金屬材料的硬度及其試驗方法

金屬材料的硬度及其試驗方法主要內(nèi)容金屬材料硬度的定義硬度試驗的作用和特點常用硬度試驗方法的分類壓入式硬度測試回彈式硬度測試各種硬度測試的對比第2頁,共33頁，2024年2月25日，星期天1.金屬材料硬度的定義

金屬材料是發(fā)展工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)和提高人民生活水平所必需的物質(zhì)。評價金屬材料的好壞，可從其物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能以及各種性能之間配合情況來判斷，而機(jī)械性能中的硬度是經(jīng)常被測定的一種指標(biāo)。硬度試驗又是最迅速最經(jīng)濟(jì)的一種試驗方法。一般來說通常認(rèn)為硬度是：材料在一定條件下抵抗另一本身不發(fā)生殘余變形物體壓入的能力。它是一個不僅決定于所研究材料本身的宏觀與微觀條件，而且也決定于測量條件的量。也可以說硬度是代表著在一定的壓頭和力的作用下，所反映出的彈性、塑型、塑性變形強化率、強度、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)。第3頁,共33頁，2024年2月25日，星期天2.硬度試驗的作用和特點

硬度試驗?zāi)艹蔀榱W(xué)性能試驗中常見的一種方法，是因為硬度試驗的結(jié)果能敏感的反映出材料在化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和處理工藝上的差異。

硬度試驗方法的特點是經(jīng)試驗后的軋輥表面上的試驗痕跡很小，在大多數(shù)情況下對于軋輥使用無影響，可以視為無損檢驗。硬度試驗所用設(shè)備簡單，易于掌握。硬度試驗有很高的工作效率。第4頁,共33頁，2024年2月25日，星期天3.常用硬度試驗方法的分類

自1722年雷奧姆爾(Reaumvr)首次應(yīng)用了礦物對金屬進(jìn)行刻劃的初始硬度試驗以來，人們提出過幾百種測量金屬硬度的方法。常用硬度試驗方法一般有如下分類：

3.1按負(fù)荷施加速度分類為靜力（壓入）試驗法和動力（回彈）試驗法。常用的靜力試驗法有布氏、洛氏、維氏與顯微硬度等。常用的動力試驗法，加載特點是動態(tài)和具有沖擊性的，包括肖氏硬度、里氏硬度、錘擊布氏硬度等。第5頁,共33頁，2024年2月25日，星期天3.2按負(fù)荷的大小分類宏觀硬度試驗負(fù)荷大于10Kgf輕負(fù)荷硬度試驗負(fù)荷在0.2~10Kgf顯微硬度試驗負(fù)荷在5~200gf超顯微硬度試驗負(fù)荷在0.1~5gf3.3按試驗時溫度分類常溫硬度試驗在室溫下進(jìn)行低溫硬度試驗在0℃以下進(jìn)行高溫硬度試驗在高于室溫以上特定溫度進(jìn)行第6頁,共33頁，2024年2月25日，星期天3.4按試驗原理分類有：布氏、洛氏、維氏、克努普氏、肖氏、顯微、渦流、磁力、超聲、劃痕硬度等。從硬度試驗方法分類中可以看出，僅常用的硬度就有好多種。這些方法不僅在原理上有區(qū)別。而且在同一種方法中，還有不同的負(fù)荷、壓頭和標(biāo)尺。如何根據(jù)待測試材料的種類、工藝狀態(tài)、幾何尺寸等特點來選擇一種合適的硬度試驗方法和試驗條件，需要認(rèn)真考慮。硬度試驗方法的正確選用，一般來講應(yīng)注意以下幾個原則：采用較大的負(fù)荷進(jìn)行試驗，以保證試驗結(jié)果有較小的相對誤差。在實驗和研究工作中，如果同一材料，由于處理條件不同，其硬度差異較大，這時一般不宜變換試驗方法。為求得統(tǒng)一的標(biāo)尺比較，可以選擇用維氏硬度試驗比較。第7頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

同時不同的硬度材料應(yīng)該選用不同的測試方法才較合理。如低硬度材料（HB＜450）調(diào)質(zhì)鋼、各種鑄鐵以及各種有色金屬及其合金，用布氏硬度測量比較合理。而對于高硬度材料HB＞450的選用洛氏、維氏試驗較為合理。洛氏、維氏壓頭材料均為金剛石，具有極高的硬度和彈性模量（1050~1200GPa）不會因為軋輥硬度高而發(fā)生變形。

對于大型軋輥，由于尺寸規(guī)格限制，則多選用肖氏、里氏或錘擊布氏硬度計。第8頁,共33頁，2024年2月25日，星期天4.壓入式硬度測試

布氏硬度試驗方法最初是在1899-1900年間由瑞典工程師布利奈爾(J.A.Brinell)在研究熱處理對軋鋼組織的影響時提出來的。由于布氏硬度其壓痕較大，因而受組織偏析及成分偏析影響較小，試驗結(jié)果分散度較小，重復(fù)性好，能比較客觀的反映出材料宏觀硬度。成為被廣泛應(yīng)用的試驗方法之一。4.1.1壓頭：4.1布氏硬度淬火鋼球HBS硬質(zhì)合金鋼球HBW第9頁,共33頁，2024年2月25日，星期天4.1.2試驗原理：用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。第10頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

