顯微硬度講解

關(guān)于顯微硬度講解硬度：金屬材料抵抗局部變形,特別是抵抗塑性變形、壓痕或劃痕的能力。也是衡量金屬軟硬程度的判據(jù)。第2頁,共63頁，2024年2月25日，星期天主要內(nèi)容1、硬度的特點及應(yīng)用2、布氏硬度測試3、洛氏硬度測試法4、維氏硬度測試法5、顯微硬度測試法第3頁,共63頁，2024年2月25日，星期天硬度試驗的特點及應(yīng)用試樣制備簡單，可在各種不同尺寸的試樣上進(jìn)行試驗，試驗后試樣基本不受破壞；設(shè)備簡便，操作方便，測量速度快；測量范圍大:可大(多晶體)可小(單個晶粒、表面渡層、手表內(nèi)部小零件等)、可軟可硬各種金屬件都可做硬度試驗；第4頁,共63頁，2024年2月25日，星期天硬度與強度之間有近似的換算關(guān)系，根據(jù)測出的硬度值就可以粗略地估算強度極限值(如碳鋼бb≈0.36HB)。測定材料的硬度,定性分析材料的組織、性能;測定脫碳層深度;定性分析夾雜物性質(zhì),組成相的性質(zhì)等。第5頁,共63頁，2024年2月25日，星期天2.洛氏硬度測定法2.1洛氏硬度的測量原理用頂角為120°的金剛石圓錐或φ為1.588mm的淬火鋼球為壓頭,在規(guī)定載荷（初載荷及主載荷）的作用下壓入材料表面,經(jīng)規(guī)定保持時間后,卸除主試驗力，根據(jù)壓痕深度來確定硬度值。圖1表示了洛氏硬度的測量原理。第6頁,共63頁，2024年2月25日，星期天圖1.洛氏硬度試驗原理示意圖第7頁,共63頁，2024年2月25日，星期天0-0：未加載荷，壓頭未接觸試件時的位置。1-1：壓頭在預(yù)載荷P0(98.1N)作用下壓入試件深度為h0時的位置。h0包括預(yù)載所引起的彈形變形和塑性變形。2-2：加主載荷P1后，壓頭在總載荷P=P0+P1

的作用下壓入試件的位置。3-3：去除主載荷P1后仍保留預(yù)載荷P0

時壓頭的位置，壓入深度為h1。由于P1所產(chǎn)生的彈性變形被消除，所以壓頭位置提高了h，主載荷引起的塑性變形深度為:h=h1-h0第8頁,共63頁，2024年2月25日，星期天h值越大，試件越軟，h值越小，試件越硬。為適應(yīng)數(shù)值越大硬度越高的概念，用一常數(shù)K減去h表示硬度的高低。并規(guī)定每0.002mm為一個洛氏硬度單位，用符號HR表示，則：

測量值直接在表盤上讀出。用金剛石圓錐壓頭時，常數(shù)K為0.2mm，硬度值由黑色表盤表示;用鋼球(Φ=1.588mm)壓頭時，常數(shù)K為0.26mm，硬度值由紅色表盤表示.第9頁,共63頁，2024年2月25日，星期天為了擴(kuò)大洛氏硬度的測量范圍，可用不同的壓頭和不同的總載荷配成不同標(biāo)尺的洛氏硬度。洛氏硬度共有15種標(biāo)尺供選擇，它們分別為：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV；表面洛氏硬度標(biāo)尺：HR45N、HR30N、HR15N和HR45T、HR30T、HR15T。其中常用的幾種標(biāo)尺見表1。第10頁,共63頁，2024年2月25日，星期天標(biāo)度符號壓頭總載荷N(kg)表盤上刻度顏色常用硬度值范圍應(yīng)用舉例HRA金剛石圓錐588.6(60)黑色70~85碳化物、硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等HRB1.588mm鋼球981(100)紅色25~100軟鋼、退火鋼、銅合金HRC金剛石圓錐1471.5(150)黑色20~67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等HRD金剛石圓錐981(100)黑色40~77薄鋼板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm鋼球981(100)紅色70~100鑄鐵、鋁、鎂合金、軸承合金HRF1.588mm鋼球588.6(60)紅色40~100薄板軟鋼、退火銅合金HRG1.588mm鋼球1471.5(150)紅色31~94磷青銅、鈹青銅HRH3.175mm鋼球588.6(60)紅色

鋁、鋅、鉛表1.各種洛氏硬度值的符號及應(yīng)用第11頁,共63頁，2024年2月25日，星期天2.2洛氏硬度測定的優(yōu)缺點優(yōu)點:操作簡便、迅速，適宜大生產(chǎn)；壓痕小，適宜測成品；適用范圍廣，從極軟到極硬、從極薄到極硬的材料都能測定。缺點：不同標(biāo)尺硬度值之間不能相互比較；對粗大組織的金屬不適用。第12頁,共63頁，2024年2月25日，星期天硬度表示法如：38HRC、48HR30N、68HR30T等。金屬洛氏試驗執(zhí)行的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為：

