型布氏硬度計(jì)概述適用范圍

主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)使用方法實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作注意事項(xiàng)數(shù)字式洛氏硬度計(jì)技術(shù)規(guī)格1技術(shù)規(guī)格（續(xù)）2指示面板面板功能面板功能2（續(xù)）面板功能3（續(xù)）面板功能4（續(xù)）面板功能（續(xù)）硬度測(cè)量方法硬度測(cè)量方法（續(xù)）硬度測(cè)量方法（續(xù)）硬度測(cè)量方法（續(xù)注意事項(xiàng)硬度測(cè)量方法（續(xù)）測(cè)量操作流程圖測(cè)量注意事項(xiàng)測(cè)量注意事項(xiàng)（續(xù)）測(cè)量注意事項(xiàng)（續(xù)）測(cè)量注意事項(xiàng)（續(xù)）3HVS-1000型顯微硬度計(jì)簡(jiǎn)介

主要技術(shù)參數(shù)操作面板功能介紹操作面板功能介紹硬度計(jì)的使用硬度計(jì)的使用硬度計(jì)的使用硬度計(jì)的使用注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)三.金相分析1.金相試片的制備1）概述金相顯微分析試驗(yàn)是金屬與合金組織的主要方法之一。他的一般過程是將金屬與合金（或工件）限制成一定尺寸的式樣，在經(jīng)磨制成一定尺寸的試樣，在經(jīng)磨制、拋光、腐蝕，之后在金相顯微鏡下進(jìn)行組織分析。金相試片植被的好壞，直接影響組織的觀察結(jié)果結(jié)果正確與否。如果試片制備質(zhì)量不高或不符合要求，就不可能得出理想的結(jié)果，有時(shí)可能因出現(xiàn)假象而得出錯(cuò)誤的判斷。因此學(xué)會(huì)制備金相試片，使材料工作者必須掌握的基本功之一。2）金相試片的制備方法和步驟

金相試片的制備包括試樣的切取、鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕五個(gè)步驟。（1）試樣的切取試樣的切取應(yīng)考慮試樣被檢驗(yàn)面的選擇。被檢驗(yàn)面組織的形態(tài)、分布、數(shù)量、大小等，必須充分代表被測(cè)金屬或工件的特點(diǎn)。試樣從工件或鋼鐵或有色材料上截取時(shí)，應(yīng)保證不使檢驗(yàn)面的組織因切取操作而發(fā)生任何變化。試樣切取可采用車、刨、鋸等方法，也可采用氣割、砂輪切割和電火花切割。如果采用氣割、砂輪切割和電火花切割必須水冷，減少熱影響層的深度。脆性材料也可采用落錘和其他方法擊碎后使用。（2）試樣的鑲嵌對(duì)于小試樣，一般進(jìn)行鑲嵌處理。為了磨制方便，試樣形狀一般為圓柱狀或長(zhǎng)方形。試樣鑲嵌一般在試樣鑲嵌機(jī)上進(jìn)行，如圖所示。鑲嵌材料多采用塑料，分熱凝性、熱塑性兩種。前者為膠木粉，不透明，一般為黑色。質(zhì)硬，耐蝕性差。后者為半透明或透明狀，耐蝕性好，但較軟。鑲嵌一般在鑲嵌機(jī)的鑲嵌模中進(jìn)行，首先將試樣放入模中，然后加入鑲嵌材料，加熱，同時(shí)加壓，保持一定時(shí)間后，去除壓力，將試樣頂出。也可用環(huán)氧樹脂加凝固劑鑲嵌。（3）試樣的磨制

磨制的目的是獲得平整、光潔的檢驗(yàn)面，為以后的拋光作準(zhǔn)備。

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粗磨（磨平）試樣磨制前應(yīng)先用砂輪或銼刀平整檢驗(yàn)面，并將其磨面的棱角去處。磨制時(shí)，應(yīng)使試樣的磨面與砂輪側(cè)面平行，緩慢地與砂輪接觸，并均勻地施加適當(dāng)?shù)膲毫?。為了不破壞檢驗(yàn)面地組織，應(yīng)不時(shí)在水中冷卻。

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細(xì)磨粗磨后仍保留很深的劃痕，為取出這些劃痕，必須進(jìn)行細(xì)磨?？煞譃槭止ぜ?xì)磨和機(jī)械細(xì)磨。手工細(xì)磨是將粗磨后的試樣在從粗到細(xì)的砂紙上逐道細(xì)磨。待上一道磨制劃痕完全消除后，才能進(jìn)行下道磨制工序。更換砂紙時(shí)，須將磨制面清理干凈，避免使沙粒帶入下道工序。下道磨制方向應(yīng)與上道磨制方向垂直。如此進(jìn)行下去，直到達(dá)到拋光前應(yīng)有的光潔度。砂紙各個(gè)廠家不同，編號(hào)不同，一般采用隔號(hào)選擇。如100＃，200＃，400＃，600#,800#,1000#或100＃，300＃，1(2)＃，3(4)#,5(6)#,7#等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件選擇。（4）試樣的拋光試樣的拋光是最后一道磨制工序，其目的是去除試樣磨面上的劃痕，達(dá)到光亮而無劃痕的鏡面。試樣拋光可分為機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光。其中最常用的是機(jī)械拋光。

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機(jī)械拋光是在專用的拋光機(jī)上進(jìn)行。拋光用織物，常用的有布、呢料、絨布、長(zhǎng)毛金絲絨及綢布等?？筛鶕?jù)材料的性質(zhì)和狀態(tài)選用。拋光用磨料有三氧化二鋁，三氧化二鉻，氧化鎂等細(xì)粉在水中的懸浮液（1升水加入5克氧化鋁或10-15克氧化鉻。也有各種粒度的金剛石拋光膏和金剛石拋光霧劑。拋光時(shí)，將預(yù)先在水中浸泡1.5-2小時(shí)的拋光布箍緊在拋光盤上，打開電源。將試樣首先放在盤的中心附近，均勻調(diào)整施加的壓力，并將試樣沿拋光盤徑向反復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)試樣沿軸向略微轉(zhuǎn)動(dòng)。最終拋光后的試樣應(yīng)呈鏡面，在任何放大倍數(shù)下均觀察不到劃痕。拋光好的試樣用清水清洗干凈，并用脫脂棉擦干或用吹風(fēng)機(jī)吹干。試樣的拋光時(shí)間不宜太長(zhǎng)，壓力也不可過大。（5）試樣腐蝕試樣拋光后只能看到光亮的磨面及非金屬夾雜物、裂紋等，為了進(jìn)行組織分析，必須進(jìn)行腐蝕。試樣腐蝕有化學(xué)腐蝕，電解腐蝕等，其中，化學(xué)腐蝕使用最多。化學(xué)腐蝕時(shí)，組織是由于各組織組成物與侵蝕劑之間產(chǎn)生電化學(xué)作用三金相觀察1.顯微鏡組成2.金相觀察1）接通電源。2）選擇需要選擇合適倍數(shù)的物鏡和目鏡，換物鏡時(shí)，必須將載物臺(tái)，以免碰壞物鏡鏡頭。3）將試樣放在載物臺(tái)上放平，并用彈簧片壓緊。如果試樣被面不平，用橡皮泥予以調(diào)整。4）調(diào)整載物臺(tái)使之對(duì)準(zhǔn)物鏡中心。5）