HB=F/S

………………

(1)

=F/πDh

………………

(2)

=0.102×F/πDh

………………

(3)=0.102×

F/

πD(D—)………………

(4)

式中：F

——

試驗力，N；

S

——

壓痕表面積，mm；

D

——

球壓頭直徑，mm；

h

——

壓痕深度，

mm；

d

——

壓痕直徑，mm

第11頁,共33頁，2024年2月25日，星期天4.1.3特點：優(yōu)點：測量誤差小（因壓痕大），數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強。缺點：壓痕面積較大，測量費時。應(yīng)用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測量成品零件或薄件的硬度。第12頁,共33頁，2024年2月25日，星期天4.2維氏硬度

維氏硬度試驗法是在1924年由史密斯（R.L.Smith)和桑德蘭德（G.E.Sandlnd)合作首先提出的。以后由英國維克斯-阿姆斯特朗（Vickers-Armstrongs）公司在1925年第一個制造出這種硬度計，因而被習(xí)慣稱為維氏硬度。4.2.1壓頭：錐面夾角為136o的金剛石正四棱錐體第13頁,共33頁，2024年2月25日，星期天4.2.2試驗原理：以一定的試驗力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時間卸載后，在試樣表面留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值。第14頁,共33頁，2024年2月25日，星期天aad用壓痕兩對角線的平均長度來計算。HV=F/S=1.8544P/d2第15頁,共33頁，2024年2月25日，星期天4.2.3特點：優(yōu)點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量；測量精度高，可比性強；能測較薄工件。缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗。第16頁,共33頁，2024年2月25日，星期天工業(yè)上采用現(xiàn)場軋輥維氏硬度計檢測軋輥輥身硬度示意圖第17頁,共33頁，2024年2月25日，星期天5.1肖氏硬度肖氏硬度-Shorescleroscopehardness簡稱HS。表示材料硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。由1906年美國人肖爾(AlbertF.Shore)首先提出。應(yīng)用彈性回跳法將沖擊體從一定高度落到所試材料的表面上而發(fā)生回跳。沖擊體是一只具有尖端的小錐，尖端上常鑲有金剛石。用測得的擊體回跳的高度來表示硬度。5.回彈式硬度測試由于不同國家的肖氏硬度計結(jié)構(gòu)、沖擊體大小不同，檢測的數(shù)值也存在差異。肖氏硬度按硬度計結(jié)構(gòu)分為HSC及HSD兩種，HSC為彈跳高度直讀式、HSD為表盤指針式第18頁,共33頁，2024年2月25日，星期天5.1.1沖擊體沖擊體沖頭頂部鑲嵌金剛石，一般C型為的重量為1/20克拉以上，而D型為1/7克拉以上。5.1.2試驗原理：肖氏硬度試驗是以一定重量的沖頭，從一定高度自由下落到工件表面上。沖頭·的動能一部分消耗于工件表面的塑型變形，另一部分則以彈性變形方式瞬間存儲在工件內(nèi)。當(dāng)后一部分能量重新釋放出來時，會使沖擊體回跳。硬度與回跳高度成正比，回跳的越高，硬度越大。第19頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

肖氏硬度值的高低，是代表某一金屬彈性變形功的大小，表示該種金屬可逆的彈性變形功和不可逆的塑性變形功的相對比值。肖氏硬度公式為：HSC=(10000/65)×(h2/h1)HSD=140×(h2/h1)h1:落下高度h2:反彈高度第20頁,共33頁，2024年2月25日，星期天5.1.3特點：肖氏硬度試驗是一種動態(tài)力試驗，與布、洛、維等靜態(tài)力試驗法相比，準(zhǔn)確度稍差，受測試時的垂直性，軋輥表面粗糙度等因素的影響，其測試結(jié)果的比較只限于彈性模量相同的材料。它對軋輥的尺寸和重量都有一定要求，不適于較小的軋輥，但是它是一種輕便的手提式儀器，便于現(xiàn)場測試，其結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，測試效率高。

肖氏硬度計適用于測定黑色金屬和有色金屬的肖氏硬度值。特別適用于冶金、重型機(jī)械行業(yè)中的中大型工件，例如大型鍛鋼冷軋工作輥、中間輥支承輥、鍛鋼熱軋輥以及各類鑄鋼、鑄鐵軋輥等。第21頁,共33頁，2024年2月25日，星期天各國家的硬度計制定主要項目標(biāo)準(zhǔn)ASTME448規(guī)定型式CD質(zhì)量2.3g36g落下距離251.2mm17.9mmGB/T4341、JISB7727、KSB5525型式CD質(zhì)量2.5g36.2g落下距離254mm19mm第22頁,共33頁，2024年2月25日，星期天5.2里氏硬度計