GB/T230.1－2004

金屬洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法第13頁,共63頁，2024年2月25日，星期天洛氏硬度實驗過程1、試驗前的準(zhǔn)備（參數(shù)設(shè)定）按RESET鍵清零；將選好的壓頭安裝好；設(shè)預(yù)載力；設(shè)總載荷；設(shè)定標(biāo)尺：按D/B鍵，使力、壓頭、標(biāo)尺一致；設(shè)定保荷時間：鍵DWTIME與DEC或INC鍵配合，按SET鍵輸入；此時顯示標(biāo)尺與0.0;用標(biāo)準(zhǔn)塊校驗，示值誤差應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。第14頁,共63頁，2024年2月25日，星期天2、試驗過程放好試樣，實驗點對準(zhǔn)壓頭；順時轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤使試樣緊密接觸壓頭，使預(yù)載力指示燈依次點亮，直至“SET”燈亮，約1s后自動進(jìn)行后續(xù)過程；顯示標(biāo)尺與硬度值供記錄；設(shè)備復(fù)原位。第15頁,共63頁，2024年2月25日，星期天注意事項試樣表面要平滑干凈；試樣或試驗層最小厚度不小于金剛石壓頭h的10倍或鋼球壓頭h的5倍；試驗后試樣背面不得有肉眼可見的變形痕跡；第16頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.布氏硬度測試法第17頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.1布氏硬度的測量原理加載荷P,使直徑為D的淬火鋼球壓頭壓入試件表面并保持一定時間，去載后，測量壓痕直徑d，算出壓痕面積F，

P/F即為布氏硬度，用符號HB表示。布氏硬度的測量原理如圖2所示。第18頁,共63頁，2024年2月25日，星期天圖2.布氏硬度試驗原理示意圖

第19頁,共63頁，2024年2月25日，星期天式中：P——測試用的載荷(kg)；

D——壓頭鋼球的直徑(mm)；

d——壓痕直徑(mm)；

F——壓痕面積(mm2).測出d,查表即可得HB值公式第20頁,共63頁，2024年2月25日，星期天壓頭直徑有Φ2.5mm，Φ5mm，Φ10mm三種;載荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、750kg、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)行測試時，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。如圖3所示。第21頁,共63頁，2024年2月25日，星期天圖3.不同直經(jīng)的鋼球壓頭產(chǎn)生在幾何上相似的壓頭

第22頁,共63頁，2024年2月25日，星期天推倒得出:只要使P/D2為一常數(shù)，就可使保持不變，從而保持了幾何形狀相似的壓痕。只要滿足P/D2為常數(shù)，則同一材料測得的HB值是相同的。且不同材料測得的HB值也可進(jìn)行比較。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定P/D2的比值為30、10、5三種。

實驗規(guī)范見表2式中:A為常數(shù)第23頁,共63頁，2024年2月25日，星期天表2布氏硬度的實驗規(guī)范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載荷保持時間，s黑色金屬140~1506~34~3<2P=30D2105.02.53000750187.510<140>66~3<3P=10D2105.02.5100025062.510有色金屬>1306~34~3<2P=30D2105.02.53000750187.53036~1309~-36~3<3P=10D2105.02.5100025062.5308~35>66~3<3P=2.5D2105.02.525062.515.630第24頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.2布氏硬度的表示方法用Φ10mm鋼球，在3000kg載荷下保持10s，測得的布氏硬度值表示為字母HB加上所測得的硬度值，例如HB400。在其他試驗條件下，在HB后面要注明鋼球直徑、載荷大小及保載時間，例如：130HBW10/1000/30表示用Φ10mm的硬質(zhì)合金球在9.807kN載荷下保持30s測得的布氏硬度為130。硬度值表示法中一般不寫單位。第25頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.3布氏硬度測定的優(yōu)缺點優(yōu)點因壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相綜合影響的平均值;因壓痕面積較大,測值較準(zhǔn)確,測量誤差較小;而不受個別組成相及微小不均勻度的影響。布氏硬度值和抗拉強度σb間存在一定換算關(guān)系。見表3。第26頁,共63頁，2024年2月25日，星期天材料硬度值HB-Rm近似換算關(guān)系鋼125~175>175Rm≈0.343HB×10MN/m2Rm≈0.362HB×10MN/m2鑄鋁合金

