金屬材料硬度測定

實驗2金屬材料硬度測定一、 實驗?zāi)康恼莆战饘俨际?、洛氏、維氏硬度的試驗原理和測定方法。了解各種硬度試驗方法的特點、應(yīng)用范圍及選用原則。學(xué)會正確使用各種硬度計。二、 實驗原理硬度是材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，而硬度試驗則是判斷金屬材料或零件質(zhì)量的重要手段。由于金屬的硬度與其他機械性能有相互對應(yīng)關(guān)系，因此，大多數(shù)金屬材料可以通過測定硬度近似地推算出其他機械性能，如強度、疲勞、蠕變和磨損等。金屬硬度試驗是一種較為迅速而經(jīng)濟的力學(xué)性能試驗方法，在生產(chǎn)及科研中應(yīng)用非常廣泛。硬度試驗方法有很多，最常用的有：布什法、洛氏法、維氏法和顯微維氏法。金屬材料布氏硬度布什硬度試驗是將直徑為D（mm）的硬質(zhì)鋼球，以相應(yīng)的試驗力F（kgf）壓入被測金屬表面（如圖所示）經(jīng)規(guī)定保持時間t（s）后卸除外力，測量試樣表面的球形壓痕直徑d（mm），求壓痕表面積A（mm2）。將單位壓痕面積承受的平均壓力（F/A）定義為布什硬度，其符號用HB表示。圖2-1圖2-1布氏硬度試驗原理圖（a）鋼球壓入試樣表面（b）卸去載體后測定壓痕直徑其計算公式如下:2F（2-12F（2-1）HB==—AnDh切（D-：D2-d2）式中h 壓痕凹陷的深度，mm；nDh 為壓痕的表面積，mm2布氏硬度的單位為kgf/mm2，但一般不標(biāo)注單位。如載荷的單位用牛頓（N），則布氏硬度的單位變?yōu)镸Pa，上式的右端應(yīng)乘以0.102。式中的d是變數(shù)，故只需測出壓痕直徑d，根據(jù)D和F值就可以計算出HB值。在實際測量時，可由壓痕直徑d直徑查表得到HB值。壓痕直徑是用讀數(shù)顯微鏡測量的，其使用方法參照圖2-2。.在讀數(shù)顯微鏡的測微目鏡

組中裝有兩塊上下分劃板，上分劃板刻有0?8毫米長的標(biāo)尺，標(biāo)尺每格的格值為1毫米（見圖2-2a）。下分劃板裝在上分劃板的下面，其上刻有一條長刻線，并和上分劃板的標(biāo)尺相垂直（見圖2-2a）。當(dāng)旋動讀數(shù)指示套時，下分劃板可左右移動，而上分劃板則固定不動。讀數(shù)指示套由0?100劃分了100個小格，每一小格的單位是0.01毫米（見圖2-2b）。使用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑時，將儀器置于被測試樣上，并使讀數(shù)顯微鏡的入光孔朝向光線，被測試樣用自然光或燈光照射，然后調(diào)節(jié)目鏡焦距，使視場中同時看清分劃板和物象。進行測量時，先旋動讀數(shù)指示套，使刻有長絲的下分劃板移動，同時稍微移動讀數(shù)顯微鏡，使豎直長絲與被測壓痕的一邊相切，得一讀數(shù)，然后再旋動讀數(shù)指示套，使豎直長絲與被測壓痕的另一邊相切，又得一讀數(shù)，二者之差即為被測壓痕的直徑。（a）測量示例（a）測量示例第一次讀數(shù)281.3格（b）讀數(shù)顯示套圖2-2讀數(shù)顯微鏡測量示意圖布氏硬度值的表示方法，一般記為“數(shù)字+硬度符號（HBW）+數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字”的形式，符號前面的數(shù)字為硬度值，符號后面的數(shù)字依次表示鋼球直徑、載荷大小及載荷保持時間等試驗條件。例如，當(dāng)用5mm鋼球，在3000kgf載荷作用下保持30s時測得的硬度值為600，則記為600HBW10/3000/30O當(dāng)保持時間為10?15s時可不標(biāo)注。球體直徑D規(guī)定有四種：10、5、2.5和1mm。主要根據(jù)試樣厚度來選擇，試樣厚度至少應(yīng)為壓痕深度的8倍。在試樣厚度允許的條件下，應(yīng)盡可能選用較大直徑的球體作壓頭，從而得到能夠真實反映出金屬平均硬度的較大壓痕。布氏硬度試驗的基本條件是載荷P和壓球直徑D必須事先確定，只有這樣所得的數(shù)據(jù)才能進行相互比較。對于材料相同而厚薄不同的工件，為了測得相同的布氏硬度值，在選配壓頭直徑D及試驗力F時，應(yīng)保證得到幾何相似的壓痕（即壓痕的壓入角祖保持不變）。從圖2-2中可看出，祖和d的關(guān)系代入（2-1）式后得：HB=—HB=—一2 (2-3)D2兀(1—\1—sin中2)由公式（2-2）可知要保證同一材料得到相同的硬度值，必須使F/D2為常數(shù)。這樣對于不同材料來講，得到的硬度值也可以進行比較。對于軟硬不同的材料，為了測得統(tǒng)一的、可資比較的硬度值，應(yīng)選用不同的F/D2的比值，以便將壓入角祖限制在28°?74。的范圍內(nèi)，