里氏硬度計是一種測試器材，其原理是隨著單片技術(shù)的發(fā)展，1978年，瑞士人Leeb博士首次提出了一種全新的測硬方法，它的基本原理是具有一定質(zhì)量的沖擊體在一定的試驗力作用下沖擊試樣表面，測量沖擊體距試樣表面1mm處的沖擊速度與回跳速度，利用電磁原理，感應(yīng)與速度成正比的電壓。第23頁,共33頁，2024年2月25日，星期天5.2.1沖擊體型號GDDCDLCES特點大測試頭，沖擊能量約為D頭的9倍，對檢測表面的光潔度要求較低，能檢測布氏硬度最大值為650HB。標(biāo)準(zhǔn)型探頭非常短，使用特別的加載工具加載彈簧前端非常長沖擊能量更小，約為D頭的1/4人造金剛石探頭(約5000HV)特別耐磨材料制作的球頭，比D頭耐用10倍應(yīng)用用于檢測堅硬、較大的試件，如鍛件、鑄件等。用于大部分硬度測量。用于非常局促地方(孔內(nèi)、圓柱園內(nèi))的測量。用于深槽槽底或型面（如齒面）等零件的測量。用于表面硬化了的部件，表面覆蓋層，薄壁的硬度測量。用于極高硬度，碳化物含量高的工具鋼的硬度測量。檢測非常硬的試件重量250g75g50g100g75g80g80g第24頁,共33頁，2024年2月25日，星期天計算公式：HL=1000*（VB/VA）式中：HL——里氏硬度值

VB——沖擊體回跳速度VA——沖擊體沖擊速度5.2.2試驗原理：5.2.3用途根據(jù)里氏原理，只要材料具備一定剛性，能形成反彈，就能測出準(zhǔn)確的里氏硬度值，但很多材料里氏與其它制式的硬度沒有相應(yīng)的換算關(guān)系，因此里氏硬度計目前只裝了9種材料的換算表。具體材料如下：鋼和鑄鋼，合金工具鋼，灰鑄鐵，球墨鑄鐵，鑄鋁合金，銅鋅合金，銅錫合金，純銅，不銹銅。第25頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

在實際生產(chǎn)中，使用的金屬材料多種多樣，由于里氏硬度計對材料的加工方式、材料的合金元素組成敏感，而里氏硬度計芯片中儲存的硬度換算表不可能都滿足用戶的需要，用戶在測試中，可以使用擬合軟件做自己專用的硬度換算表。5.2.4、影響里氏硬度計測試精度的因素

1、數(shù)據(jù)換算產(chǎn)生的誤差里氏硬度換算為其它硬度時的誤差包括兩個方面：一方面是里氏硬度本身測量誤差，這涉及到按方法進(jìn)行試驗時的分散和對于多臺同型號里氏硬度計的測量誤差。另一方面是比較不同硬度試驗方法所測硬度產(chǎn)生的誤差，這是由于各種硬度試驗方法之間不存在明確的物理關(guān)系，并受到相互比較中測量不可靠因素的影響。第26頁,共33頁，2024年2月25日，星期天2、特殊材料引起的誤差存貯在硬度儀中的換算表對下列鋼種可能產(chǎn)生偏差：工具鋼和萊氏體鉻鋼（工具鋼類）硬質(zhì)材料會引起彈性模量增加，從而使L值偏低。這類鋼應(yīng)在橫截面上進(jìn)行測試軋輥內(nèi)應(yīng)力會引起L值偏高軋輥若存在剩磁，由于磁場影響，會使L值偏低。表面硬化鋼，基體軟，會使L值偏低，當(dāng)硬化層大于0.8mm時（C型沖擊裝置為0.2mm）則不影響L值。3、材料彈性、塑性的影響里氏值除與硬度、強度相關(guān)外，更與彈性模量有關(guān)，硬度值是材料硬度和彈性的特征參數(shù)，實際上里氏硬度是材料彈性與硬度共同測定的結(jié)果。在彈性部分，首先明顯受E模量影響，在這方面當(dāng)材料的靜態(tài)硬度相同，而E值大小不同時，E值低的材料，L值較大。第27頁,共33頁，2024年2月25日，星期天4、軋輥重量、粗糙度、尺寸的影響5、軋輥的磁性應(yīng)小于300高斯6、按GB/T17394標(biāo)準(zhǔn)里氏硬度計的示值誤差及重復(fù)性應(yīng)不大于沖擊裝置類型里氏硬度值示值誤差重復(fù)性D490-830HLD±12HLD12HLDDC490-830HLDC±12HLDC12HLDCG460-630HLG±12HLG12HLGC550-890HLC±12HLC12HLC第28頁,共33頁，2024年2月25日，星期天6、各種硬度測試的對比