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硬度试验 检测中心凌霄 概述 1 金属的硬度 是金属材料抵抗局部变形 特别是塑性变形的能力 是衡量金属软硬程度的一种性能指标 根据受力方式 硬度试验方法可分为压入法和刻划法 在压入法中 按加力速度不同又可分为静力试验法和动力试验法 其中以静力试验法应用最为普遍 常用的布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度等均属于静力试验法 肖氏硬度 里氏硬度 弹性回跳法 和锤击布氏硬度等则属于动力试验法 概述 2 硬度值的物理意义随着试验方法的不同 其定义也不同 例如 刻划硬度主要表征金属抵抗表面局部断裂的抗力 肖氏硬度表征金属弹性变形功的大小 而常用的压入硬度则表征金属抵抗局部变形的能力 由于在压痕以下不同深度处 金属所承受的应力和所产生的变形程度不同 因此压入硬度值实际上是综合反映了压痕附近局部体积内金属的弹性 微量塑性变形抗力 应变变化能力及大量塑变抗力等物理量 不同的压入硬度试验方法 由于压头的材料 形状及尺寸 载荷的大小及加载方式的不同 上述各个基本物理量在硬度值中所起的作用也各不相同 因此 硬度 不是金属材料独立的力学性能 布氏硬度试验 试验原理金属布氏硬度的试验原理是用直径为D的硬质合金钢球 和一定大小的载荷F压入试样表面 图1a 经规定的保载时间后 卸除载荷 测量试样表面的压痕直径d 图1b 求得压痕球形面积S 单位面积所承受的平均压力 P S 的大小 定义为试样的布氏硬度 公式 HB 0 102F S 0 102F Dh N mm User 布氏硬度的表示方法 布氏硬度的表示方法 当压头为钢球时用符号HBS表示 当压头为硬质合金球时 用符号HBW表示 符号HBS或HBW之前书写硬度值 符号后面依次表示球体直径 试验力及试验力保持时间 当试验力保持时间为10 15s时不标注 通常布氏硬度是不标单位的 例如 350HBW5 750表示用直径为5 的硬质合金钢球 在7 35kN 750 f 试验力作用下 保持10 15s测得的布氏硬度为350 又如 120HBS10 1000 30 表示用直径为10 的钢球 在此9 807kN 1000 f 试验力作用下 保持30s测得的布氏硬度值为120 压痕相似原理 图示的两个不同直径的球体D1和D2 分别在不同的试验力F1和F2作用下压入试样表面 由图可见 只有在压入角 即通过压痕直径两端所引球体半径的夹角 保持不变的条件下 才能使所测定的硬度值相同 F与D之间必须保持一定的制约关系 试样 1 试样的试验面应是光滑的平面 不应有氧化皮及外来污物 试验面粗糙度必须保证压痕直径能精确地测量 一般试验面的粗糙度Ra应在0 8 m以下 2 试样坯料可采用各种冷热加工方法从原材料或机件上截取 试样的试验面和支承面可采用不同的机械方法加工 两平面必须保证平行 试样在制备过程中 应尽量避免由于受热及冷加工等对试样表面硬度的影响 3 试样的厚度至少应为压痕深度的10倍 压痕深度h可按公式计算 试验后 试样背面应无可见变形痕迹 试验设备 1 布氏硬度试验力允许误差不大于 1 变动度不大于 1 钢球硬度不低于850HV 硬质合金球硬度不低于1500HV 球体直径10 时 公差为 0 005 球体直径为5 时 公差为 0 004 球体直径不大于2 5 时 公差为 0 003 2 压痕测量装置的最小分度应能估测至0 5 d 允许误差不大于 0 5 d 3 硬度计示值允许误差不大于 3 在硬度值150 250之间示值变动度不大于3 硬度值在75 125之间示值变动度不大于4 4 在每次更换压头 试样台或支座后及大批试样试验前 均应按JJG150 布氏硬度计检定规程 对硬度计进行日常检查 5 检查硬度计标准块应符合JJG147 二等标准布氏硬度块定度规程 的要求 6 硬度计由国家计量部门定期检定 试验操作要点 试验一般在10 35 室下进行 