硬度试验理论和应用

硬度检测的理论及应用郦剑教授浙江大学材料科学与工程学系[e-mail]13958035140内容简介•硬度测试方法–洛氏硬度，维氏硬度，布氏硬度，努氏硬度•硬度检测实例焊缝热处理工件渗层深度测试钢的端淬试验18-04-20132硬度定义•最常用的是压入法测试，此时材料硬度定义为材料抵抗另一种更硬材料压入的能力，通过测量施压后留下的永久ForceForce通过测量施压后留下的永久塑性变形表征，即压痕面积或压痕深度的大小。•此外还有以下几种硬度测试方法：18-04-20133刮擦式硬度刻画式硬度是最古老的检测硬度的方法，用一个固体刮擦另一个固体表面划痕来判别。1822年Mohs提出莫氏硬度，现在莫氏硬度主要应用于矿物学和宝石领域。18-04-20134工程上用标准硬度锉刀评判钢铁制品的硬度，也是属于刻画式硬度检测技术。《钢铁硬度锉刀检验法》GB/T13321-1991标准参照美国SAEJ864JUN79锉刀检验表面硬度标准制订的，锉刀检测硬度方法相应分为7级，最低1级为39～刻画式硬度18-04-20135713941HRC，标准锉刀和标准试块的材料为T12A。检验用钢材有结构钢、合金结构钢、碳素和合金工具钢、高速钢、模具钢及渗碳钢等。热处理工艺有普通淬火、高频淬火、真空淬火、渗碳、碳氮共渗、渗氮等。标准硬度锉刀18-04-20136反弹式硬度反弹式硬度计有肖氏硬度计、里氏硬度计、巴氏硬度计、韦氏硬度计。通过压头（针）对试样表面冲击发生反弹前18-04-20137对试样表面冲击发生反弹前后的不同物理量进行比较，得出材料的硬度，具有检测快捷、适合大型工件现场检测等优点。肖氏硬度计硬度检测目的硬度检测基本目的是评估材料机械性能、热处理操作是否合格。硬度检测是最简便实用、应用最广泛的力学性能测试技术。硬度和材料其他性能如拉伸强度相关性非常密切，但其18-04-20138术。硬度和材料其他性能如拉伸强度相关性非常密切，但其测试方法尤其是制样方法相比之下方便得多，如软钢的抗拉强度（MPa）大约是其布氏硬度的30倍，但拉伸试验制样要求高过程繁复。硬度检测方法的优点•能提供可靠的材料相关性能的信息，•操作简便快捷，•样品要求简单，测试成本较低，，•属于无损测试，可对成品进行全检，不影响其质量，•属于无损测试，可对成品进行全检，不影响其质量，•制样要求简单，尺寸和形状要求低•适用各种固体材料。18-04-20139硬度检测的局限性•硬度不是材料的基础性能，它是材料强度、弹性、塑性和冷作硬化等各种性能的综合行为表现。•硬度值有分散性，并和操作者技能相关•硬度值与下列操作因素相关:•硬度值与下列操作因素相关:–测试方式–载荷(方法、加载速度等)–载荷保持时间–压头几何现状18-04-201310压入式硬度检测方法•测定压头压入深度(洛氏硬度)•测定压头压痕面积(维氏硬度，努氏硬度和布氏硬度)18-04-201311维氏硬度检测加载范围•1g–100kg•显微硬度，宏观硬度18-04-201312努氏硬度检测加载范围•10g–1kg(显微硬度)布氏硬度检测加载范围•1kg–3000kg(宏观)18-04-201314洛氏硬度检测加载范围•15kg–150kg(宏观)18-04-201315显微硬度的定义•显微硬度的物理意义与硬度相同；检测条件要求如下：•显微硬度施加载荷为1g–1000g，载荷不大于1kg•压痕变形须用显微镜测定•压痕变形须用显微镜测定•显微硬度样品表面须磨平抛光、与样品载物台表面平行18-04-201316维氏硬度检测金刚石角锥压头在给定载荷下压入样品表面，根据压痕对角线长度和载荷算出维氏硬度值。测试标准如下:GB/T4340.1—2009/ASTME384–microforceranges–10gfto1kgf/ASTME92–macroforceranges–1kgfto100kgf/ISO6507–microandmacroranges18-04-20131722sin()221854.4FHVFdda=×=HV:维氏硬度值F:载荷(g)d:对角线平均长度(μm)d2维氏硬度压痕测试硬度压痕测量示意图d1维氏硬度压痕间距：较硬材料dv3≥18-04-201319Edgediagonaldv=v5.2≥dv2≥Steels/Cu+Alloys维氏硬度测试压痕间距：软材料dv7≥18-04-201320Edgediagonaldv=dv5≥dv6≥Pb/Sn/Zn/Al+Alloys维氏硬度测试的应用18-04-201321维氏硬度测试是最通用的硬度检测技术，理论上讲适用于所有材料。努氏硬度检测F为防止维氏硬度测试脆性材料发生开裂以及测试薄层材料，发明努氏硬度测试方法，其原理与维氏硬度测试相同，仅压头几何形状不同。测试标准:•ASTME384；ISO454518-04-201322214229LFHK=HK:努氏硬度值F:载荷(g)L:长对角线长度(μm)努氏硬度检测压痕间距dkdw318-04-201323Edgedw4≥diagonaldk=dk5.1widthdw=布氏硬度检测给定直径WC球形压头在给定载荷下压入样品表面，根据压痕面积和载荷算出布氏硬度值常规应用•锻件,铸件，其晶粒粗大不适用HR,HV.