工程材料：金屬材料硬度測定

1、長安大學(xué)材料學(xué)院一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?1了解不同種類硬度測定的基本原理及常用硬度試驗法的應(yīng)用范圍。 2學(xué)會使用布氏、洛氏、維氏硬度計并掌握相應(yīng)硬度的測試方法。 二、實驗原理二、實驗原理金屬的硬度可以認(rèn)為是金屬材料表面在接觸應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的一種能力。 常用的硬度試驗方法有： 布氏硬度試驗主要用于黑色、有色金屬原材料檢驗，也可用于退火、正火鋼鐵零件的硬度測定。 洛氏硬度試驗主要用于金屬材料熱處理后的產(chǎn)品硬度檢驗。 維氏硬度試驗主要用于薄板材或金屬表層的硬度測定以及較精確的硬度測定。 顯微硬度試驗主要用于測定金屬材料的顯微組織組分或相組分的硬度。1布氏硬度 布氏硬度試驗是施加一定大小的載

2、荷P，將直徑為D的鋼球壓入被測金屬表面(如圖1所示)保持一定時間，然后卸除載荷，根據(jù)鋼球在金屬表面上所壓出的凹痕面積F凹求出平均應(yīng)力值，以此作為硬度值的計量指標(biāo)，并用符號HB表示。 其計算公式如下： HB=P/F凹 1 式中： HB布氏硬度；P施加外力，N；F凹壓痕面積，mm2。 根據(jù)壓痕面積和球面之比等于壓痕深度h和鋼球直徑之比的幾何關(guān)系，可知壓痕部分的球面面積為： F凹=Dh 2 式中 D鋼球直徑，mm；h壓痕深度，mm。 由于測量壓痕直徑d要比測定壓痕深度h容易，故可將式2中的h改換成d來表示，這樣可以根據(jù)幾何關(guān)系求出2222 1/2(/2)(/2)( /2) ()/2DhDdhDDd3

3、 將式(2)和式(3)代入式(1)即得：當(dāng)試驗力是P的單位是N時： 式中的d是變數(shù)，故只需測出壓痕直徑d，根據(jù)已知D和P值就可以計算出HB值。在實際測量時，可由壓痕直徑d直接查表得到HB值。222()PPHBFD DDd4 220.1020.204()PPHBFD DDd5 由于金屬材料有硬有軟，所測工件有厚有薄，若只采用同一種載荷(如29400N)和同一個鋼球直徑(如D=10mm)時，則對有些試樣合適，而對另一些試樣可能不合適，會發(fā)生整個鋼球陷入金屬中的現(xiàn)象；若對于厚的試樣合適，則對于薄的試樣可能會出現(xiàn)壓透的可能。所以在測定不同的材料布氏硬度值時要求有不同載荷P和不同直徑D的鋼球。為了得到統(tǒng)

4、一的可以進(jìn)行相互比較的數(shù)值，必須使D和P之間維持某一比值關(guān)系，以保證所得到的壓痕形狀的幾何相似關(guān)系，其必要條件就是使壓入角保 持不變。根據(jù)相似原理，由圖1中可知d和的關(guān)系是：sinsin2222DddD 以此代入式4得： 式6說明，當(dāng)值為常數(shù)時，為使HB相同，P/D2也應(yīng)保持為一定值。因此對同一材料而言，不論采用何種大小的載荷和鋼球直徑，只要能滿足P/D2=常數(shù)，所得到的HB值是一樣的。對不同的材料來說，得到的HB值也可以進(jìn)行比較。按照國標(biāo)的規(guī)定，P/D2比值有30、10和2.5三種，具體布氏硬度試驗規(guī)范和適用范圍可以參考表1。 22211 sin2PHBD62洛氏硬度 洛氏硬度試驗常用的壓頭

