4-第四讲 硬度测试技术

75第五讲硬度测试技术一、硬度的概念硬度的测定是材料在力学性能研究中最简便，最常用的一种方法。所谓硬度，是材料对一更硬物体压入其内时所表现的抵抗能力。硬度计在生产和科研中应用十分广泛，这是由于硬度试验与其它机械性能试验如拉伸、弯曲试验等比较，具有下列特点：⒈试验后工件不被破坏；⒉可以在各种形状和尺寸的试件上进行试验，不需要特别试样；⒊试验方法简单，操作方便，测量迅速；⒋材料的硬度与其强度极限有近似的正比关系：σb=KHB公斤/毫米2式中K为一系数，不同的材料和不同的热处理状态其K值不同。例如碳钢的K值为0.36，调制状态的合金钢为0.34。常用的硬度测试试验方法有：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度，以及里氏、肖氏硬度等。硬度测试没有在性能测试实验室，而在金相热处理实验室中，是个有趣的现象。方便现场检验的需要，应该是首要的考虑（同学们可以考证）。二、洛氏硬度洛氏硬度法是采用金刚石圆锥体（锥角为120°）和采用淬火钢球（直径为1.588毫米）做压头。一般较硬的金属材料（如淬火后的工件）用金刚石压头；较软的金属材料则用钢球压头。其测试压痕为可见，所以人们认为其是宏观硬度测试。洛氏硬度的测试原理是根据压头压入试样表面的不可变的压痕深度来比较材料的硬度数值的高低。如果直接以压痕深度大小作为计量指标，则会出现硬金属的硬度值小，而软金属的硬度值反而大的现象，这不符合人们的一般习惯。因此，用一个选定的常数K来减去所得压痕深度值作为洛氏硬度的指标，即hKHR当以钢球为压头时，K=0.26；以金刚石锥体为压头时，K=0.2。此外，在读数上又规定以压入深度0.002毫米作为标尺刻度的一格，这样，前者的0.26常数相当于130格，后者的0.2常数相当于100格，因此，洛氏硬度值可由下式确定：黑色表盘）红色表盘）(002.0100(002.0130hHRChHRB因此可知，当压痕深度h=0.2mm时，HRB=30，HRC=0，这也说明为什么HRB要取0.26作为常数的原因。因为，B标尺是测试较软的金属材料，试验时有的压痕深度可能超过0.2mm以上，若取0.2作为常数，硬度将会得到负值，为此，常把HRB的常数取得大些。洛氏硬度的测试数据是无量纲。1、载荷与压头的配合76图5-1HR-150A型洛氏硬度计A标尺----60kg+金刚石压头C标尺----150kg+金刚石压头B标尺----100kg+钢球压头2、测量范围标尺符号硬度及几何尺寸常用硬度值范围应用举例A测量的材料预计是硬，但是样品较薄20~88碳化物、表面淬火钢等；对于硬质合金，也测量HRA，不考虑厚薄。B测量的材料预计是软，样品比较厚20~100软钢、退火钢、铜合金等C测量的材料预计是硬，并且样品较厚20~70淬火钢、调制钢等3、注意事项⑴压痕位置的选择：压痕离试样边缘及压痕之间的距离应大于2.5倍压痕直径。⑵操作动作的要求：加载、卸载要平稳，避免猛力。⑶未知样品的软硬情况下，应当首先测量HRA或HRC；明确比较软后，即，HRA≤60（HRC≤20）再测量HRB，避免损坏钢球压头。4、操作规程以实验室现有的设备，HR-150A型洛氏硬度计为例，说明一般的操作规程。⑴选择压头及载荷。⑵按照试样形状、大小选取载物台，然后将试样的上下两面磨平，置于载物台上。⑶预加载荷，依顺时针方向旋转升降手轮，使试样与压头接触，并观察读数百分表上小指针移动到小红点处，大指针在B-C线左右2分度格之内为止。⑷手动调整读数盘，使百分表盘上的长指针对准硬度值的起点。如果试验HRB时，使长指针与表上红字B处对准；如果试验HRC、HRA时，则把长指针与表上黑字C处对准。⑸加主载荷，平稳地向自己的方向扳动加荷手柄，手柄扳动到位后即可松开，待表盘上的指针处于稳定不动状态（应当确定较为固定的载荷保持时间）。⑹卸主载荷，向远离自己的方向平稳地推动卸载手柄，恢复到原来加荷前的位置。⑺读出硬度值：长针指向的数字为硬度值。HRB读里圈的红色数字；HRC、HRA读外圈的黑色数字。