與此對應(yīng)的壓痕直徑d在(0.24?0.6)D之間。圖2-2壓痕相似原理生產(chǎn)上常用的F/D2值規(guī)定有30、15、10、5、2.5和1共六種，根據(jù)材料種類不同和布氏硬度的范圍而分別采用，如表2-1所示當(dāng)球體直徑D及F/D2比值確定后，試驗力F也就隨之被確定了。表2-1布氏硬度試驗F/D2值的選擇材料布什硬度F/D2鋼、鎳合金、鈦合金30鑄鐵<14010N14030銅及銅合金<35535?20010>20030輕金屬及其合金<352.535?805、10、15>8010、15鉛、錫1布什硬度試驗優(yōu)點是采用較大直徑的壓頭和壓力，因而壓痕面積大，能反映出較大體積范圍內(nèi)材料各組成相的綜合平均性能，而不受個別相和微區(qū)不均勻性的影響。缺點壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。不適合直接在零件上測試，壓痕直徑的測量比較麻煩。所以布什硬度試驗主要用于黑色、有色金屬原材料檢驗，也可用于退火、正火鋼零件的硬度測定。金屬洛氏硬度洛氏硬度是以一定的壓力將壓頭壓入試樣表面，以殘留于表面的壓痕深度來表示材料的硬度。壓頭分為兩類：(1)圓錐角a=120°、頂部曲率半徑為0.2mm的金剛石圓錐體，適于

測定淬火鋼材等較硬的材料；（2）直徑為1.588mm和H3.175mm的鋼球，適于測定退火鋼、有色金屬等較軟材料的硬度。圖2-4洛氏硬度試驗原理圖圖2-3中0—0為金剛石壓頭沒有和試樣接觸時的位置，先對試樣加上規(guī)定的初試驗力F。，這樣壓頭到達1—1位置，壓痕深度ab=h0點，隨后再加上主試驗力F］，壓頭到達2—2位置，壓痕深度ac=h1，金屬在與作用下產(chǎn)生總變形h1中包括彈性變形與塑性變形。當(dāng)將與卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)，使壓頭回升一段距離到達3—3位置，壓痕深度ad=h2，于是得到金屬在F0作用下的殘余壓痕深度增量bd=e（其值0.002mm為單位表示），e也就是壓頭受主試驗力F1作用實際壓入的深度。e值越大表明金屬洛氏硬度越低；反之，則表明硬度越高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，故用一個常數(shù)k減去e來表示洛氏硬度值，并規(guī)定每0.002mm為一個硬度單位，用符號HR表示，即HR=k-e （2-3）當(dāng)使用金剛石圓錐體壓頭時，常數(shù)k為100；當(dāng)使用淬火鋼球壓頭時，常缺定為130。實際測定洛氏硬度時，由于在硬度計的壓頭上方裝有百分表，可直接測出壓痕深度，并按上式換算出相應(yīng)的硬度值。因此，在試驗過程中金屬的洛氏硬度值可直接讀出。為了測定不同軟硬材料的硬度，長采用不同的壓頭和總試驗力組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺。每一種標(biāo)尺用一個字母在洛氏硬度符號HR后注明，有9種之多，常用的是HRA、HRB和HRC。其實驗規(guī)范及應(yīng)用見表2-2表2-2各種洛氏硬度的試驗規(guī)范及應(yīng)用硬度符號壓頭類型初始試驗力/kgf主試驗力/kgf總試驗力/kgf測量硬度范圍應(yīng)用實例HRA金剛石圓錐10506020?88高硬度的薄件、表面薄層硬化鋼、硬質(zhì)合金等HRB中1.588mm淬火鋼球9010020?100銅合金、鋁合金、退火鋼、可鍛鑄鐵等HRC金剛石圓14015020?70淬火及回火鋼、高硬度鑄