5、為圓錐角=120、頂部曲率半徑為0.2mm的金剛石圓錐體或直徑D=1.588mm的淬火鋼球。試驗時(圖2)，先對試樣施加初試驗力F0，在金屬表面得一壓痕深度h0，以此作為測量壓痕深度的基線。隨后再加上主試驗力F1，此時壓痕深度的增量為h1。金屬在F1作用下產(chǎn)生的總變形h1中包括彈性變形和塑性變形。當(dāng)將F1卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)，使壓頭回升一段距離。于是得到金屬在F0作用下的殘余壓痕深度h(將此壓痕深度h表示成e，其值以0.002mm為單位表示)，e值愈大表明金屬洛氏硬度愈低；反之，則表示硬度愈高。 為了照顧習(xí)慣上數(shù)值愈大硬度愈高的概念，故用一個常數(shù)k減去e來表示洛氏硬度值，并以符號HR

6、表示，即： HR=k-e 7 當(dāng)使用金剛石圓錐體壓頭時，常數(shù)k定為100；當(dāng)使用淬火鋼球壓頭時，常數(shù)k定為130。 實際測定洛氏硬度時，由于在硬度計的壓頭上方裝有百分表，可直接測出壓痕深度，并按式7換算出相應(yīng)的硬度值。因此，在試驗過程中金屬的洛氏硬度值可直接讀出。 為了測定軟硬不同的金屬材料的硬度，在洛氏硬度計上可選配不同的壓頭與試驗力，組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺。每一種標(biāo)尺用一個字母在HR后注明。我國最常用的標(biāo)尺有A、B、C三種，其硬度值的符號分別用HRA、HRB、HRC表示。洛氏硬度試驗規(guī)范和適用范圍見表2。 3維氏硬度 維氏硬度的試驗原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗

7、力來表示維氏硬度值。所不同的是維氏硬度用的壓頭不是球體而是兩對面夾角=136的金剛石四棱錐體。壓頭在試驗力F(單位是kgf或N)作用下，將試樣表面壓一個四棱錐形壓痕，經(jīng)規(guī)定時間保持載荷之后，卸除試驗力，由讀數(shù)顯微鏡測出壓痕對角線平均長度d 122ddd8 式中d1和 d2分別是兩個不同方向的對角線長度，用以計算壓痕的表面積。所以維氏硬度值(HV)就是試驗力P除以壓痕表面積F所得的商。當(dāng)試驗力P為kgf(9.8N)時計算公式如下： 當(dāng)試驗力P為N時計算公式如下： 222 sin(136 /2)1.8544PPPHVVdd9 220.1020.204 sin(136 /2)1.891PPPHVFd

8、d10 與布氏硬度一樣，維氏硬度值也不標(biāo)注單位。維氏硬度值的表示方法是：在HV前書寫硬度值，HV后按順序用數(shù)字表示試驗條件(試驗力/試驗力保持時間，保持時間為10-15s者不標(biāo))。例如640HV30/20表示用30kgf(294N)試驗力保持20s測定的維氏硬度值為640。如果試驗力為1kgf(9.8N)，試驗加載保持時間10-15s，測得的硬度值為560，則可表示為560HV1。 維氏硬度試驗的試驗力為5(49)-100(980)kgf(N)，小負(fù)荷維氏硬度試驗的試驗力為0.2(1.96)-5(49)kgf(N)，可根據(jù)試樣材料的硬度范圍和厚度來選擇。其選擇原則應(yīng)保證試驗后壓痕深度h小于試樣

9、厚度(或表面層厚度)的1/10。 在一般情況下，建議選用試驗力30kgf(294N)。當(dāng)被測金屬試樣組織較粗大時，也可選用較大試驗力。但當(dāng)材料硬度500HV時，不宜選用大試驗力，以免損壞壓頭。試樣力的保持時間，黑色金屬10-15s，有色金屬302s。 4顯微硬度 金屬顯微硬度試驗原理與宏觀維氏硬度試驗法完全相同。只不過所用試驗力比小負(fù)荷維氏硬度試驗力試驗時還要小，通常在0.01-0.2kgf(0.098-1.96N)范圍內(nèi)。所得壓痕對角線也只有幾微米至幾十微米。因此，顯微硬度是研究金屬微觀組織性能的重要手段。常用于測定合金中不同的相、表面硬化層、化學(xué)熱處理滲層、鍍層及金屬箔等的顯微硬度。 金屬

