材料顯微硬度的測(cè)定課件

材料顯微硬度的測(cè)定無(wú)機(jī)非金屬材料實(shí)驗(yàn)—力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)硬度是材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的宏觀(guān)表現(xiàn)。在材料研究中，硬度數(shù)據(jù)的使用頻率非常高，硬度測(cè)試的目的，并不一定是用來(lái)表征所研究材料的使用性能，而是通過(guò)硬度試驗(yàn)獲得材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息。材料抵抗機(jī)械作用的能力是材料最重要的性質(zhì)之一。不論是金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料或復(fù)合材料，當(dāng)它們用作機(jī)械部件、結(jié)構(gòu)材料等用途時(shí)，一般都要測(cè)定其力學(xué)性能。材料力學(xué)性能試驗(yàn)的內(nèi)容較多，包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切、沖擊、疲勞、摩擦、硬度等。實(shí)驗(yàn)四十材料顯微硬度的測(cè)定一．目的意義

在材料研究中，硬度數(shù)據(jù)的使用頻率非常高，硬度測(cè)試的目的，并不一定是用來(lái)表征所研究材料的使用性能，而是通過(guò)硬度試驗(yàn)獲得材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息。通過(guò)本試驗(yàn)要達(dá)到以下目的：

1.了解無(wú)機(jī)非金屬材料顯微硬度測(cè)試的意義。

2.了解影響無(wú)機(jī)非金屬材料顯微硬度的因素。

3.學(xué)習(xí)顯微硬度測(cè)試的原理與方法。1.努氏金剛石壓頭是一個(gè)對(duì)面角分別為172030ˊ和1300,頂端橫刃不大于1μm的菱形四面錐體(見(jiàn)圖40—1所示)，在規(guī)定的荷重下（一般為0.1kgf=0.981N），在壓頭接觸試樣前開(kāi)始，以0.20±0.05mm/min的低速壓人試樣表面，并使壓頭與試樣保持接觸20～50秒鐘，卸載后，測(cè)量壓痕的長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)。努氏硬度（KHN）值是所施加的負(fù)荷P與永久壓痕的投影面積S之比。即：KHN=P/S=P/CL2=p/9.81CL2(40—1)式中：P──所施加的負(fù)荷（kgf）；p──所施加的負(fù)荷（N）；S──永久壓痕的面積（mm2）；

L──壓痕長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度（mm）

C──1/2（ctgA/2×tgB/2）=0.07028A──縱向菱邊夾角（172030′±5′）

B──橫向菱邊夾角（1300±30′）由于努氏壓頭具有的特異形狀，壓痕為一長(zhǎng)短對(duì)角線(xiàn)近似為1：7的菱形。根據(jù)壓頭的幾何形狀可知，使用較輕的負(fù)荷就能壓印出一個(gè)能清晰測(cè)量的菱形壓痕。因此，不管是硬質(zhì)材料還是易碎材料的硬度試驗(yàn)，均可采用努氏壓頭。努氏壓頭測(cè)試材料硬度的壓痕深度約為其長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度的1/30。圖40—1努氏壓頭的幾何尺寸2.維氏金剛石壓頭是將壓頭磨成正四棱錐體，其相對(duì)兩面夾角為1360。維氏顯微硬度值是所施加的負(fù)荷（kgf）除以壓痕的表面積（mm2）。采用維氏金剛石壓頭時(shí)，其壓痕深度約為對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度的1/7。維氏硬度的計(jì)算公式如下：（40—2）

式中：

──壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)的平均值（mm）

θ──金剛石壓頭相對(duì)面的夾角（1360

）三．實(shí)驗(yàn)器材

HVS—1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)由試驗(yàn)機(jī)主體、工作臺(tái)、升降絲杠、加載系統(tǒng)、軟鍵顯示操作面板、高倍率光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)等部分組成（見(jiàn)圖40-2所示）。通過(guò)軟鍵輸入，能調(diào)節(jié)測(cè)量光源強(qiáng)弱，預(yù)置試驗(yàn)力保持時(shí)間，維氏和努氏試驗(yàn)方法切換。在軟鍵面板上的LCD顯示屏上，能顯示試驗(yàn)方法、測(cè)試力、壓痕長(zhǎng)度、硬度值、試驗(yàn)力保持時(shí)間、測(cè)量次數(shù)等，并能鍵入測(cè)試時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果由打印機(jī)輸出。1.壓頭2.壓頭螺釘3.后蓋4.電源插頭5.主體6.顯示操作面板7.升降絲桿

