金屬材料的硬度

  硬度是評定金屬材料力學(xué)性能zui常用的指標(biāo)之一。對于金屬材料的硬度，至今在國內(nèi)外還沒有一個包括所有試驗方法的統(tǒng)一而明確的定義。就已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的、被國內(nèi)外普通采用的金屬硬度試驗方法而言，金屬材料硬度的定義是:材料抵抗另一較硬材料壓入的能力。

硬度檢測是評價金屬力學(xué)性能zui迅速、、zui簡單的一種試驗方法。硬度檢測的主要目的就是測定材料的適用性，或材料為使用目的所進(jìn)行的特殊硬化或軟化處理的效果。對于被檢測材料而言，硬度是代表著在一定壓頭和試驗力作用下所反映出的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能。由于通過硬度試驗可以反映金屬材料在不同的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和熱處理工藝條件下性能的差異，因此硬度試驗廣泛應(yīng)用于金屬性能的檢驗、監(jiān)督熱處理工藝質(zhì)量和新材料的研制。金屬硬度檢測主要有兩類試驗方法。一類是靜態(tài)試驗方法，這類方法試驗力的施加是緩慢而無沖擊的。硬度的測定主要決定于壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小。靜態(tài)試驗方法包括布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等。其中布、洛、維三種試驗方法是zui長用的，它們是金屬硬度檢測的主要試驗方法。而洛氏硬度試驗又是應(yīng)用zui多的，它被廣泛用于產(chǎn)品的檢驗，據(jù)統(tǒng)計，目前應(yīng)用中的硬度計70%是洛氏硬度計。另一類試驗方法是動態(tài)試驗法，這類方法試驗力的施加是動態(tài)的和沖擊性的。這里包括肖氏和里氏硬度試驗法。動態(tài)試驗法主要用于大型的，不可移動工件的硬度檢測。

1.布氏硬度計原理

　　對直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭施加規(guī)定的試驗力，使壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時間后，除去試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度用試驗力除以壓痕表面積的商來計算。
　　圖1布氏硬度試驗原理
　　HB =F / S ……………… （1-1）
　　=F / πDh ……………… （1-2）
　　= ……………… （1-3）
　　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

布氏硬度計的特點：
　　布氏硬度試驗的優(yōu)點是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直徑球壓頭，3000kg試驗力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相綜合影響的平均值，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響，因此特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料。它的試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，精度高于洛氏，低于維氏。此外布氏硬度值與抗拉強(qiáng)度值之間存在較好的對應(yīng)關(guān)系。
　　布氏硬度試驗的缺點是壓痕較大，成品檢驗有困難，試驗過程比洛氏硬度試驗復(fù)雜，測量操作和壓痕測量都比較費(fèi)時，并且由于壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓滑過渡都會使壓痕直徑的測量產(chǎn)生較大誤差，因此要求操作者具有熟練的試驗技術(shù)和豐富經(jīng)驗，一般要求由專門的實驗員操作。

布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
　　由于布氏硬度試驗?zāi)軌蚍从吵鲈嚇虞^大范圍內(nèi)的綜合性能，因此布氏硬度與材料的其他機(jī)械性能關(guān)系密切，尤其是與抗拉強(qiáng)度存在近似的換算關(guān)系：
　　σ_b=K·HB ……………… （1-6）
　　式中：σ_b—抗拉強(qiáng)度值，MN/m²；
　　K—常數(shù)，不同材料有不同的數(shù)值。
　　通過測試布氏硬度可以間接得到材料的抗拉強(qiáng)度。這一點在生產(chǎn)實際中具有重大意義。可以通過測量硬度的方法得到近似的強(qiáng)度值，這樣既可以提高工作效率，又可以節(jié)省材料。
　　部分金屬材料的換算關(guān)系如1-3表所示。

2.洛氏硬度計原理

在規(guī)定條件下，將壓頭（金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球）分2個步驟壓入試樣表面。卸除主試驗力后，在初試驗力下測量壓痕殘余深度h。以壓痕殘余深度h代表硬度的高低。洛氏硬度試驗原理如圖2-1所示。

1—在初始試驗力F₀下的壓入深度；2—在總試驗力F₀+F₁下的壓入深度；3—去除主試驗力F₁后的彈性回復(fù)深度；4—殘余壓入深度h；5—試樣表面；6—測量基準(zhǔn)面；7—壓頭位置

　洛氏硬度試驗分為2種，一種是普通洛氏硬度試驗，一種是表面洛氏硬度試驗。洛氏硬度試驗采用120⁰金剛石圓錐和 1.588mm、 3.175mm鋼球三種壓頭，采用60kg、100kg、150kg三種試驗力，它們共有九種組合，對應(yīng)于洛氏硬度的九個標(biāo)尺，即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。表面洛氏硬度試驗采用120⁰金剛石圓錐和 1.588mm鋼球2種壓頭，采用15kg、30kg、45kg三種試驗力，它們共有六種組合，對應(yīng)于表面洛氏的六個標(biāo)尺，即HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T。