Rm≈0.26HB×10MN/m2退火黃銅、青銅

Rm≈0.55HB×10MN/m2冷加工后黃銅、青銅

Rm≈0.40HB×10MN/m2表3.布氏硬度與抗拉強度的關(guān)系

第27頁,共63頁，2024年2月25日，星期天缺點由于壓痕大,只宜測半成品;不宜測太薄，太軟、太硬（0.25D<d<0.6D）的材料；對不同材料和厚度的試樣需更換壓頭和試驗力，測壓痕直徑費時，還得查表，所以效率低。第28頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.4設(shè)備操作設(shè)備名稱：KB3000BVRZ萬能硬度計:配備了布氏、維氏與洛氏硬度測量模塊。主要用于不同載荷范圍的布氏硬度測定。試驗標(biāo)準(zhǔn)：GB231.1－2002金屬布氏硬度試驗第1部分：試驗方法。設(shè)備操作試樣準(zhǔn)備；下移載物臺預(yù)留足夠安全空間，完成自檢后按Enter或F1進(jìn)入測試界面；選擇載荷、壓頭直徑、壓痕觀測物鏡；調(diào)物鏡得清晰像；按壓OPTIC切換至壓頭；按壓Start加載保荷。顯示硬度測量值。

第29頁,共63頁，2024年2月25日，星期天3.5測量注意事項:d的范圍應(yīng)為0.25D<d<0.6D，否則測量結(jié)果無效；由于壓痕周圍存在變形硬化現(xiàn)象約2-3倍的d，要求相鄰兩個點的距離≥4d，軟材料≥6d；否則測得的值將高于實際值；試件厚度不小于壓痕深度的10倍；壓痕離試件邊緣的距離應(yīng)不小于壓痕直徑。安全注意事項第30頁,共63頁，2024年2月25日，星期天4.維氏硬度測試法第31頁,共63頁，2024年2月25日，星期天4.1維氏硬度的測量原理測量原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是用金剛石正四棱錐壓頭。正四棱錐兩對面的夾角為136°，底面為正方形，如圖4所示。維氏硬度所用的載荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，負(fù)載的選擇主要取決于試件的厚度。第32頁,共63頁，2024年2月25日，星期天圖4維氏金剛石棱錐壓頭第33頁,共63頁，2024年2月25日，星期天維氏硬度的測試原理

第34頁,共63頁，2024年2月25日，星期天壓痕是一個底面為正方形的正四棱錐。用顯微鏡測定方坑對角線長度d，維氏硬度值HV等于所用載荷與壓痕面積的比值。壓痕面積F為：F=d2/2sin68?

硬度表示為：HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2

式中：P——載荷；

d——對角線長度；

F——壓痕面積。第35頁,共63頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)載荷P已知時，只要測得壓痕對角線長度d，就可以求出維氏硬度值。通常是在測量d值后從《壓印對角線與維氏硬度對照表》中查出相應(yīng)的硬度值。第36頁,共63頁，2024年2月25日，星期天4.2壓痕對角線的測量壓痕對角線長度是用附在硬度計上的顯微測微器測量的。測量精度可達(dá)10-3mm。應(yīng)測出兩條互相垂直的對角線的長度，取平均值。規(guī)定兩條壓痕對角線之差與較短對角線之比不大于2%。若材料各個方向上的硬度不均勻而使比值>2%者，需要在硬度值后面注明。

第37頁,共63頁，2024年2月25日，星期天維氏硬度表示法640HV30表示用136°金剛石壓頭在294.2N試驗力作用下保持10～15秒測得的維氏硬度值為640。

640HV30/20表示用136°金剛石壓頭在294.2N試驗力作用下保持20秒測得的維氏硬度值為640。第38頁,共63頁，2024年2月25日，星期天4.3對試樣的要求

要求試樣經(jīng)過拋光，試樣硬度至少是壓痕深度的10倍或者不小于壓痕對角線的1.5倍，在滿足這個條件的情況下盡可能選用較大載荷，可減少測量誤差。第39頁,共63頁，2024年2月25日，星期天4.4優(yōu)缺點及注意事項優(yōu)點可測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。維氏硬度值測量精確可靠，在材料科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。缺點維氏硬度需測量對角線的長度，然后通過計算或查表才能得到硬度值。測量過程繁瑣，工作效率低。在測量過程中，采用計算機(jī)控制測量過程，采集和處理數(shù)據(jù)，可能克服上述缺點并大大提高工作效率。第40頁,共63頁，2024年2月25日，星期天注意維氏硬度兩相鄰壓痕中心之間的距離，對于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的3倍；對于輕金屬、鉛、錫及合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的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。金屬維氏硬度試驗執(zhí)行的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為：

GB/T4340.1－1999金屬維氏硬度試驗第1部分：試驗方法。

第41頁,共63頁，2024年2月25日，星期天5.顯微硬度測試法第42頁,共63頁，2024年2月25日，星期天5.1顯微硬度的測量原理顯微硬度的測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表示的。只是試樣需要拋光腐蝕制成金相顯微試樣，以便測量顯微組織中各相的硬度。顯微硬度一般用HM表示。第43頁,共63頁，2024年2月25日，星期天

