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    詳盡金屬力學性能及其試驗(硬度試驗)

    2.5 硬度試驗

    2.5.1 概述

    硬度表征的是固體材料抵抗局部變形,特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力,反映了材料的軟硬程度。

    硬度不是一個簡單的物理概念,而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。如刻劃法型硬度試驗表征金屬抵抗破裂的能力,而壓入法型硬度試驗表征金屬抵抗變形的能力。

    硬度數據與其他力學性能存在一定關系,如抗拉強度。原因在于硬度和抗拉強度都與大塑性變形抗拉有關。


    2.5.2 硬度的測試方法及分類

    硬度試驗是應用最廣泛的力學性能試驗,根據受力方式,可分為壓人法和劃痕。入法,按照加力速度不同又可分為靜態力試驗法和動態力試驗法。通常所采用的布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等均屬于靜態力試驗法,肖氏硬度、里氏硬度和錘擊布氏硬度等屬于動態力試驗法。

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    硬度測試方法的分類

    硬度測量方法的使用范圍

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    其中肖氏硬度也稱為回跳法,所以又可以分為:壓入法、彈性回跳法和劃痕法。

    同一類方式的硬度可以換算;不同類方式則只能采用同一種材料進行標定。


    硬度試驗的特點

    實驗方法簡單,無須加工試樣;

    造成的表面損傷小,基本屬于無損或微損檢測范圍;

    與其他靜載荷下的力學性能指標之間存在一定關系,如可以由硬度大致推測強度值;

    測量范圍大可至多個晶粒,小可測單個晶粒,甚至幾個原子范圍(納米壓痕儀(NanoIndenter))。

    2.5.3 概念

    布氏硬度(HB):材料抵抗通過硬質合金球壓頭施加試驗力所產生永久壓痕變形的度量單位。

    努氏硬度(HK):材料抵抗通過金剛石菱形錐體壓頭施加試驗力所產生永久壓痕變形的度量單位。

    肖氏硬度(HS):應用彈性回跳法將撞銷(具有尖端的小錐,尖端上鑲有金剛鉆)從一定高度落到所測試材料的表面上而發生回跳,用測得的撞銷回調高度來表示的硬度。

    洛氏硬度(HR):材料抵抗通過硬質合金,或對應某一標尺的金剛石圓錐體壓頭施加試驗力所產生永久壓痕變形的度量單位。

    維氏硬度(HV):材料抵抗通過金剛石正四棱錐體壓頭施加試驗力所產生永久壓痕變形的度量單位。

    里氏硬度(HL):將規定質量的沖擊體,在彈性力作用下以一定速度沖擊試樣表面,用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計算的硬度值。

    標準塊:用于壓痕硬度計間接檢驗、帶有檢定合格的壓痕值得標準塊狀物質。

    硬度測試試驗

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    2.5.4 硬度與材料抗拉強度的關系

    金屬的壓入硬度與抗拉強度成正比例關系:

    σb=kHB

    其中k為比例系數,不同金屬材料的k值不同,同一種類的金屬經過熱處理后,硬度和強度發生變化,但k值基本保持不變;

    經過冷變形后,金屬材料的k值不再是常數;

    鋼鐵材料的k大約是3.3;

    精確的強度數據要靠直接測量得到。


    2.5.5 布氏硬度

    原理:用一定直徑的壓頭(球體),以相應試驗力壓入待測表面,保持規定時間卸載后,測量材料表面壓痕直徑,以此計算出硬度值。

    壓頭:淬火鋼球或硬質合金鋼球。

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    載荷、壓頭直徑、保持時間是布氏硬度試驗三要素。

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    布氏硬度的表示方法


    布氏硬度值單位為公斤力/mm2N/mm2);布氏硬度上限值為HB650,不能高于此值。

    優點:壓痕面積大,反映較大范圍內材料的硬度性能;試驗數據穩定,重復性好,應用廣泛;適用于晶粒粗大、相組成復雜、相尺寸較大的材料。

    缺點:屬于有損檢測,壓痕較大,不能在成品表面進行檢測;操作復雜,效率低,不能連續檢測。

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    布氏硬度測試設備


    2.5.6  洛氏硬度

    原理:用金剛石圓錐或淬火鋼球壓頭,在試驗壓力F的作用下,將壓頭壓入材料表面,保持規定時間后,去除主試驗力,保持初始試驗力,用殘余壓痕深度增量計算硬度值,實際測量時,可通過試驗機的表盤直接讀出洛氏硬度的數值。