洛氏硬度標(biāo)尺技術(shù)條件

表面洛氏硬度標(biāo)尺技術(shù)條件

（取自國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1-2004　　　　　　　　　　注：力值單位9.8N=1kg）

洛氏硬度計特點

   洛氏硬度試驗操作簡單，測量迅速，可在指示表上直接讀取硬度值，工作效率高，成為zui常用的硬度試驗方法之一。由于試驗力較小，壓痕也小，特別是表面洛氏硬度試驗的壓痕更小，對大多數(shù)工件的使用無影響，可直接測試成品工件，初試驗力的采用，使得試樣表面輕微的不平度對硬度值的影響較小，因此，此儀器非常適于在工廠使用，適于對成批加工的成品或半成品工件進(jìn)行逐件檢測，

該試驗方法測量操作的要求不高，非專業(yè)人員容易掌握。

3.維氏硬度計原理

3.1 維氏硬度計原理
　　采用正四棱錐體金剛石壓頭，在試驗力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長度，見圖3-1。
　　
　　圖3-1維氏硬度試驗原理圖
　　試驗力除以壓痕表面積的商就是維氏硬度值。維氏硬度值按式（３－１）計算：
　　HV = 常數(shù)×試驗力/壓痕表面積 ≈0.1891 F／d² …………（3－1）
　　式中：HV　　————　　維氏硬度符號；
　　      F　　――――　　試驗力，N；
　　      d　　————　　壓痕兩對角線d₁、d₂的算術(shù)平均值，mm
　　實用中是根據(jù)對角線長度d通過查表得到維氏硬度值。
　　國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定維氏硬度壓痕對角線長度范圍為0.020～1.400mm
　　3.2 維氏硬度的表示方法
　　維氏硬度表示為HV，維氏硬度符號HV前面的數(shù)值為硬度值，后面為試驗力值。標(biāo)準(zhǔn)的試驗保持時間為10～15S。如果選用的時間超出這一范圍，在力值后面還要注上保持時間。例如：
　　600HV30—表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間10～15S時得到的硬度值為600。
　　600HV30/20—表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間20S時得到的硬度值為600。
　　3.3 維氏硬度試驗的分類和試驗力選擇
　　維氏硬度試驗按試驗力大小的不同，細(xì)分為三種試驗，即：維氏硬度試驗、小負(fù)荷維氏硬度試驗和顯微維氏硬度試驗。見表3-1
　表3-1維氏硬度試驗的三種方法

　　維氏硬度試驗可選用的試驗力值很多，見表3-2。
　　表3-2推薦的維氏硬度試驗力

　　試驗力的選擇要根據(jù)試樣種類、試樣厚度和預(yù)期的硬度范圍而定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試樣或試驗層的厚度至少為壓痕對角線長度的1.5倍。試驗后試樣背面不應(yīng)出現(xiàn)可見的變形痕跡。

3.4 維氏硬度試驗的優(yōu)點

　　維氏硬度試驗的壓痕是正方形，輕廓清晰，對角線測量準(zhǔn)確，因此，維氏硬度試驗是常用硬度試驗方法中精度zui高的，同時它的重復(fù)性也很好，這一點比布氏硬度計*。

　　維氏硬度試驗測量范圍寬廣，可以測量目前工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料（幾個維氏硬度單位）到很硬的材料（3000個維氏硬度單位）都可測量。

　　維氏硬度試驗zui大的優(yōu)點在于其硬度值與試驗力的大小無關(guān)，只要是硬度均勻的材料，可以任意選擇試驗力，其硬度值不變。這就相當(dāng)于在一個很寬廣的硬度范圍內(nèi)具有一個統(tǒng)一的標(biāo)尺。這一點又比洛氏硬度試驗來得*。

　　3.5 維氏硬度試驗的缺點

維氏硬度試驗效率低，要求較高的試驗技術(shù)，對于試樣表面的光潔度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費(fèi)時，通常只在實驗室中使用。

3.6 維氏硬度計的應(yīng)用

維氏硬度試驗主要用于材料研究和科學(xué)試驗方面小負(fù)荷維氏硬度試驗主要用于測試小型精密零件的硬度，表面硬化層硬度和有效硬化層深度，鍍層的表面硬度，薄片材料和細(xì)線材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于試驗力很小，壓痕也很小，試樣外觀和使用性能都可以不受影響。顯微維氏硬氏試驗主要用于金屬學(xué)和金相學(xué)研究。用于測定金屬組織中各組成相的硬度，用于研究難熔化合物脆性等。顯微維氏硬度試驗還用于極小或極薄零件的測試，零件厚度可薄至３μm。