试样支承面 压头表面及试验台面应清洁 试样应稳固地放在试验台面上 保证在试验过程不产生倾斜 位移及挠曲 加力时试验力作用方向应与试验面垂直 压头直径的确定当试验条件和试样厚度允许时 应尽量选用直径10 球体压头进行试验 若使用的压头直径不能满足试样厚度时 应选择下一挡直径的球体压头 试验力的选择当压头直径确定后 试验力可根据试验材料的种类及硬度范围按表的规定来选择 一般较硬的材料应选择较大的F D2值 试验力保持时间对于钢及铸铁为10 15s 对于有色金属为30 2s 对于布氏硬度值低于35HB的材料为60 2s 试验时 压痕中心距试样边缘距离应不小于压痕平均直径的2 5倍 两相邻压痕中心距离应不小于压痕平均直径的4倍 布氏硬度试验的F D2值的选择 试验结果处理 1 试验后 检查试样背面及边缘 若发现试样背面出现变形痕迹或鼓胀变形 则试验结果无效 试验后压痕直径应在0 24 0 60D范围内 否则应重新选择D和F进行试验 2 在读数显微镜或其他测量装置上测量压痕直径时 应在两个相互垂直的方向测量 压痕两直径之差不应超过教小直径的2 对于各向异性明显的材料 两直径之差可不受这一限制 但应在有关材料标准或协议中作出具体规定 3 用压痕两直径的算术平均值计算或从 金属布氏硬度试验方法 国家标准附录中查得布氏硬度值 计算的布氏硬度值或计算的三点布氏硬度平均值大于或等于100时 修约至整数 等于或大于10至小于100时 修约至一位小数 小于10时 修约至两位小数 应用范围及优缺点 布氏硬度适用于铸铁 有色金属及其合金 特别对较软金属 如鋁 铅 锡等更为适宜 布氏硬度的优点是采用较大直径球体 所得压痕面积较大 其硬度值能反映金属在较大范围内各个组成相的平均性能 而不受个别微小不均匀性的影响 由于压痕较大 所测数据稳定 重复性强 其缺点是对不同的材料需要更换球体和改变试验力 压痕直径测量也较麻烦 由于压痕较大不宜在成品上进行试验 洛氏硬度试验 洛氏硬度试验原理 洛氏硬度所用的压头为圆锥角 120 金刚石圆锥体或直径D 1 588 的淬火钢球 试验原理分别见图 洛氏硬度试验原理 1 洛氏硬度试验压头采用金刚石圆锥体或一定直径的钢球 试验力先后两次施加 先施加初试验力F0 使试样表面产生一个初始的压入深度h0 以此作为测量压痕深度的基准 然后施加主试验力F1 其压痕深度的增量为h1 试样在F1作用下产生的总变形量h1中既有弹性变形量又有塑性变形量 经过规定保持时间后卸除主试验力F1 其中弹性变形量将恢复 压头随之回复一定高度 于是在试样上得到由于主试验力所产生的压痕深度的残余增量e 单位为0 002 见图 e是反映金属硬度高低的定量值 e越大 表示洛氏硬度值越低 反之 则表明洛氏硬度值越高 洛氏硬度表示方法 人为规定引入一常数K减去e值作为洛氏硬度值的指标 用符号HR表示 规定K 100 对应深度 100 0 002 0 2 当压痕残余增量为0 2 时 则金属洛氏硬度值为零 将0 2 深的压入深度划分为100等分 即100个洛氏硬度单位 再将压痕深度的残余增量换成e单位后 则洛氏硬度值为HR 100 e 当压头为钢球时 由于多用于测定较软金属硬度 压入深度较深 有可能深度大于0 2 若K值仍为100 则计算出的硬度值就可能为零值或负值 为避免出现这种情况 故将K值 在起点位置增加30 定为130 即深度 增加0 06 为0 26 也就是说将0 26 深度划分为130等分 即130个洛氏单位 试样的洛氏硬度值为HR 130 e 洛氏硬度表示方法 在洛氏硬度符号HR前为硬度数值 在HR后面为使用标尺 例如 50 5HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度为50 5 试样 试样的坯料可采用各种冷热加工方法从原材料或机件上切取 试样在制备过程中应尽量避免由于切削机加工过程中进刀量过大或切削速度过快等操作因素引起的试样过热 造成试样表面硬度改变 另外 在加工时应注意不要使表面产生明显硬化层 