    洛氏硬度載荷較大,不宜用于測量極薄試樣和表面硬化層,采用表面洛氏硬度測量。

    優點:操作簡單迅速,效率高,可直接讀出硬度值;壓痕小,可測量成品或較薄工件;可測量軟硬不同的材料硬度。

    缺點:壓痕較小,代表性差;材料有偏析或組織不均勻時,數據重復性差;不同等級的洛氏硬度數據不具可比性。


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    壓頭頂角120°金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球

    1-1 —加上初載荷后壓頭的位置;

    2-2 —加上初載荷+主載荷后壓頭的位置;

    3-3 —卸去主載荷后壓頭的位置;

    he —卸去主載荷的彈性恢復;


    洛氏硬度標尺

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    洛氏硬度的表示方法


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    洛氏硬度試驗設備


    2.5.7  維氏硬度

    原理:在一定的靜檢測力作用將壓頭下壓入試樣的表面,保持規定時間后卸除檢測力,試樣表面留下四方錐形的壓痕。計算出壓痕凹印面積,維氏硬度是檢測力除以壓痕表面積所得的商。

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    壓頭金剛石材質,正四棱錐體,面角為136°


    維氏硬度檢測時對于硬度均勻的材料可以任意選擇檢測力,其硬度值不變,這是維氏硬度檢測法最大的優點。

    選擇面角為136°的角錐體,是為了使維氏硬度和布氏硬度有相近的示值以便進行比較。


    表示方法:HV前面的數值為硬度值,后面為試驗力值。標準的試驗保持時間為10~15s,超出范圍需要標注上保持時間。600HV30—表示采用30kgf的試驗力,保持10~15s得到的硬度值為600;600HV30/20—表示采用30kgf的試驗力,保持20s得到的硬度值為600。


    適用范圍:按試驗力的大小,分為維氏硬度、小負荷維氏硬度、顯微維氏硬度。維氏硬度檢測:除特別小和薄試樣層的樣品外,測量范圍可覆蓋所有金屬。小負荷維氏硬度檢測:特別適宜于測量鋼表面強化層及化學熱處理表面層以及各種滲層、渡層等的表面硬度。顯微維氏硬度檢測:除用于產品的硬度檢驗外,在金屬學、金相學研究方面也是最常用的試驗方法之一。


    優點: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;硬度值與試驗力大小無關。

    缺點:測量操作較麻煩,測量效率低;不適于大批生產和測量組織不均勻材料。

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    維氏硬度試驗設備


    2.5.8 顯微硬度

    顯微硬度是指一般指加載小于0.2kgf的硬度試驗,分為顯微維氏硬度和顯微努氏硬度。

    顯微硬度測定極小范圍內的硬度,幾乎不損壞試樣,例如某個晶粒、組成相或夾雜物的硬度,顯微硬度可測陶瓷、玻璃、瑪瑙等脆性材料的硬度,且靈敏度高,適合評定細線材的加工硬化程度。

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    維氏壓頭壓痕(左)、努氏壓頭壓痕(右)


    顯微硬度應用

    1)金屬材料和金相的研究:廣泛用于測定金屬及合金中各組成相的硬度,剖析其對合金性能的供獻,為合金的正確設計提供依據。

    2)金屬表面層性能的研究:擴散層性能的研究,例如滲碳層,氮化層,金屬擴散層等;(表面加工硬化層性能的研究。如金屬表層受機械加工,熱加工的影響。

    3)晶粒內部不均勻性的研究;

    4)極細薄金屬制成品硬度的測量。


    2.5.9 肖氏硬度

    原理:將規定形狀的金剛石沖頭從固定的高度h0落在試樣表面上,沖頭彈起一定高度h,用hh0的比值計算肖氏硬度值(材料的硬度與回調高度成正比)。與前面三種靜態壓入法硬度不同,肖氏硬度是一種動態力試驗法。

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    肖氏硬度計及結構圖


    試樣要求:試樣的質量應至少在0.1kg以上,厚度一般應在10mm以上;試樣的試驗面積應盡可能大;表面應無氧化皮及外來污物,不應帶有磁性。

    表示方法HS前數字表示硬度數值,HS后表示硬度標尺類型。45HSC—表示C型硬度計測定的硬度值為45;45HSD—表示D型硬度計測定的硬度值為45。

    優點:操作簡單、效率高;試驗后幾乎不產生壓痕,可在成品件上試驗

    缺點:測量精度低、重復性差,適合精度要求高的測試。


    2.6 相關標準

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