里氏硬度計原理

用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距離試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度之比計算出的數(shù)值就是里氏硬度。里氏硬度計實際上是肖氏硬度計的改進(jìn)型，它們測定的都是沖擊體在試樣表面經(jīng)試樣塑性變形消耗能量后的剩余能量。

里氏硬度的計算公式如下：

HL=1000×U_R/U_A

式中：HL　————里氏硬度符號

U_A ————球頭的沖擊速度，m/s；

U_R ————球頭的反彈速度，m/s。

4.里氏硬度計特點

里氏硬度計儀器輕巧，測試簡便，快速，讀數(shù)方便，適于檢測硬度范圍很寬的金屬材料，并且可以從不同方向進(jìn)行測試，非常適于在現(xiàn)場對大型工件、組裝件進(jìn)行硬度測試，里氏硬度計比肖氏硬度計有了很大的技術(shù)進(jìn)步。

里氏硬度計的缺點是這種試驗方法在上還沒有被普遍接受，迄今還沒有被標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）采納，試驗數(shù)據(jù)在上還缺乏來自獨(dú)立的第三方或組織方面的監(jiān)督與復(fù)核。

里氏硬度試驗要求試樣有一定的質(zhì)量和厚度，不適于測試小工件。

里氏硬度計主要用于在現(xiàn)場快速測試大型的、組裝的、不便移動的、不允許切割試樣的工件，用于測試大型模具、大型鍛造件、鑄造件，可以靈活地測試大型工件不同部位的硬度，里氏硬度計是大型工件硬度測試上非常有效實用的檢測手段，在國內(nèi)里氏硬度計有取代肖氏硬度計的趨勢。

里氏硬度計不能測試表面硬化工件，通過耦合的辦法測試小零件往往是不可靠的，目前有被誤導(dǎo)測試小零件的傾向。對于中、小零件應(yīng)盡量采用上通用的靜態(tài)硬度測試方法。里氏硬度計試驗與肖氏硬度試驗相同，里氏硬度試驗結(jié)果的比較也是于彈性模量相同或相近的材料。

5.韋氏硬度計

韋氏硬度計原理

一定形狀的硬鋼壓針，在標(biāo)準(zhǔn)彈簧試驗力作用下壓入試樣表面，用壓針的壓入深度確定材料硬度，定義0.01mm的壓入深度為一個韋氏硬度單位。韋氏硬度單位表示為HW。

韋氏硬度計的特點

韋氏硬度計是小型便攜式儀器，它體積小、重量輕、可單手操作，可快速、方便、無損地測試材料硬度，它不必取樣，對操作技能要求不高，非常適于在生產(chǎn)現(xiàn)場對材料進(jìn)行快速硬度檢測。

韋氏硬度計的缺點是靈敏度較差，量程較窄，全量程只有20個刻度，因此通常一臺儀器只能測試1~2種金屬材料。

韋氏硬度計的應(yīng)用

韋氏硬度計采用兩種不同形狀的壓針，兩種不同的試驗力，它們的組合構(gòu)成三種不同型號的儀器，分別用于測試鋁合金、軟銅、硬銅、超硬鋁合金和軟鋼。韋氏硬度計適于測試具有兩個平行面的材料，例如管材、板材和型材，材料厚度zui大可達(dá)到13mm。

韋氏硬度計非常適于在生產(chǎn)現(xiàn)場對成批產(chǎn)品進(jìn)行逐件檢測，盡管它的靈敏度不高，但是作為生產(chǎn)控制與合格判定儀器已經(jīng)能夠滿足要求，正是由于這個原因，韋氏硬度計在鋁加工行業(yè)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

6.巴氏硬度計
　 巴氏硬度計的原理
　　一定形狀的硬鋼壓針，在標(biāo)準(zhǔn)彈簧試驗力作用下，壓入試樣表面，用壓針的壓入深度確定材料硬度，定義每壓入0.0076mm為一個巴氏硬度單位。巴氏硬度單位表示為HBa。

巴氏硬度計的特點
　　巴氏硬度計是一種可單手操作的便攜式儀器，它體積小，重量輕，可快速、方便、無損地測試材料硬度，它不必取樣，對操作技能要求不高，非常適于在生產(chǎn)現(xiàn)場和倉庫對材料進(jìn)行快速檢驗。
　　巴氏硬度計有100個刻度，精度比韋氏硬度計高，它的使用不受材料厚度的限制，可以測試更厚的材料，巴氏硬度計有一個支腳，測量時要使之與壓針處于同一水平面內(nèi)，以保證壓針垂直壓下，為了墊平這個支腳，在測試小尺寸工件時會有些不便。
　巴氏硬度計的應(yīng)用
　　巴氏硬度計是韋氏硬度計的良好補(bǔ)充，它主要用于測試鋁及鋁合金，也可以測試其他軟金屬及玻璃鋼。它可測試韋氏硬度計無法測試的超大材料、超厚材料、棒材、大型鍛件、鑄件、組裝件、純鋁及低硬度鋁合金。

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