2015年硬度計培訓(xùn)解析

硬度基礎(chǔ)學(xué)問許杰2015年09月*硬度的基本概念硬度試驗(yàn)的分類硬度計的介紹硬度檢測實(shí)力的建設(shè)硬度的前沿科技目錄*一、硬度的基本概念小孩用雞蛋去碰鐵盆的結(jié)果雞蛋破了，鐵盆無明顯變更明顯，鐵盆比雞蛋硬結(jié)論：鐵盆的硬度比雞蛋的硬度大*凹痕無明顯變更將同樣的力捶在銅片和鐵片上結(jié)論：鐵的硬度比銅的硬度要大*又稱Hardness，是金屬材料力學(xué)性能中最常用的一特性能指標(biāo)，表示材料局部抗拒硬物壓入其表面的實(shí)力。硬度檢測又是最快速最經(jīng)濟(jì)的一種試驗(yàn)方法。但對于金屬材料的硬度，至今國內(nèi)外還沒有一個包括全部試驗(yàn)方法在內(nèi)的統(tǒng)一而明確的定義。作用形式：某一物體抗拒另一物體產(chǎn)生變形實(shí)力的度量。變形形式：a、材料對壓入塑性變形、劃痕、磨損或切削等的抗力；b、材料抗拒殘余變形和破壞的實(shí)力。1、硬度的定義：硬度很簡潔被人理解，但是硬度卻沒有嚴(yán)格的定義，為什么？*硬度是表示固體對外界物體入侵的局部抗拒實(shí)力，是比較各種材料軟硬的指標(biāo)。由于規(guī)定了不同的測試方法，所以有不同的硬度標(biāo)準(zhǔn)。各種硬度標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)含義不同，相互不能干脆換算，但可通過試驗(yàn)加以對比。常見的硬度測試方法有哪些呢？測量硬度的基本學(xué)問：在測量固體材料硬度時，總是將確定形態(tài)和尺寸的較硬物體即壓頭以確定的壓力接觸被測材料表面，然后測量材料的變形來反映材料的硬度。*2、常見硬度測試方法這些試驗(yàn)過程中，哪些因素會影響材料的硬度呢？*影響因素之一：材料本身的特性，如楊氏模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度硬度明顯，材料本身是影響其硬度的關(guān)鍵因素*影響因素之二：測量本身的儀器條件：測量方法、壓頭類型、壓力大小等試驗(yàn)條件不同，硬度不同例如：大人和小孩分別坐在同一張沙發(fā)上，此時坐姿不同，重量不同，體積不同，沙發(fā)的變形量并不確定真實(shí)的反映了沙發(fā)的硬度*影響因素之三：試驗(yàn)方法不同，硬度的物理意義不同。例如：布氏硬度試驗(yàn)，是比較不同材料單位面積上所受抗力的大小，而洛氏硬度沒有量綱，只是在運(yùn)用同一標(biāo)尺條件下，以數(shù)值大小來比較硬度值的凹凸。綜上可以得出：A、“硬度”本身不是一個簡潔的物理常數(shù)硬度不僅確定于所探討材料本身的宏觀與微觀條件（如宏觀的變形程度，冷熱加工條件，微觀的金屬晶體點(diǎn)陣類型、晶格常數(shù)和原子間的結(jié)合力等），而且也確定于測試的特征和條件量。B、硬度不是材料獨(dú)立的力學(xué)性能硬度是代表著在確定的壓頭和力的作用下所反應(yīng)出的彈性、塑性、塑性形變強(qiáng)化率、強(qiáng)度、韌性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的綜合性能指標(biāo)。