⑻卸预载荷：逆时针方向旋转升降手轮，使试样与压头脱离接触，并略微远离。⑼重新选取新的测试位置，或变换测试试样，从⑶~⑻重复进行。5、应用范围应用范围很广，可用于试验各种钢铁原材料、有色金属、经淬火后高硬度工件、表面热处理工件及硬质合金等。6、使用优点压痕小（对试样的外观没有损害、影响），可测量高硬度，可直接读数，操作方便，效率高。7、HR-150A洛氏硬度计使用操作规程我们实验室拥有的洛氏硬度计是HR-150A洛氏硬度计，位于423房间。其操作规范说明如下：试件的准备：试件的厚度应不小于10倍压痕深度；表面必需精细制备使之平坦；不得带有油脂，氧化皮，裂缝，显著的加工痕迹，凹坑及其它污物。具体操作中，可以将试样测试表面采用200号水砂纸粗磨，以保证表77图5-2TH320型全洛氏硬度计面的要求。试件的测试面与基面尽可能保持平行，否则，需要根据测试情况修正。测试种类载荷等选择：视材料选定硬度计的测试种类，进而选定硬度计的载荷数量，测头的种类，测试工作台。对于未知硬度情况的试件，应当先测试HRC或HRA，当HRC的数值低于20，HRA数值低于60时，换用HRB测试。操作程序①将试件稳妥放置在工作台上，然后缓慢转动手轮（顺时针），使工件与测试头接触，继续转动手轮使指示盘中的小指针指于红点处，大指针指向C-B线，其左右偏离不超过±2分度格。通过指示器上的调整盘可使大指针正好与C-B线重合。②将右侧低处的加荷手柄轻轻向前搬动（沿箭头方向），使总载荷加上，至指示器上的大指针停止转动后，停留约10秒钟，然后将处于硬度计右侧靠后的卸荷手柄向后（箭头方向）轻轻推到极限位置，从指示器中读取数据。③反时针转动手轮使试件与测头脱离，取下试样（或另选测试点重复以上程序）。安全规程①手轮转动须一次到位，不可忽升忽降，影响测试。②每个试件测试不宜少于三次。③测试压痕中心至试件边缘的距离不得小于3mm。测试点之间的距离应大于3倍的压痕直径。载荷的加载、卸载注意轻、缓、稳，以保证数据的准确稳定。8、洛氏硬度计的构造请课下查阅有关的技术书籍。9、表面洛氏硬度计（HR2-45型）为了解决表面薄层硬度测量，常用表面洛氏硬度试验方法，其原理与一般洛氏硬度试验方法相同，区别在于该法所使用的金刚石圆锥压头和表盘指示器更为精密；其初始载荷减为3kgf，总载荷分别减为15、30和45kgf。实验室现有的表面洛氏硬度计是：HR2-45型表面洛氏硬度计，在423房间。其操作过程与HR-150A型宏观洛氏硬度计的操作一样，只是在读数上，以及表盘的表示有差别。10、TH320全洛氏硬度计TH320全洛氏硬度计为集洛氏硬度试验机、表面洛氏硬度试验机、塑料洛氏硬度试验机一体的多功能硬度计，采用洛氏（ROCKWELL）测量原理，可直接进行洛氏硬度测量、表面洛氏硬度测量、塑料洛氏硬度测量，并可以将洛氏硬度值转换为HB、HV、HLD、HK、σb值。适用于碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及工程塑料等材料的硬度检测，具有测试精度高，测量范围宽，主试验力自动加卸载，测量结果数字显示并自动打印或与外部计算机通讯等特点。可广泛应用于计量、机械制造、冶金、化工、建材等行业的检测、科研与生产。本机执行标准为：GB/T230.2-2002《金属洛氏硬度试验第2部分：硬度计的检验与校准》、JB/T7409-94《塑料洛氏硬度计技术条件》、欧洲标准BSEN10109-96《金属材料硬度试验》、国际标准ISO6508.2《金属材料-洛氏硬度试验-硬度计的检验与校准》。产品特点：78结构独特本硬度计采用特殊的压头结构，除了可进行一般传统硬度计所能完成的测试外，还可以测试普通硬度计无法测到的表面，如环状、管状零件内表面，如上图所示。测量范围宽可测HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK、HRL、HRM、HRP、HRR、HRS、HRV、HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T、HR15W、HR30W、HR45W、HR15X、HR30X、HR45X、HR15Y、HR30Y、HR45Y共30种标尺的硬度。