金相與硬度測試

1、材料分析技術(shù)材料分析技術(shù)金相與硬度測試金相與硬度測試一 硬度n（一）基本概念（一）基本概念n1. 硬度定義硬度定義n 硬度是衡量金屬材料軟硬的一種性能指標(biāo)。n2 常用硬度測量方法和分類常用硬度測量方法和分類n 硬度測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。壓入法比較簡單，能測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度等性能指標(biāo)有一定關(guān)系，可由硬度值推斷其他強度指標(biāo)，實際工作中使用最多。n3 硬度的物理意義硬度的物理

2、意義n 硬度值的物理意義隨著實驗方法的不同而不同。對壓入法，硬度表示材料表面抵抗另一種物體壓入時所引起的變形功；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彈性變形功的大??；因此硬度值實際上不是一個單純的物理量，它是表征著材料的彈性、塑性、變形強化、強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）（二） 硬度測量原理硬度測量原理n1. 布氏硬度布氏硬度n 布氏硬度的測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)合金頭壓入被測金屬的表面，保持一定時間后卸載，根據(jù)金屬壓痕的表面積F（mm2),除載荷

3、所得的商值即為布氏硬度，其符號用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。 2/102.0)(mmNDhPFPWHBSn在實際實驗時，由于測量壓痕直徑d比h方便，因此將上式h換算成d的表達式n式中，HBS、HBW分別代表用鋼球和金剛石壓頭測得的硬度，d是唯一變量，試驗是只要測出壓痕直徑d（mm),可通過計算，或查布氏硬度表即可得到HB值。n 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)實驗時，能使用不同大小負荷P和鋼球直徑D。對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，要保證級和相似性，

4、必須保證鋼球壓入角j相等。22212dDDh222102. 0)(dDDDPWHBSn由圖可知，n 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，硬度實驗時必須執(zhí)行。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定布氏硬度實驗時， 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及載荷保持時間。2sinjDd 2sin11222jDPHB布氏硬度實驗規(guī)范布氏硬度實驗規(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)在和保持時間（sec)黑色

5、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布氏硬度試驗的有效性、標(biāo)注、優(yōu)缺點和適用范圍布氏硬度試驗的有效性、標(biāo)注、優(yōu)缺點和適用范圍n有效性檢驗：有效性檢驗： 試驗后壓痕直徑應(yīng)在0.25Dd0.6D的范圍內(nèi)，否則試驗無效，應(yīng)考

6、慮換用其他載荷重做試驗。n表式方法：表式方法： 用D=10mm，P=1000kgf，載荷保持時間10sec, 所測硬度值為280，則用HB280表示。在其他試驗條件下，符號HB應(yīng)以相應(yīng)的指數(shù)注明鋼球直井，載荷大小及保持時間。如HB5/250/30,表示D=5, P=250kgf, 載荷保持時間為30sec。n優(yōu)點：優(yōu)點： 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，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響，適用于測定灰口鑄鐵，軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料；實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好，與強度有一定換算關(guān)系。n缺點：缺點：由于壓頭為淬火鋼球，由于鋼球自身的變形問題，適用于H

7、B450的硬度范圍。n2. 洛氏硬度洛氏硬度n 洛氏硬度是目前使用最為廣泛的實驗方法，和布氏硬度一樣，也是一種壓入硬度實驗方法，但它不是測量壓痕面積，而是測量壓痕深度，以深度大小表示材料的硬度值。n洛氏硬度的壓頭采用錐角為120on的金剛石圓錐或直徑為1.588mmn（1/6 inch)的鋼球。載荷分兩次n加，先加初載P1，然后加主載荷nP2，其總載荷為P=P1+P2.n圖中0-0為金剛石壓頭沒有和試樣n接觸位置，1-1為壓頭受到初載P1n后壓入試樣深度為h0的位置，2-2n為受到主載荷P2后壓入試樣深度n為h1的位置，3-3為壓頭卸掉主載n荷仍保留初載P1下的位置，由于彈性恢復(fù)，壓頭位置提高