*例如：將同樣尺寸、相同材質(zhì)的壓頭以同樣大小的試驗(yàn)力分別壓在鐵和銅的表面上，去掉試驗(yàn)力后看到鐵被壓入的壓痕深度淺，而銅被壓入的壓痕深度深，這表明白什么？鐵的形變抗力比銅的形變抗力大，即鐵比銅硬。而實(shí)質(zhì)上在這一比較中，還包括了兩種材料的不同彈性、塑性變形實(shí)力和變形強(qiáng)化率等因素在內(nèi)。在不同試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，正確運(yùn)用試驗(yàn)原理和試驗(yàn)條件，得出的試驗(yàn)結(jié)果對于各行業(yè)正確運(yùn)用金屬材料、監(jiān)視工藝的正確性、判定產(chǎn)品品質(zhì)以及在科學(xué)試驗(yàn)中均有重大的實(shí)際意義。*3、硬度的作用*4、硬度的特點(diǎn)經(jīng)檢測后的制件不被破壞，留在工件表面上的試驗(yàn)痕跡很小，在大多數(shù)狀況下對制件運(yùn)用無影響，可視為無損檢測。硬度檢測有很高的工作效率，試樣不須要加工成特殊形態(tài)，不論大小、厚薄及形態(tài)，其硬度都可以由不同的方法來測定。硬度檢測設(shè)備簡潔，易于駕馭。不僅可以在固定的儀器上進(jìn)行，而且還有便攜式的小型硬度計，在生產(chǎn)線或特大件上進(jìn)行檢測。材料硬度與其它力學(xué)性能有確定的關(guān)系。如硬度和強(qiáng)度的關(guān)系較為親密，一般說來，硬度越高，強(qiáng)度也越大。*二、硬度試驗(yàn)的分類自1722年雷奧姆爾（Reaumvr）首先應(yīng)用了礦物對金屬進(jìn)行刻劃的初始硬度試驗(yàn)以來，人們提出過幾百種測量金屬硬度的方法，常用金屬硬度試驗(yàn)方法的分類如下。1、按載荷作用的方式分類：*（1）靜態(tài)壓痕硬度通過球體、金剛石錐體或其它錐體將載荷緩慢而無沖擊地施加在被測材料上，使材料產(chǎn)生壓痕，再依據(jù)施加載荷與所產(chǎn)生壓痕面積或深度之間的關(guān)系，給出其硬度值靜態(tài)壓痕硬度反映了材料抗拒塑性變形的實(shí)力。布氏、洛氏、維氏、努普硬度試驗(yàn)法等*（2）動態(tài)壓痕硬度一個具有標(biāo)準(zhǔn)重量與尺寸的物體從某一高度下落到被測物體的表面，并從其表面彈起，依據(jù)其回彈高度來確定被測物體的硬度值，施加試驗(yàn)力是動態(tài)和具有沖擊性。動態(tài)壓痕硬度反映了材料的彈性性質(zhì)。肖氏、里氏硬度試驗(yàn)法等*（3）劃痕硬度在小曲率半徑的硬質(zhì)壓頭上施加確定的法向載荷，并使壓頭沿試樣表面刻劃，通過試樣表面的劃痕來評價其硬度。劃痕硬度反映了材料的彈性性質(zhì)。