10、顯微硬度的符號、硬度值的計算公式和表示方法與宏觀維氏硬度試驗法完全相同。金屬顯微硬度試驗的試驗力，分為0.01(9.810-2)、0.02(0.196)、0.05(0.49)、0.1(0.98)及0.2(1.96) kgf(N)等五級，盡可能選用較大的試驗力進(jìn)行試驗。三、實驗設(shè)備及材料三、實驗設(shè)備及材料 1硬度計：布氏、洛氏、維氏及顯微硬度計。 2讀數(shù)顯微鏡：最小分度值為0.01mm。 3標(biāo)準(zhǔn)硬度塊：不同硬度試驗方法的標(biāo)準(zhǔn)硬度 塊。 4. 材料：20、45、T8、T12鋼退火態(tài)、正火態(tài)、 淬火態(tài)及回火態(tài)試樣，2024、7075、6063退火 態(tài)及時效態(tài)試樣，尺寸為2010mm。四、實驗步驟與方

11、法四、實驗步驟與方法 1了解各種硬度計的構(gòu)造、原理、使用方法、 操作規(guī)程和安全注意事項。 2對各種試樣選擇合適的試驗方法和儀器，確 定實驗條件。根據(jù)實驗和試樣條件選擇壓 頭、載荷(砝碼)。 3用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊校驗硬度計。校驗的硬度值不 應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)硬度塊硬度值的3%(布氏)或 (1%-1.5%)(洛氏)。 4試樣支撐面、工作臺和壓頭表面應(yīng)清潔。試 樣平穩(wěn)地放在工作臺上，保證試驗加載過程 中不發(fā)生移動和翹曲，試驗力平穩(wěn)地加在試 樣上，不得造成沖擊和震動，施力方向與試 樣表面垂直。保持載荷規(guī)定的時間(對布氏、 維氏硬度，卸去載荷后用讀數(shù)顯微鏡測量壓 痕尺寸，計算或查表)，卸去載荷準(zhǔn)確地記錄 試驗數(shù)據(jù)。五

12、、實驗注意事項五、實驗注意事項 1試樣兩端要平行，表面應(yīng)平整，若有油污或 氧化皮，可用砂紙打磨，以免影響測量。 2圓柱形試樣應(yīng)放在帶有“V”形槽的工作臺上操 作，以防試樣滾動。 3加載時應(yīng)細(xì)心操作，以免損壞壓頭。 4測完硬度值，卸掉載荷后，必須使壓頭完全 離開試樣后再取下試樣。 5金剛石壓頭系貴重物件，質(zhì)硬而脆，使用時 要小心謹(jǐn)慎，嚴(yán)禁與試樣或其他物件碰撞。 6應(yīng)根據(jù)硬度試驗機的使用范圍，按規(guī)定合理 選用不同的載荷和壓頭，超過使用范圍，將不 能獲得準(zhǔn)確的硬度值。六、實驗報告要求六、實驗報告要求 1簡述布氏硬度和洛氏硬度的試驗原理、優(yōu)缺 點及應(yīng)用。 2設(shè)計實驗表格，將試驗數(shù)據(jù)填入表內(nèi)，對結(jié) 果進(jìn)

13、行分析并進(jìn)行必要的硬度值換算。 3分析用布氏硬度試驗方法能否直接測量成品 或較薄的工件。圖1 布氏硬度的實驗原理圖2 洛氏硬度的試驗原理 表1 布氏硬度試驗規(guī)范材 料硬度范圍HB試樣厚度/mmP/D2鋼球直徑/mm載 荷P/N載何保持時間/s黑色金屬140-4501406-34-266-366-366-332.51052.52450612.5152.8860表2 各種洛氏硬度值的符號、試驗條件和應(yīng)用標(biāo) 尺壓頭類型初始試驗力/kgf(N)主試驗力/kgf(N)硬度值測量范圍應(yīng)用實例HRA120金剛石圓錐體10(98)50(490)65-85高硬度的薄件、表面處理鋼件、硬質(zhì)合金等HRC140(1372)20-67硬度大于100HRB的淬火及回火鋼、鈦合金等HRB1.588mm淬火鋼球90(882)25-100銅合金、鋁合金、退火鋼材、可鍛鑄鐵等HRD120金剛石圓錐體90(882)40