8.10×物鏡9.定位彈簧10.測(cè)量照明燈座11.數(shù)字式測(cè)微目鏡12.上蓋13.照相接口蓋14.試驗(yàn)力變換手輪15.照相、測(cè)量轉(zhuǎn)換拉桿16.物鏡、壓頭轉(zhuǎn)換手輪17.轉(zhuǎn)盤(pán)18.40×物鏡19.十字試臺(tái)20.旋輪21.電源指示燈22.電源開(kāi)關(guān)23.水平調(diào)節(jié)螺釘24.面板式打印機(jī)四．試樣制備

HVS—1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)可測(cè)定微小、薄形試件、表面滲鍍層試件的顯微硬度和玻璃、陶瓷、瑪瑙、寶石等脆性材料的顯微硬度。應(yīng)選擇成分均勻、表面結(jié)構(gòu)細(xì)致和平整度好的樣品為待測(cè)試樣。表面粗糙不平或平整度差的試樣，由于壓痕會(huì)或多或少地發(fā)生變形，引起測(cè)量誤差。用切割工具切割試樣（試件最大高度65mm,試件最大寬度85mm），擦凈測(cè)量面待用。五．測(cè)定步驟

㈠儀器使用前的準(zhǔn)備

轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)力變換手輪，選擇符合要求的試驗(yàn)力。旋轉(zhuǎn)變換手輪時(shí)，應(yīng)動(dòng)作緩慢，防止動(dòng)作過(guò)快產(chǎn)生沖擊。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)（22），LCD屏上顯示試驗(yàn)力變換手輪所選擇的試驗(yàn)力，同時(shí)屏上顯示“94年8月8日”初始化日期。3.光標(biāo)位于“94年”下，按下“TIME+”或“TIME-”鍵選擇年份。按下“SPECI”鍵，光標(biāo)移至“8月”下，按動(dòng)“TIME+”或“TIME-”鍵選擇月份。同理，按上述步驟選擇日期。完成以上操作，當(dāng)打印機(jī)輸出測(cè)試結(jié)果時(shí)，即打出所鍵入的日期。如不需要打印日期，可連按三次“SPECI”鍵。日期鍵入后，屏上顯示D1、D2、HV、N，儀器進(jìn)入工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡（18）、壓頭轉(zhuǎn)換手柄（16），使40×物鏡處于主體前方。（光學(xué)系統(tǒng)總放大倍率為400×）。將標(biāo)準(zhǔn)硬度試塊（或被測(cè)試塊）安放在試樣臺(tái)上，轉(zhuǎn)動(dòng)旋輪（20）使試樣臺(tái)上升，眼睛接近測(cè)微目鏡觀(guān)察。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)試塊或試樣離物鏡下端2～3mm時(shí)，目鏡的視場(chǎng)中央出現(xiàn)明亮的光斑，說(shuō)明聚焦面即將來(lái)到，此時(shí)應(yīng)緩慢微量上升，直至在目鏡中觀(guān)察到試塊（樣）表面的清晰成像。此時(shí)聚焦過(guò)程完成。4.

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7.如果目鏡中的成像呈模糊狀或一半清晰一半模糊，則說(shuō)明光源偏離系統(tǒng)光路中心，需調(diào)節(jié)燈泡的位置。視場(chǎng)亮度可通過(guò)操作面板上的軟鍵來(lái)調(diào)節(jié)。8.如果想在目鏡中獲得較大的視場(chǎng)，可將物鏡、壓頭轉(zhuǎn)換手柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)至主體前方，將光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率調(diào)為100×。轉(zhuǎn)換10×和40×物鏡時(shí)，聚焦面發(fā)生變化，可調(diào)節(jié)升降絲杠。聚焦時(shí)建議在40×物鏡下進(jìn)行。9.將轉(zhuǎn)換手柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使壓頭主軸處于主體前方，此時(shí)壓頭頂尖（1）與焦平面間的間隙約0.4～0.5mm。當(dāng)測(cè)量不規(guī)則的試樣時(shí)，一定要注意不要使壓頭碰及試樣，以免造成壓頭損壞。根據(jù)試驗(yàn)要求鍵入需要的試驗(yàn)力延時(shí)保荷時(shí)間。每鍵一次為5秒，“+”為加，“-”為減。按下”START”鍵，此時(shí)加試驗(yàn)力，（LOADING）LED指示燈亮。試驗(yàn)力施加完畢，延時(shí)（DWELL）LED亮，LCT屏上T按所選定時(shí)間倒計(jì)時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，試驗(yàn)力卸除，卸力指示（UNLOADING）LED亮。在LED未滅前，不得轉(zhuǎn)動(dòng)壓頭測(cè)量轉(zhuǎn)換手柄，否則會(huì)影響壓痕測(cè)量精度，甚至損壞儀器。將轉(zhuǎn)換手柄順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使40×物鏡處于主體前方，這時(shí)可在目鏡中測(cè)量壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度。在測(cè)量前，先將測(cè)微鏡右邊的鼓輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使目鏡內(nèi)的兩刻線(xiàn)邊緣相近移動(dòng)。當(dāng)兩刻線(xiàn)邊緣相近時(shí)，透光縫隙逐漸減少，當(dāng)兩刻線(xiàn)間處于無(wú)光隙的臨界狀態(tài)時(shí)，按下“CL”鍵清零。10.