莫氏、馬爾頓斯劃痕硬度試驗(yàn)法等*2、按試驗(yàn)力的大小分類：（1）宏觀硬度試驗(yàn)法：試驗(yàn)力≥49.03N（≥50kgf）；（2）小負(fù)荷硬度試驗(yàn)法：試驗(yàn)力1.961N~49.03N（0.2~5kfg）；（3）顯微硬度試驗(yàn)法：試驗(yàn)力0.098N~1.96N（0.001~0.2kfg）；（4）超顯微硬度試驗(yàn)法：試驗(yàn)力＜0.0098N（＜0.001kfg）；（5）納米級硬度試驗(yàn)法：試驗(yàn)力＜50nN。3、按試驗(yàn)原理分類：可分為布氏、洛氏、維氏、肖氏、里氏、努普、韋氏、巴氏和劃痕、銼刀以及其他物理檢測方法，如超聲波、磁矯頑力、磁導(dǎo)率等等。*三、硬度計的介紹1.1、布氏硬度計的原理布氏硬度檢測方法最初是在1899~1900年間由瑞士工程師布利奈爾（J.A.Brinell）在探討熱處理對軋鋼組織影響時提出來的。用確定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面，并在規(guī)定載荷下保持確定的時間后卸除壓力，于是在試件表面留下壓痕，測量壓痕的直徑或是壓痕深度則可以計算出壓痕面積，單位壓痕表面積上所承受的平均壓力即定義為布氏硬度值，單位為千克力／毫米2。*PDdh球冠面積：1.2、布氏硬度計的計算公式*布氏硬度值S——淬火鋼球W——硬質(zhì)合金球壓頭直徑mm載荷大小kgf載荷作用時間,為10～15s時，不進(jìn)行標(biāo)注上式表示用10mm的淬火鋼球壓頭，3000kgf的載荷作用30s時，測得的布氏硬度為1501.3、布氏硬度計的表示方法*1.4、布氏硬度計的相像原理布氏硬度試驗(yàn)方法測定材料硬度的志向狀況：運(yùn)用同一壓頭壓入同一試樣，當(dāng)變換載荷時，壓痕面積會有變更，但單位面積上的抗力應(yīng)是相同的，即布氏硬度值應(yīng)為常數(shù)。PPornPDnDd是變更的*對于不同材料的試樣，當(dāng)變換鋼球和載荷時，應(yīng)當(dāng)有相同的差值，保證不同材料間的相互可比性。布氏硬度試驗(yàn)方法測定材料硬度的志向狀況：PnP*隨載荷增大測量出的硬度值閱歷了微小增大、不變、再變小的過程布氏硬度試驗(yàn)方法測定同一材料硬度的實(shí)際狀況：這一現(xiàn)象使得布氏硬度測量造成了：狀況1：同一材料，壓頭直徑和載荷變更時硬度值不為定值狀況2：不同材料，壓頭直徑和載荷變換時，硬度差值也不為定值，使得不同材料具有可比性對此，大家能想到什么好的解決方法嗎？*應(yīng)取硬度值不隨載荷變更而變更的區(qū)域，這樣變更載荷時，硬度值不變。解決方法：在這段區(qū)域，壓頭的直徑和壓痕直徑滿足關(guān)系式一般我們選擇中間值此時壓入角*現(xiàn)在，我們在保證硬度不變的區(qū)域?qū)ν环N材料，用不同直徑的壓頭并施加不同的載荷來進(jìn)行布氏硬度測試，此時選擇：即此時壓入角得到如右圖的兩個具有相同壓入角和不同直徑的壓痕，因?yàn)閴喝虢窍嗤?，這兩個壓痕幾何相像。*依據(jù)布氏硬度值的定義：由圖可知：*如圖當(dāng)變換壓頭直徑和載荷，分別用作用時，壓頭直徑分別是、壓痕直徑分別是、兩種狀況下的布氏硬度值為*對于同一種材料，布氏硬度值應(yīng)當(dāng)相等即則有為保證不同硬度的材料能得到相同的壓入角，滿足規(guī)定了7種不同的值*材料布氏硬度K鋼及鑄件

