顯微硬度 李煒

顯微硬度

本章介紹了顯微硬度的原理及應(yīng)用

退出顯微硬度的測(cè)試原理是采用一定錐體形狀的金剛石壓頭，施以幾克到幾百克質(zhì)量所產(chǎn)生的重力（壓力）壓入試驗(yàn)材料表面，然后測(cè)量其壓痕的兩對(duì)角線長(zhǎng)度。由于壓痕尺度極小，必須在顯微鏡中測(cè)量。壓頭按幾何形狀分為兩種類(lèi)型，一種是錐面夾角為136?的正方錐體壓頭，又稱(chēng)維氏（Vickers）壓頭，另一種是棱面錐體壓頭，又稱(chēng)努普（knoop）壓頭。

維氏（Vickers）硬度試驗(yàn)法1．維氏壓頭二相對(duì)棱面間的夾角為136?金剛石正方四棱角錐體，即為維氏壓頭。2．維氏硬度維氏壓頭在一定的負(fù)荷作用下，垂直壓入被測(cè)樣品的表面產(chǎn)生凹痕，其每單位面積所承受力的大小即為維氏硬度。維氏硬度計(jì)算公式：HV=1854.4P/d2式中：HV—維氏硬度（gf/mm2）P－負(fù)荷（gf）d—壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度（μm）

努普（Knoop）硬度試驗(yàn)法1．努普壓頭二相對(duì)棱邊的夾角分別為172?30?和130?的四棱金剛石角錐體，即為努普壓頭。2．努普硬度努普壓頭在一定的負(fù)荷作用下，垂直壓入被測(cè)物體的表面所產(chǎn)生的凹痕在其表面的投影，每單位面積所承受的作用力的大小即為努普硬度。努普硬度計(jì)算公式：HK=14228.9P/d2式中：HK—努普硬度（gf/mm2）；P—負(fù)荷（gf）d—壓痕的長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度（μm）努普硬度試驗(yàn)法相對(duì)維氏硬度試驗(yàn)法的優(yōu)缺點(diǎn)1．優(yōu)點(diǎn)a.努普硬度適用于測(cè)定脆性材料。努普硬度試驗(yàn)法比維氏硬度試驗(yàn)法更適用于測(cè)定琺瑯、玻璃、瑪瑙、紅寶石等脆性材料的硬度，壓痕不易產(chǎn)生碎裂。b.測(cè)量誤差較小。當(dāng)操作人員的人為瞄準(zhǔn)精度一定時(shí)，壓痕對(duì)角線越長(zhǎng)，則由此瞄準(zhǔn)誤差所引起的測(cè)量誤差越小。因此在采用相同負(fù)荷或保持相同的壓入深度時(shí)，努普硬度試驗(yàn)要比維氏硬度試驗(yàn)的測(cè)量誤差小。

類(lèi)型c.壓入深度淺。努普硬度試驗(yàn)較之維氏硬度試驗(yàn)更適用于薄件及表面層的硬度試驗(yàn)。d.當(dāng)努普壓頭測(cè)定硬度時(shí)，其壓痕邊緣由擠壓而引起的凸緣比維氏壓痕淺，因而由此類(lèi)凸緣產(chǎn)生的不精確性可大大減小。

缺點(diǎn)a.努普壓頭制造困難，因?yàn)榕諌侯^的二相對(duì)棱夾角（尤其是第一對(duì)棱夾角172?30?）的誤差對(duì)硬度值的影響要比維氏壓頭的二相對(duì)棱夾角的誤差對(duì)硬度值的影響大得多。所以努普壓頭的二相對(duì)棱夾角的制造精度要求很高。b.用努普壓頭測(cè)定某些材料（如各向異性的材料）的硬度時(shí)，其硬度隨壓頭相對(duì)于材料的方向不同而有差異。因?yàn)榕沼捕仍囼?yàn)中只測(cè)量壓痕的長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)，而維氏硬度試驗(yàn)中常測(cè)量壓痕的二條對(duì)角線長(zhǎng)度，取其平均值以消除二垂直方向?qū)蔷€長(zhǎng)度不一致而帶來(lái)的硬度值誤差。

c.努普硬度試驗(yàn)中對(duì)試樣表面光潔度要求更高。因?yàn)樵趬汉垌敹水a(chǎn)生的起伏不平對(duì)壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度產(chǎn)生的誤差比維氏壓痕更敏感。d.努普硬度試驗(yàn)時(shí)，對(duì)壓頭相對(duì)于試樣表面的垂直度要求比維氏硬度試驗(yàn)要高。顯微硬度測(cè)量的準(zhǔn)確程度與金相樣品的表面質(zhì)量有關(guān)，需經(jīng)過(guò)磨光、拋光、浸蝕，以顯示欲評(píng)定的組織。1.試樣的表面狀態(tài)被評(píng)定試樣的表面狀態(tài)直接影響測(cè)試結(jié)果的可靠性。用機(jī)械方法制備的金相磨面，由于拋光時(shí)表層微量的變形，引起加工硬化，或者磨面表層由于形成氧化膜，因此所測(cè)得的顯微硬度值較電解拋光磨面測(cè)得的顯微硬度值高。試樣最好采用電解拋光，經(jīng)適度浸蝕后立即測(cè)定顯微硬度。