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13.

16.如對(duì)本次測(cè)量結(jié)果不滿(mǎn)意。可重復(fù)進(jìn)行測(cè)量或按“SPECI”、“RESET”復(fù)位鍵重新進(jìn)行試驗(yàn)。17.LCD屏顯示測(cè)量次數(shù)N＞1時(shí)，可按“SPECI”、“PRI”輸出測(cè)試結(jié)果。第一次結(jié)果（N=0）不予打印。18當(dāng)目鏡中觀(guān)察到的壓痕太小或太大影響測(cè)量時(shí)，需轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)力變換手輪，使試驗(yàn)力符合要求，這時(shí)應(yīng)按下“SPECI”和“RESET”鍵，LCD屏顯示所選試驗(yàn)力。㈡試樣的測(cè)定上述測(cè)量正常后，將標(biāo)準(zhǔn)試件取下，將待測(cè)試樣放在試臺(tái)上，按上述方法進(jìn)行測(cè)定。五.注意事項(xiàng)

1.金剛石壓頭

1）金剛石壓頭⑴和壓頭軸是儀器的精密的零件，因此在操作的整個(gè)過(guò)程中都要十分小心，除施壓測(cè)試時(shí)外，其它時(shí)間都不要觸及壓頭。

2）壓頭應(yīng)隨時(shí)保持清潔，有油污或灰塵時(shí)，可用軟布或脫脂棉蘸酒精或乙醚小心擦洗。3）壓頭安裝時(shí)，應(yīng)將壓頭上的紅點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)正前方，此時(shí)壓痕對(duì)角線(xiàn)和紅點(diǎn)成一線(xiàn)。

2）光線(xiàn)強(qiáng)弱可通過(guò)面板軟鍵LIGHT+或LIGHT-來(lái)調(diào)節(jié)使視場(chǎng)光線(xiàn)柔和，反差適中。4.試樣

1）試樣表面必須請(qǐng)潔。如表面沾有油污，可用汽油、酒精或乙醚等擦拭。

2）當(dāng)試樣為細(xì)絲、薄片或小件時(shí)，可分別使用相應(yīng)的夾持臺(tái)夾持后，在放在十字試臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。如試樣小到無(wú)法夾持，則可將試樣鑲嵌拋光后再進(jìn)行試驗(yàn)5.顯微攝影儀

1）本儀器配有顯微攝影儀，當(dāng)需要攝影時(shí)，卸下照相接口蓋（13）螺釘，取下蓋板，將照相機(jī)接口旋入目鏡座螺紋內(nèi)。

2）取下照相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，將照相機(jī)接口對(duì)準(zhǔn)照相機(jī)鏡頭孔內(nèi)，使卡簧卡位。3）再測(cè)微目鏡中觀(guān)察試樣表面，當(dāng)成像清晰后，將主體左邊上的照相測(cè)量轉(zhuǎn)換拉桿（15）拉出，此時(shí)光路轉(zhuǎn)換到拍攝狀態(tài)。

4）在攝影儀的目鏡中觀(guān)察試樣表面，如不太清晰，可微調(diào)視度調(diào)節(jié)圈或升降絲杠（7），視成像清晰。按動(dòng)快門(mén)，拍攝成像表面。6.環(huán)境要求本儀器應(yīng)安裝在遠(yuǎn)離灰塵、震動(dòng)、腐蝕性氣體的環(huán)境中，室溫不應(yīng)超過(guò)20℃±5℃，相對(duì)濕度不大于65%的環(huán)境中。當(dāng)光線(xiàn)零件沾有灰塵時(shí)，可用電吹風(fēng)吹去或用軟毛筆小心拭去。若沾上污穢時(shí)可用脫脂棉或鏡頭紙蘸少許酒精輕輕擦拭，但應(yīng)光學(xué)零件的粘合劑脫膠。孫淑珍、張洪泉，陶瓷工藝實(shí)驗(yàn)，武漢工業(yè)大學(xué)，1995年，79～82。祝桂洪編著，陶瓷工藝實(shí)驗(yàn)，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987年6月(第一版)，121～125。廖目嶽、金文博譯［美］