<14010>14030銅及其合金<35535－13010>13030輕金屬及其合金<351.252.535－8051015>801鉛、錫1.25布氏硬度的K值選擇表*用布氏硬度方法測定材料的硬度時：1.5.1、首先應(yīng)依據(jù)試樣的厚度選擇合適的壓頭和載荷。試件的厚度至少應(yīng)為壓痕深度的10倍。當(dāng)試樣厚度足夠時，應(yīng)盡可能選擇直徑10mm的壓頭，然后再依據(jù)材料及其硬度值范圍依據(jù)K表選擇合適的K值，從而算出載荷值。試驗(yàn)后，應(yīng)當(dāng)校核是否滿足關(guān)系式。假如不滿足，應(yīng)當(dāng)重新選擇載荷重做試驗(yàn)。1.5、布氏硬度的測定方法*黑色金屬有色金屬維氏硬度小于35的材料1.5.2、對試件施加載荷。此時應(yīng)保證載荷與材料表面垂直，載荷應(yīng)勻整，不得有沖擊和振動。1.5.3、在載荷作用下保持確定的時間。不同材料類型，載荷保持時間不一樣，原則是軟材料因?yàn)榘l(fā)生長時間的塑性變形，其保載時間應(yīng)當(dāng)長。一般規(guī)定：壓頭直徑大、施加載荷大、壓痕面積大。能反映出較大范圍內(nèi)材料各組成相的綜合平均性能。不受個別相和微區(qū)不勻整性的影響。*1.6、布氏硬度的特點(diǎn)：具有粗大晶?；虼执蠼M成相的材料，如灰鑄鐵、軸承合金。特殊是對于較軟的金屬，如純鋁、鉛、錫，測定的硬度特殊精確。適用范圍：優(yōu)點(diǎn)：分散性小，重復(fù)性好缺點(diǎn)：壓痕較大測定壓痕直徑耗時耗力壓頭本身變形不能忽視不適用范圍：零件表面的硬度測試，薄壁件或表面硬化層的硬度測試，大批量樣品的硬度測試。*將壓頭在確定壓力下壓入被測材料的表面，干脆測量壓痕深度，依據(jù)壓痕深度定出材料的硬度。壓痕越深則硬度值越低，反之則硬度值越高。2.1、洛氏硬度計的原理將主載荷去除，若試件表面的壓痕完全回復(fù)，此時硬度值為k將主載荷去除后，試件表面的壓痕深度為h，此時硬度值為式中0.002表示一個洛氏硬度單位，K是一個與壓頭類型有關(guān)的無量綱常數(shù)(為金剛石圓錐壓頭時k＝100，為淬火鋼球壓頭時k＝130)。*洛氏硬度試驗(yàn)常用的壓頭有兩類：即頂角為120度的金剛石圓錐體和直徑為1.588mm的鋼球壓頭。接受不同壓頭并施加不同的壓力，可以組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺。生產(chǎn)上常用的為A，B和C三種標(biāo)尺。其中又以標(biāo)尺C用得最普遍。用這三種標(biāo)尺測得的硬度分別記為HRA，HRB，HRC。如：60HRA表示用A標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為60。*2.2、洛氏硬度的不同標(biāo)尺及應(yīng)用標(biāo)尺硬度符號壓頭類型初始載荷(kgf)主載荷(kgf)總載荷(kgf)測量硬度范圍應(yīng)用舉例AHRA頂角為120o的金剛石圓錐體