8、了h2。此時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。n金屬越硬，壓痕深度越?。唤饘僭杰?，壓痕深度越大。若直接以深度h作為硬度值，會出現(xiàn)材料越軟，h值反而越大的情況。為了適應(yīng)人們認為硬度越高，材料越硬的習(xí)慣相一致，認為規(guī)定以常數(shù)K減去h值作為落實硬度值的指標(biāo)，并規(guī)定每0.002mm為一個洛氏硬度單位，用符號HR表示：n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。002.0hKHRn洛氏硬度的優(yōu)缺點洛氏硬度的優(yōu)缺點n3. 維氏硬度維氏硬度n載荷P可從0.5-120kgf范圍內(nèi)根據(jù)試樣大小、薄厚和其他條件進行選擇，但常用的載荷為是

9、0.5，1，5，10，30kgf。n壓痕對角線是用附在硬度計上的顯微計測量的。測量時應(yīng)測出兩對角線長度，求其算術(shù)平均值作為壓痕對角線長度d。測出d后，就可以用計算或從不同載荷下計算好的對照表查得試樣的維氏硬度值。)/(8544.122mmkgfdPFPHV維氏硬度的優(yōu)缺點維氏硬度的優(yōu)缺點n優(yōu)點：優(yōu)點：n1）不存在布氏硬度試驗?zāi)欠N載荷與壓頭直徑比例關(guān)系的約束，n2）不存在變形問題n3）由于角錐壓痕輪廓清晰，采用對角線長度計量，精確可靠。n4）不存在洛氏硬度的硬度級無法統(tǒng)一的缺點，而且較洛氏硬度能夠更好的測量極薄試樣的硬度。n缺點缺點n 硬度值需要測量對角線，然后查表獲得，生產(chǎn)效率不如洛氏硬度，不

10、適宜于大批量的常規(guī)檢驗。4. 顯微硬度顯微硬度n顯微硬度試驗實質(zhì)上就是小負荷的維氏硬度試驗，其原理與維氏硬度相同，所不同的實載荷以克力（gf)，壓痕長度以微米計量。主要用來測定各種組成相的硬度。顯微硬度符號用HM表示。n式中P為克力（gf), d為微米（mm ）。n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化層，以免影響試驗結(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。)/(4 .185422mmkgfdPHM 5. 硬度和抗拉強度的換算關(guān)系硬度和抗拉強

11、度的換算關(guān)系n實踐證明，硬度實驗室機械性能試驗中最簡單的一種實驗方法。材料的硬度和強度之間存在一定的關(guān)系，根據(jù)硬度可近似估計材料的強度，但精確的強度需要仔細的測量。n幾種常用的經(jīng)驗公式幾種常用的經(jīng)驗公式未淬硬鋼：碳鋼90100)130/(1046. 290)130/(10587. 217538. 317555. 344HBHRBHRBHRBHBHBHBHBbbbb27HRC)-100/1003. 55 .2426HRCHSbb（肖氏硬度）n灰鑄鐵n鑄鋼n鉻錳硅鋼 b=3.5HBn鉻鉬鋼 b=3.3HBn硬鋁 b=3.7HBn黃銅 b=5.3HBn純銅 b=4.8HBn根據(jù)洛氏硬度 b=-801

12、.24+50.08HRC40HRC)-100/1045. 840)43(4HRCHRCHBbb（2740HRC)-100/107883. 4)40(633. 126HRCHBbb（三）三） 實驗設(shè)備和試驗步驟實驗設(shè)備和試驗步驟n1. HB-3000型布氏硬度計型布氏硬度計概述適用范圍適用范圍主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)使用方法實驗規(guī)范操作注意事項2 數(shù)字式洛氏硬度計技術(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)）硬度測量方法硬度測量方法（續(xù)）硬度測量方法（續(xù)）硬度測量方法（續(xù)注意事項硬度測量方法（續(xù)）測量操作流程圖測量注意

