第5章 材料硬度试验

12§2.4硬度金属硬度的意义：硬度是表征材料软硬程度的一种性能。一般认为硬度是一定体积内材料表面抵抗变形或破裂的能力。其物理意义随试验方法不同而不同。（1）压入法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）：主要表征金属的塑性变形抗力及应变硬化能力；（2）弹性回跳法（如肖氏硬度）：主要表征金属弹性变形功的大小；（3）划痕法（如莫氏硬度）：主要表征金属对切断的抗力。因此“硬度”不是金属独立的性能。(4)其他方法测定材料硬度超声波硬度测定方法、电磁法和其他测试方法。3一、布氏硬度图2-11布氏硬度计图2-12布氏硬度试验原理1、测定原理：①淬火钢球或硬质合金D(mm)；②加载F(kgf)；保压卸载圆形压痕用直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的力(Kgf或N)将压头压入试样表面，保持规定的时间(S)后卸除试验力，试样表面将存在压痕。测量压痕平均直径d(mm)，求得压痕球形面积A(mm2)。HB=0.102F∕A(通常，布氏硬度值不标出单位)根据压头材料不同，布氏硬度可标注：HBS：压头为淬火钢球(布氏硬度在450以下的材料)；HBW：压头为硬质合金钢球(布氏硬度在450~650的材料);)(204.022dDDDF42、表示方法：数字+硬度符号+数字/数字/数字↓↓↓↓↓硬度值(HBW或HBS)钢球直径载荷定时280HBS10/3000/30；500HBW5/75。布氏硬度试验符合相似原则后，压痕直径必须满足0.24＜d＜0.6D③压头直径及试验力的确定：对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径D及试验力F时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保持不变)。试验力的保持时间：对于黑色金属为10－15s,对于有色金属为30s,对于﹤35HBS的材料为60s。53、压痕几何相似原理(对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径D及试验力F时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保持不变）：已知：d=Dsinφ/2两个条件：一是φ为常数；二是保证F/D2为常数。F/D2为常数→φ一定为常数；F/D2为常数→HB恒定。图2-13压痕相似原理)2/sin11(204.0)(204.02222DFdDDDFHB64、布氏硬度的优缺点：优点：压痕面积大→反映较大区域内各组成相的平均性能；→适合灰铸铁、轴承合金等测量。→试验数据稳定，重复性高。缺点：压痕直径大→不宜在成品件上直接进行检验；硬度不同→更换压头直径D和载荷F；压痕直径的测量也比较麻烦。7材料布氏硬度F/D2钢及铸铁＜140≥1401030铜及其合金＜3535~130＞13051030轻金属及其合金＜351.252.5表2-2布氏硬度实验的F/D2值的选择8测量某试样的布氏硬度时采用了淬火钢球的直径D=5mm的压头，所用的试验力F=2500N，此时得到压痕直径d=1.5mm，试计算该试样的布氏硬度值？9二、洛氏硬度图2-14洛氏硬度计图2-15洛氏硬度试验原理1、测定原理：①圆锥角α＝120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm、3.175mm的淬火钢球；②加载F(kgf)；保压卸载不是测量压痕面积，而是测量压痕深度。③0—0：未加载；l—1：加F1，压入深度为hl；2—2：加F2，压入深度为h2；3—3：卸F2，留F1→压头提高h3→实际压入的深度为h。h值越大，硬度愈低；反之则愈高。④金刚石圆锥：k=0.2mm；淬火钢球：k=0.26mm。002.0hkHR122、洛氏硬度的优缺点：优点：压痕小→采用不同标尺，可测定各种软硬不同和薄厚不一试样的硬度。