5.1.1顯微硬度測試用的壓頭有兩種：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。它的壓痕長對角線與短對角線的長度之比為7.11。

如圖5所示:第44頁,共63頁，2024年2月25日，星期天維氏金剛石棱錐壓頭

努氏金剛石棱錐壓頭

圖5維氏硬度壓頭第45頁,共63頁，2024年2月25日，星期天5.1.2硬度計算公式兩面之間的夾角為136°的金剛石正四棱錐壓頭時,顯微硬度的計算公式為：

HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2

式中：P——載荷(g)；

d——壓痕對角線長度(μm)。顯微硬度值與維氏硬度完全一致，計算公式差別只是測量時用的載荷和壓痕對角線的單位不同造成的。第46頁,共63頁，2024年2月25日，星期天壓頭叫克努普(Knoop)金剛石壓頭時,顯微硬度值為：

HK=P/A=14229P/L2kg/mm2

式中：P——載荷(g)；

L——壓痕對角線長度(μm)。第47頁,共63頁，2024年2月25日，星期天顯微硬度如用kg/mm2為單位時，可以將單位省去，例如HM300，表示其顯微硬度為300kg/mm2

第48頁,共63頁，2024年2月25日，星期天5.2設(shè)備簡介設(shè)備名稱：維氏顯微硬度計儀器組成：照明系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)、目鏡系統(tǒng)、調(diào)焦裝置、硬度值測量系統(tǒng)。應(yīng)用：測量各種組成相的硬度及滲層的硬度變化梯度等。第49頁,共63頁，2024年2月25日，星期天試驗前的準(zhǔn)備工作：接通電源，試樣壓平后固定在載物臺上；將物鏡轉(zhuǎn)如光路并固定；旋轉(zhuǎn)目鏡使計測線邊緣聚焦；調(diào)好后復(fù)零：D1顯示“0.0”

5.3顯微硬度的測試方法第50頁,共63頁，2024年2月25日，星期天硬度測試：安裝物鏡；試樣聚焦（聚焦前試樣表面與鏡頭距離不少于0.4mm）測試位置置于中心；壓頭置于光路；設(shè)置測試載荷（H、L兩檔）；加載（確認(rèn)物鏡不在光路中）；物鏡轉(zhuǎn)入光路；調(diào)目鏡測對角線長度；硬度顯示。第51頁,共63頁，2024年2月25日，星期天壓痕對角線長度的測定：旋轉(zhuǎn)目鏡左右旋鈕，使左計測線內(nèi)側(cè)邊緣與壓痕左側(cè)尖端相切，右計測線內(nèi)側(cè)邊緣與壓痕右側(cè)尖端相切，按“數(shù)值輸入”鍵，壓痕對角線長度在D1位置顯示；將測微目鏡逆時針旋轉(zhuǎn)90度后重復(fù)上述操作，測量壓痕豎直方向?qū)蔷€長度，按“數(shù)值輸入”鍵，壓痕對角線長度在D2位置顯示。第52頁,共63頁，2024年2月25日，星期天5.4影響顯微硬度值的因素1)試樣制備制備試樣時，因磨削使表面塑性變形引起加工硬化，這會對顯微硬度值有很大的影響(有時誤差可達(dá)50%)，低載荷下更為明顯。因此要盡量減少表面變形層，特別對軟材料，最好采用電解拋光。第53頁,共63頁，2024年2月25日，星期天2)載荷根據(jù)試樣的實際情況，選擇適當(dāng)?shù)暮奢d，允許時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，選用不同的載荷測試得出的結(jié)果不完全相同，一般載荷越小，硬度值波動越大。對于同一試驗最好始終選相同的載荷，以減少載荷變化對硬度值的影響。第54頁,共63頁，2024年2月25日，星期天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)加載速度和保載時間加載速度過快，會使壓痕加大，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)行測量。第55頁,共63頁，2024年2月25日，星期天6.使用硬度計應(yīng)注意的事項

除了各種硬度計使用時特殊注意事項外，還有一些共同的應(yīng)注意的問題，現(xiàn)列舉如下：第56頁,共63頁，2024年2月25日，星期天1)硬度計本身會產(chǎn)生兩種誤差：一是其零件的變形、移動造成的誤差；二是硬度參數(shù)超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)所造成的誤差。對第二種誤差，在測量前需用標(biāo)準(zhǔn)塊對硬度計進(jìn)行校準(zhǔn)。第57頁,共63頁，2024年2月25日，星期天洛氏硬度各標(biāo)度有一事實上的適用范圍，要根據(jù)規(guī)定正