10506020~88硬質(zhì)合金、硬化薄鋼板、表面薄層硬化鋼

BHRB直徑為1.588mm

的鋼球

9010022~100低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵

CHRC頂角為120o的金剛石圓錐體14015020~70淬火鋼、高硬度鑄件、珠光體可鍛鑄鐵

*a)

加預(yù)載荷，如圖a，此時測得壓入表面的深度為h2b)

加主載荷，測得壓入表面的深度為h3c)卸除主載荷但保留預(yù)載荷，測得壓入表面的深度為h1殘余深度h=h1-h2，代入即可求出洛氏硬度值以C標(biāo)尺為例：2.3、洛氏硬度的測量過程*思索題：為什么用金剛石圓錐和鋼球壓頭時，K值分別取100或130答：當(dāng)壓頭為金剛石圓錐體時，因?yàn)橐?guī)定用于測量較硬的材料，一般不會出現(xiàn)壓入深度為0.2mm，而使硬度值為零。當(dāng)壓頭為鋼球，多用于測量較軟的金屬，壓入深度較深，有時可能達(dá)到0.2mm，甚至更多。若K值定為100時，硬度值會等于零或甚至出現(xiàn)負(fù)值。為避開出現(xiàn)上述狀況，將用鋼球壓頭的洛氏標(biāo)尺值定為130。故此時的洛氏硬度值為*2.4、優(yōu)點(diǎn)和適用范圍：硬度值可從硬度機(jī)的表盤上干脆讀出，簡便快速，工效高，適用于成批生產(chǎn)其運(yùn)用負(fù)荷較小，所產(chǎn)生的壓痕與布氏硬度試驗(yàn)相比也較小，因而對試件沒有明顯損傷，可用于半成品和成品檢驗(yàn)因加有預(yù)載荷，可以消退表面略微的不平度對試驗(yàn)結(jié)果的影響洛氏硬度測定時接受金剛石或鋼球作壓頭，不同的主載荷，可依據(jù)材料的軟硬加以選用①不同標(biāo)尺間測得的數(shù)值無法進(jìn)行相互比較；2.5、缺點(diǎn)和不適用范圍：②由于壓痕小，所以洛氏硬度對材料組織不勻整性很敏感；③測試結(jié)果比較分散，重復(fù)性差，因而不適用具有粗大、不勻整組織材料的硬度測定。*特點(diǎn)：原理與洛氏硬度相同

預(yù)載荷減小為3kgf

硬度單位由0.002mm改為0.001mm

壓頭類型與洛氏硬度相同

總載荷減小表面洛氏硬度計算表達(dá)式：其中K=1002.6、表面洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)所用的載荷較大，不宜于測量較薄或經(jīng)表面熱處理以及化學(xué)熱處理后試樣的表面硬度.*2.7、表面洛氏硬度的不同標(biāo)尺及應(yīng)用標(biāo)尺硬度符號壓頭類型初始載荷(kgf)主載荷(kgf)總載荷(kgf)測量硬度范圍應(yīng)用舉例15N

HR15N

頂角為120o的金剛石圓錐體3121370~90滲碳鋼、滲氮鋼、極薄鋼板、刀刃、零件邊緣部分、表面鍍層30NHR30N273042~8645NHR45N424520~7715T

HR15T

直徑為1.588mm的鋼球121367~93低碳鋼、銅合金鋁合金薄板等30THR30T273029~8245THR45T42451~721.洛氏硬度

45表示硬度值；

45HRA

HR表示洛氏硬度；

A表示標(biāo)尺。2.表面洛氏硬度

45表示硬度值；45HR30N

HR表示洛氏硬度；

30表示總載荷(kgf)；N表示壓頭類型。*3.1、維氏硬度的原理試驗(yàn)原理:維氏硬度試驗(yàn)法是用面角為136度的金剛石角錐體作壓頭，在確定的靜載荷作用下，壓入試樣的表面，保持確定時間后卸除載荷，測量復(fù)原后的壓痕對角線長度，計算出壓痕凹印面積，求出單位面積上承受的載荷大小，即為維氏硬度值。維氏硬度的計算表達(dá)式：P*維氏硬度值載荷大小kgf載荷作用時間s維氏硬度符號留意：維氏硬度的載荷不是隨意的，一般是5kgf，10kgf，20kgf，30kgf，50kgf，100kgf共6種。當(dāng)硬度值>500HV時，不接受50kgf以上的載荷，以防損壞壓頭3.2、維氏硬度的表示方法*要求：試件的厚度為壓痕平均直徑的1.5倍選擇方法：a.已知試件厚度和預(yù)期硬度參考右圖b.厚度未知按從小到大加載，若載荷增加，硬度明顯降低，則實(shí)行較小的載荷，直到兩相鄰載荷得出相同結(jié)果為止c.厚度較厚盡可能的選擇大載荷d.薄試件選用小載荷3.3、維氏硬度的試驗(yàn)方法*試驗(yàn)原理相同，都是在確定的載荷作用下將壓