辅助功能强除一般硬度测试外，具有以下辅助功能：上下限设置，超差判别报警；数据统计，求平均值，标准差，最大、最小值；标尺转换，可将测试结果转换为HB、HV、HLD、HK值以及强度σb；曲面修正，对柱面、球面测量结果自动修正。具有中文、英文两种文本菜单显示，硬度测量结果数字显示。主要性能参数测试分辨率0.1HR洛氏单位工作温度10℃~35℃当用于测试塑料硬度时，相对湿度不超过45%~75%使用环境清洁，无振动，无强烈磁场，无腐蚀性介质供电单相，交流，220V（可切换为110V，供货状态为220V），50~60Hz，4A净重100kg最大外形尺寸720mm×240mm×815mm标尺压头试验力硬度范围应用举例HRA金刚石压头588.4N/60kgf20-88硬质合金，浅表面硬化钢HRD980.7N/100kgf40-77中等表面硬化钢，珠光体可锻铁等HRC1471N/150kgf20-70淬火钢，调质钢，硬铸钢等HRF钢球压头直径1.5875mm(1/16”)588.4N/60kgf60-100退火铜合金，软质薄板合金HRB980.7N/100kgf20-100铜合金，软钢，铝合金HRG1471N/150kgf30-94可锻铁，铜-镍-锌合金HRH钢球压头直径3.175mm(1/8”)588.4N/60kgf80-100铝，锌，铅等HRE980.7N/100kgf58-100铸铁，铝及镁合金，轴承合金HRK1471N/150kgf40-100青铜，铍青铜HRL钢球压头直径6.350mm(1/4”)588.4N/60kgf50-115轴承合金及其它极软的金属如铝、锌、铅、锡等以及塑料、硬纸板等HRM980.7N/100kgf50-115HRP1471N/150kgf100-120HRR钢球压头直径12.70mm(1/2”)588.4N/60kgf50-115HRS980.7N/100kgfHRV1471N/150kgf注1：初试验力均为98.07N/10kgf。注2：硬度计可用于测定塑料硬度，但不适用于塑料薄膜、泡沫塑料。图5-3特殊的压头结构79本设备作为提高性实验技能部分，感兴趣的同学可以另行组织学习。三、显微硬度技术1、显微硬度⑴显微硬度如果用小的载荷把硬度测试的范围缩小到显微尺度以内就称为显微硬度。显微硬度是金相分析中常用的测试手段之一。它和一般硬度测定的原理及方法一样，只是加在锥形金刚石压头上的负荷极小，从数克到数百克，因此在试样上所留的压痕也极微小，压痕对角线一般只有几个微米到几十个微米，这么小的压痕必须用金相显微镜才能测量。因而使得欲评定某一相或结构组分的硬度成为可能，进而为组织分析或性能分析提供依据。显微硬度计类型很多，按结构来分主要有金刚石压头装入物镜和压头单独使用两种。显微硬度测试原理：显微硬度测试采用的压入法类型，所标志的硬度值实质上是金属表面抵抗因外力压入所引起的塑性变形的抗力的大小。硬度值与其它静载荷下的力学性能指标存在着一定的关系，可借以获得其它性能的近似情况。⑵压头类型测量显微硬度的压头是个极小的金刚石锥体，重约0.05~0.06g，镶在压头的顶尖上。显微硬度压头按几何形状分为两种类型：一种是锥面夹角为136°的正方锥体压头。又称维氏（Vikers）锥体，压痕形状见图a，且d1=d2。它的应用较为广泛。在我国，苏联及其它欧洲各国均采用这一类型的压头。另一种是菱面锥体压头，又称克诺伯（Knoop）型压头。压痕形状见图b，且7d1=d2此类压头在美国使用较为普遍。图5-4维氏、努氏压头几何形状d1d2d1d2图a图b图5-5垂直看得压痕形状在一般硬度测定时，当载荷去处后，压痕将因材料的弹性回复而略缩小。甚至产生形状歪扭。压痕的弹性回复量及歪扭程度取决于被测材料的物理性能及压头的形式。努普（Knoop）型压头以菱面锥体压入试样表面，压头的形状设计恰使荷重去处后