13、事項測量注意事項（續(xù)）測量注意事項（續(xù)）測量注意事項（續(xù)）3 HVS-1000型顯微硬度計型顯微硬度計n簡介主要技術(shù)參數(shù)操作面板功能介紹操作面板功能介紹硬度計的使用硬度計的使用硬度計的使用硬度計的使用注意事項注意事項注意事項三三. 金相分析金相分析n1. 金相試片的制備金相試片的制備n1） 概述概述n 金相顯微分析試驗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行組織分析。n 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

14、的結(jié)果，有時可能因出現(xiàn)假象而得出錯誤的判斷。因此學(xué)會制備金相試片，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方法和步驟n 金相試片的制備包括試樣的切取、鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕五個步驟。n（1）試樣的切?。┰嚇拥那腥 試樣的切取應(yīng)考慮試樣被檢驗面的選擇。被檢驗面組織的形態(tài)、分布、數(shù)量、大小等，必須充分代表被測金屬或工件的特點。試樣從工件或鋼鐵或有色材料上截取時，應(yīng)保證不使檢驗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

15、和其他方法擊碎后使用。（2）試樣的鑲嵌）試樣的鑲嵌n 對于小試樣，一般進行鑲嵌處理。為了磨制方便，試樣形狀一般為圓柱狀或長方形。試樣鑲嵌一般在試樣鑲嵌機上進行，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n為半透明或透明狀，耐蝕性好，但較n軟。n 鑲嵌一般在鑲嵌機的鑲嵌模中進n行，首先將試樣放入模中，然后加入n鑲嵌材料，加熱，同時加壓，保持一n定時間后，去除壓力，將試樣頂出。n 也可用環(huán)氧樹脂加凝固劑鑲嵌。（3）試樣的磨制）試樣的磨制n 磨制的目的是獲得平整、光潔的檢驗面，為以后的拋光作準(zhǔn)備。n a 粗磨（磨平）n 試樣磨制前應(yīng)先用

16、砂輪或銼刀平整檢驗面，并將其磨面的棱角去處。磨制時，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Α榱瞬黄茐臋z驗面地組織，應(yīng)不時在水中冷卻。n b 細磨n 粗磨后仍保留很深的劃痕，為取出這些劃痕，必須進行細磨?？煞譃槭止ぜ毮ズ蜋C械細磨。n 手工細磨是將粗磨后的試樣在從粗到細的砂紙上逐道細磨。待上一道磨制劃痕完全消除后，才能進行下道磨制工序。更換砂紙時，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。如此進行下去，直到達到拋光前應(yīng)有的光潔度。砂紙各個廠家不同，編號不同，一般采用隔號選擇。如100，200，400，600#, 800#, 1

17、000#或100，300， 1(2)，3(4)#,5(6)#, 7#等。根據(jù)實驗室條件選擇。（4）試樣的拋光）試樣的拋光n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，達到光亮而無劃痕的鏡面。試樣拋光可分為機械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光。其中最常用的是機械拋光。n a 機械拋光 是在專用的拋光機上進行。拋光用織物，常用的有布、呢料、絨布、長毛金絲絨及綢布等?？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。n 拋光時，將預(yù)先在水中浸泡1.5-2小時的拋光布

18、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)運動，同時試樣沿軸向略微轉(zhuǎn)動。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)機吹干。n 試樣的拋光時間不宜太長，壓力也不可過大。（5）試樣腐蝕）試樣腐蝕n試樣拋光后只能看到光亮的磨面及非金屬夾雜物、裂紋等，為了進行組織分析，必須進行腐蝕。n 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。n 化學(xué)腐蝕時，組織是由于各組織組成物與侵蝕劑之間產(chǎn)生電化學(xué)作用三三 金相觀察金相觀察n1. 顯微鏡組成2. 金相觀察金相觀察n1）接通電源。n2）選擇需要選擇合適倍數(shù)的物鏡和目鏡，換物鏡時，必須將載物臺，以免碰壞物鏡鏡頭。n3）將試樣放在載物臺上放平，并用彈簧片壓緊。如果試樣被面不平，用橡皮泥予以調(diào)整。n4）調(diào)整載物臺使之對準(zhǔn)物鏡中心