2.選擇正確的加載部位

若壓痕過(guò)分與晶界接近，或者延至晶界以外，那么測(cè)量結(jié)果會(huì)受到晶界或相鄰第二相影響；如被測(cè)晶粒薄，壓痕陷入下部晶粒，也將產(chǎn)生同樣的影響。為了獲得正確的顯微硬度值，規(guī)定壓痕位置距晶界至少一個(gè)壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，晶粒厚度至少10倍于壓痕深度。為此，在選擇測(cè)量對(duì)象時(shí)應(yīng)取較大截面的晶粒，因?yàn)檩^小截面的晶粒其厚度有可能是較薄。

3.測(cè)量壓痕尺度時(shí)壓痕象的調(diào)焦在光學(xué)顯微鏡下所測(cè)得壓痕對(duì)角線值與成像條件有關(guān)。一般認(rèn)為：最佳的調(diào)焦位置是使壓痕的四個(gè)角變成黑暗，而四個(gè)棱邊清晰。對(duì)同一組測(cè)量數(shù)據(jù)，為獲得一致的成像條件，應(yīng)保持相同調(diào)焦位置。4．試驗(yàn)負(fù)荷為保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，試驗(yàn)負(fù)荷在原則上應(yīng)盡可能大，且壓痕大小必須與晶粒大小成一定比例。特別在測(cè)定軟基體上硬質(zhì)點(diǎn)的硬度時(shí)，被測(cè)質(zhì)點(diǎn)截面直徑必須四倍于壓痕對(duì)角線長(zhǎng)，否則使基體性能影響到測(cè)量數(shù)據(jù)。此外在測(cè)定脆性質(zhì)點(diǎn)時(shí)，高負(fù)荷可能出現(xiàn)“壓碎”現(xiàn)象。角上有裂紋的壓痕表明負(fù)荷已超出材料的斷裂強(qiáng)度，因而獲得的硬度值是錯(cuò)誤的，這時(shí)需調(diào)整負(fù)荷重新測(cè)量。

5．壓痕的彈性回復(fù)對(duì)金剛石壓頭施一定負(fù)荷的力壓入材料表面，表面將留下一個(gè)壓痕，當(dāng)負(fù)荷去除后，壓痕將因金屬的彈性回復(fù)而稍微縮小。彈性回復(fù)是金屬的一種性質(zhì)，它與金屬的種類(lèi)有關(guān)，而與產(chǎn)生壓痕的荷重?zé)o關(guān)。就是說(shuō)不管荷重如何，壓痕大小如何，彈性回復(fù)幾乎是一個(gè)定值。因此，當(dāng)荷重小時(shí)，壓痕很小，而壓痕因彈性回復(fù)而收縮的比例就比較大，根據(jù)回復(fù)后壓痕尺寸求得的顯微硬度值則比較高。這種現(xiàn)象的存在，使得不同荷重下測(cè)得的硬度值缺乏正確的比較標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要建立顯微硬度值的比較標(biāo)準(zhǔn)。

顯微硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用1．

優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用顯微硬度試驗(yàn)是一種真正的非破壞性試驗(yàn)，其得到的壓痕小，壓入深度淺，在試件表面留下的痕跡往往是非目力所能發(fā)現(xiàn)的，因而適用于各種零件及成品的硬度試驗(yàn)?？梢詼y(cè)定各種原材料、毛坯、半成品的硬度，尤其是其它宏觀硬度試驗(yàn)所無(wú)法測(cè)定的細(xì)小薄片零件和零件的特殊部位（如刃具的刀刃等），以及電鍍層、氮化層、氧化層、滲碳層等表面層的硬度。

可以對(duì)一些非金屬脆性材料（如陶瓷、玻璃、礦石等）及成品進(jìn)行硬度測(cè)試，不易產(chǎn)生碎裂?？梢詫?duì)試件的剖面沿試件的縱深方向按一定的間隔進(jìn)行硬度測(cè)試（即稱(chēng)為硬度梯度的測(cè)試），以判定電鍍、氮化、氧化或滲碳層等的厚度?？赏ㄟ^(guò)顯微硬度試驗(yàn)間接地得到材料的一些其它性能。如材料的磨損系數(shù)、建筑材料中混凝土的結(jié)合力、瓷器的強(qiáng)度等。

2．

缺點(diǎn)試件尺寸不可太大；如要知道材料或零件的硬度，則必須對(duì)試件進(jìn)行多點(diǎn)硬度試驗(yàn)。對(duì)試件的表面質(zhì)量要求較高，尤其是表面粗糙度。對(duì)測(cè)試人員必須進(jìn)行一定的訓(xùn)練。以保證測(cè)試人員的瞄準(zhǔn)精度。對(duì)環(huán)境要求高，尤其是要求有嚴(yán)格的防震措施。

顯微硬度在金相研究中的應(yīng)用金屬材料、合金相的研究顯微硬度廣泛應(yīng)用于測(cè)定金屬及合金中各組成相的硬度，剖析其對(duì)合金性能的貢獻(xiàn)，為合金的正確設(shè)計(jì)提供依據(jù)。如對(duì)各類(lèi)碳化物顯微硬度的研究，為制造優(yōu)良的硬質(zhì)合金提供了有效的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。借助合金中各組成相的顯微硬度，分析在合金強(qiáng)化中起主要作用的結(jié)構(gòu)組分，金屬表面層性能的研究1.擴(kuò)散層性能的研究例如：滲碳層、氮化層、金屬擴(kuò)散層等表面處理層的性能。2．表面加工硬化層性能的