錐鐵等HRD金剛石圓錐9010040?77薄鋼板、中等表面硬化鋼、珠光體可鍛鑄鐵等HRE中3.175mm淬火鋼球9010070?100灰鑄鐵、鋁合金、鎂合金、軸承合金HRF中1.588mm淬火鋼球506060?100退火銅合金、軟質(zhì)薄鋼板HRG中1.588mm淬火鋼球14015030?94可鍛鑄鐵、銅鎳合金、銅鎳鋅合金HRH中3.175mm淬火鋼球506080?100鋁、鉛、鋅HRK中3.175mm淬火鋼球14015040?100軸承合金、較軟金屬、薄材金屬維氏硬度及顯微維氏硬度維氏硬度的測定原理和布氏硬度相同，也是根據(jù)單位壓痕單位面積上承受的載荷來計算硬度值。所不同的是維氏硬度采用錐面夾角為136。的四方金鋼石角錐體壓頭，這樣當(dāng)載荷改變時壓入角不變，因此載荷可以任意選擇，這是維氏硬度試驗最主要的特點，也是最大的優(yōu)點。其試驗原理如圖2-4所示。壓頭在試驗力!^（單位為kgf或N）作用下，將試樣表面壓出一個四方錐形的壓痕，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，測量出壓痕對角線平均長度F 2Fsin'J1.8544F^LV A（2-4）F 2Fsin'J1.8544F^LV A（2-4）當(dāng)F單位為kgf，d單位為mm時，維氏硬度的單位為kgf/mm2，但一般不標(biāo)注單位。如載荷的單位用牛頓（N），則維氏硬度的單位變?yōu)镸Pa，上式的右端應(yīng)乘以0.102。圖2-5圖2-5維氏硬度試驗原理圖維氏硬度的表示方法同布氏硬度，如640HV30/20，前面的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字依次為所加載荷（kgf）和保持時間。維氏硬度試驗時，所加的載荷是50N，100N，200N，300N，500N，1000N等六種。當(dāng)載荷一定時，即可根據(jù)d值，算出維氏硬度表。實際測量時，可由壓痕對角線長度d直徑查表得到硬度值。顯微硬度試驗一般是指測試載荷小于2N的硬度試驗。金屬的顯微維氏硬度試驗原理與宏觀維氏硬度試驗法完全相同。顯微維氏硬度法所得到的壓痕對角線也只有幾微米至幾十微米。因此適合測微小區(qū)域的硬度值，是研究金屬微觀組織性能的重要手段，常用來測定金屬中不同的相、表面硬化層、滲層、鍍層等顯微硬度。金屬顯微維氏硬度的符號、硬度值的計算公式和表示方法與宏觀維氏硬度試驗法完全相同。三、 實驗設(shè)備及材料硬度計：布什、洛氏、維氏硬度計2..實驗材料：T12、20鋼或灰鑄鐵、滲氮件等。四、 實驗方法和步驟了解各種硬度計的構(gòu)造原理，學(xué)習(xí)操作規(guī)程及