→压痕小，可对工件直接进行检验；→操作简便迅速；缺点：压痕较小，代表性差；尤其是材料中的偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度大；用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换→不宜在极薄工件上直接进行检验；13硬度符号压头类型初始力F0(N)主试验力F1总试验力F测量硬度范围应用举例HRA金刚石圆锥98.07490.3588.420~88硬质合金HRBΦ1.588钢球882.6980.720~100低碳钢HRC金刚石圆锥1373147120~70淬火钢HRD金刚石圆锥882.6980.740~77薄钢板HREΦ3.175钢球882.6980.770~100铝、镁合金HRFΦ1.588钢球490.3588.460~100铜合金表2-3洛氏硬度实验的规范及应用布氏硬度只能测定硬度值小于450HB(或650)的材料；洛氏硬度虽可测定各种硬度，但标尺不同，所测硬度值不能直接换算。为了使得软硬材料有个连续一致的硬度指标，制定了维氏硬度。14洛氏硬度试验中，试样的最小厚度应不小于压痕深度10倍15三、维氏硬度图2-16维氏硬度计图2-17维氏硬度试验原理1、测定原理：①圆锥角α＝136°的金刚石四棱锥②加载F(kgf/gf)；保压卸载测量压痕面积③对角线长度分别为dl和d2(mm/μm)，取其平均值d。④计算表面积S，⑤HV=F/S=1.8544F/d2(1854.4F/d2)括号内表示显微维氏硬度负荷为＜１０Ｎ力以下的维氏硬度试验称为显微维氏硬度162、表示方法：kgfS数字+硬度符号+数字/数字↓↓↓↓硬度值(HV)载荷定时640HV30/20；50HV5。3、优缺点：①优点：采用对角线长度计量，精确可靠；可以任意选择载荷;比洛氏硬度所测试件更薄。②缺点：测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，不宜用于成批生产的常规检验。171、努普硬度试验：①一种显微硬度试验方法．②与显微维氏区别一是压头形状不同；两个对面角不等的四棱锥金刚石压头(其对面角分别为172°30’和130°)，二是硬度值是试验力除以压痕投影面积之商值。故测量出压痕长对角线的长度l(μm)，HK=1.451F/l2Nmm2③压痕细长，且只测量长对角线长度，故精确度较高。适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，可以测定渗层截面上的硬度分布等。四、其它硬度图2-18努氏硬度试验182、肖氏硬度试验：①动载试验法；②原理：一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表征材料硬度；肖氏硬度的符号用KS表示．③标准重锤从一定高度落下，以一定的动能冲击试祥表面，使其产生弹性变形与塑性变形。其中一部分冲击能转变为塑性变形功被试祥吸收。另一部分以弹性变形功形式储存在试祥中．当弹性变形回复时能量被释放，使重锤回跳至一定高度。材料的屈服强度越高，塑性变形越小，则存储的弹性能越高，重锤回跳得也越高，表明材料越硬。因此，肖氏硬度试验只在弹性模量相同时才可进行比较．④优缺点：一般为手提式，使用方便，便于携带．可测现场大型工件的硬度．其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大，测量精度较低。图2-19肖氏硬度计193、莫氏硬度陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度，它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度，后面的材料可以划破前面材料的表面。起初，莫氏硬度为分10级，后来因为出现了一些人工合成的高硬度材料，故又将莫氏硬度分为15级．图2-20莫氏硬度分级204、里氏硬度由美国Dr.DietmarLeeb提出，是一种动态硬度试验法。硬度传感器的冲击体在与被测工件冲击过程中，距工件表面1mm时的反弹速度（Vb）与冲击速度（Va）的比值乘以1000，定义为里氏硬度值，以HL表示里氏公式如下：HL=Vb/Va×1000里氏硬度仪的特点肖氏硬度仪要垂直向下使用；里氏可在任意方向上使用。布、洛、维氏硬度计不便于在现场使用；里氏便于在现场使用。里氏硬度的相关因素里氏硬度值与金属材料的弹性模量E有关．所以里氏硬度仪是按材料种类进行分类测试的。里氏硬度与其它硬度的转换里氏硬度值与其它硬度值(HRC、HB、HV等)之间有对应关系．可将里氏值(HL)通过机内微电脑转换成其它硬度值。图2-21里氏硬度计21尚未从理论上确定它们之间的关系，根据大量实验确定了硬度与某些强度指标的联系：1、金属的布氏硬度与抗拉强度之间成正比关系，即Rm＝kHBk为比例关系2、布氏硬度与疲劳极限σ-1：σ-1＝mRm＝mkHB五、硬度与其它力学性能关系