•大尺寸样品GB/T231.1—2009；ASTME10；ISO650618-04-201324()222dDDDFHB--=pHB:布氏硬度值(HBW)；F:载荷(kg)；D:压头直径(mm)；d:压痕直径(mm)布氏压痕压头直径有:Ø1,Ø2.5,Ø5,Ø10mm布氏硬度压痕测量1230布氏硬度检测压痕Commonincold-workedmaterialsRidgedeffect布氏硬度测试压痕常见几何效应CommoninannealedmaterialsSinkingeffectNoeffectSource:ASM,HardnessTesting4thedition,1995Also,heavydeformationsaroundsoftermaterialsareoftenobserved,makingpreciseevaluationdifficult.Thiscanbehelpedbyusingaringlightsystem布氏硬度检测的应用TestMethodApplication/MaterialHardnessRange(HBW)HBW1/30Steel/Iron95-650HBW2,5/187,5HBW5/750HBW10/3000HBW1/10LightMetals32-220HBW2,5/62,5Cu/AlHB30HBW2,5/62,5Cu/AlHBW5/250Cu-AlloysHBW10/1000Alu-AlloysHBW1/5LightMetals16-110HBW2,5/31,25Cu/AlHBW5/125Cu-AlloysHBW10/500notheattreatedHBW1/2,5LightMetals8-55HBW2,5/15,625HBW5/62,5HBW10/25018-04-201327HB10HB5HB2.5布氏硬度测试压痕间距d3≥d18-04-201328Edged5.2≥洛氏硬度检测方法•根据金刚石圆锥或WC球在预加载荷和最终载荷下的压入深度计算出硬度值18-04-201329GB/T230.1--2009；ASTME18Metals；ISO6508Metals；ASTMD785Plastics；ISO2039-2Plastics洛氏硬度测量方法与原理（1）加载初载荷F0，将压头压入试件表面，计初始位移h0（2）加载主载荷F1保持规定时间，压头位移为h1，卸除主载荷F1（3）保持初载荷F0，测量此刻的压头位移h2（4）按下述公式算出洛氏硬度值（式中位移h单位为mm）：(金刚石圆锥压头)标尺A、D、C：HR=100-(h2-h0)/0.002(WC球压头)标尺E、B、G、H、F、K、P、M、L、R、S、V：HR=130-(h2-h0)/0.002洛氏硬度测试最常用标尺HRA：主加载荷60kg，压头为金刚石圆锥；HRB：主加载荷100kg，压头为淬火钢球；HRC：主加载荷150kg，压头为金刚石圆锥；HRC：主加载荷150kg，压头为金刚石圆锥；洛氏硬度计压头洛氏硬度计有5种类型的压头½”WC球¼”WC球1/8”WC球1/16”WC球金刚石圆锥洛氏硬度计标尺应用指南初始载荷均为10kg标尺压头主加载荷（kg）TypicalApplicationsofScalesHRA金刚石圆锥60Cementedcarbides,thinsteelandshallowcasehardenedsteelHRB1/16“WC球100Copperalloys,softsteels,aluminumalloys,malleableironHRC金刚石圆锥150Steel,hardcastirons,pearliticmalleableiron,titanium,deepcasehardenedsteelandothermaterialsharderthanB100HRD金刚石圆锥100ThinsteelandmediumcasehardenedsteelandpearliticmalleableironHRE1/8WC球100Castiron,aluminumandmagnesiumalloys,bearingmetalsHRF1/16WC球60Annealedcopperalloys,thinsoftsheetmetalsHRG1/16WC球150Phosphorbronze,berylliumcopper,malleableirons.UpperlimitG92toavoidpossibleflatteningofballHRH1/8WC球60Aluminum,zinc,leadHRK1/8WC球150Bearingmetalsandotherverysoftorthinmaterials,includingplastics(SeeASTMD785).Usesmallestballandheaviestloadthatdonotgiveanvileffect.HRL1/4WC球60HRM1/4WC球100HRP1/4WC球150HRR1/2WC球60HRS1/2WC球100HRV1/2WC球15018-04-201333表面洛氏硬度计标尺应用指南洛氏表面硬度检测不适用标准标尺的超薄试样或其他标准标尺以外的试样。通常金刚石圆锥压头用于硬材料而球压头用于软材料.(表面洛氏硬度初始载荷均为3kg)标尺压头主加载荷典型用途HR15N金刚石圆锥15kgCementedcarbides,thinsteelandshallowcasehardenedsteelHR30N30kgSteel,hardcastirons,pearliticmalleableiron,titanium,deepcasehardenedsteelandothermaterialsharderthanB100HR45N45kgThinsteelandmediumcasehardenedsteelandpearliticmalleableironHR15T1/16“WC球15kgCopperalloys,softsteels,aluminumalloys,malleableironHR30T30kgAnnealedcopperalloys,thinsoftsheetmetalsHR30T30kgAnnealedcopperalloys,thinsoftsheetmetalsHR45T45kgPhosphorbronze,berylliumcopper,malleableirons.UpperlimitG92toavoidpossibleflatteningofballHR15W1/8WC球15kgCas