以免影响试验结果的准确性 试样表面应尽可能是平面 不应有氧化皮及其它污物 表面粗糙度Ra一般不大于0 8 试样支承面应平整并与试验面平行 试样或试验层的厚度应不小于压痕深度残余增量e的10倍 并且试验后试样背面不得有肉眼可见变形痕迹 试验设备 对加卸主试验力前后的初试验力允差 2 0 总试验力允差 新制硬度计为 0 5 使用中和修理后的硬度计为 0 7 使用金刚石圆锥压头 对圆锥压头的技术要求 圆锥顶角120 30 球面半径0 20 0 01 表面粗糙度Ra 0 025 锥体 尾柄轴线偏差 0 5 使用直径1 588 的钢球时 其钢球直径允差和圆度误差为 0 002及0 002 表面粗糙度Ra 0 025 钢球表面硬度不低于850HV10 此外钢球突出钢套部分不小于钢球直径的1 3 对于洛氏硬度试验 硬度示值测量机构在使用范围内压痕深度误差应不于 0 001 相当于对洛氏硬度示值的影响为 0 5个洛氏硬度单位 试验操作要点 1 试验一般在10 15 室温进行 HRA主要用于测定硬质材料的洛氏硬度 象硬质合金 很薄很硬的钢材以及表面硬化层较薄的钢材 HRB常用于测定低合金钢 软合金 铜合金 铝合金及可锻铸铁等中 低硬度材料 HRC主要用于测定一般钢材 硬度较高的铸件 珠光体可锻铸铁及淬火加回火的合金钢等硬度 试验前应使用与试样硬度值相近的标准洛氏硬度块对硬度计进行校验 试样支承面应平整并与试验面平行 以保证试验力垂直地作用在试验面上 试验操作要点 2 对于施加主试验力后不随时间继续变形的试样 保持时间为1 3s 对于施加主试验力后随时间缓慢变形的试样 保持时间为6 8s 对于施加主试验力后随时间明显变形的试样 保持时间为20 25s 两压痕中心间距离至少应为压痕直径的4倍 但不得小于2 任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2 5倍 但不得小于1 试验结果处理 洛氏硬度试验应精确至0 5个洛示单位 每个试样一般应给出3点洛氏硬度 洛氏硬度试验可以在曲面上测量 但对于曲率半径较小的试样 应根据其曲率半径及硬度范围按标准规定对试验结果进行修正 应用范围及优缺点 洛氏硬度试验优点是通过变换试验标尺可测量硬度较高的材料 压痕较小 可用于半成品或成品检验 试验操作简便迅速 工作效率高 适合于批量检验 其缺点是压痕较小 代表性差 由于材料中有偏析及组织不均匀等缺陷 致使所测硬度值重复性差 分散度大 此外 用不同的标尺测得的硬度值彼此无内在联系 也不能直接进行比较 维氏硬度试验 试验原理维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同 也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值的 所不同的是维氏硬度的压头不是球体而是两相对面间夹 为136 的金刚石四棱锥体 其试验原理如图3 1所示 压头在载荷F作用下 将试样表面压出一个四方锥形的压痕 经规定保持时间后 卸除载荷 测量压痕对角线长度d 用以计算压痕表面积S 维氏硬度值就是载荷F除以压痕面积所得的商 维氏试验原理图 维氏硬度表示方法 计算公式如下 当载荷单位为 f时 HV 与布氏硬度值一样 维氏硬度也不标注单位 维氏硬度的符号为HV HV前面为硬度值 HV后面按载荷和载荷保持时间的顺序用数值表示试验条件 保载时间15s 不注 如 640HV30维氏硬度的载荷同常为49 03 5 98 07 10 196 1 20 294 2 30 490 3 50 980 7 100 N f 等六种 试样 试样试验面应平坦光滑 无氧化皮及外污物 对试样表面粗糙度 Ra 要求 维氏硬度试样 0 4 小负荷维氏硬度试样 0 2 显微维氏硬度试样 0 1 在试样制备过程中应尽量避免由于受热 冷加工等对试样表面硬度产生影响 试样或试验层的最小厚度H应为压痕深度h的10倍 试验后 试样背面不应出现可见的变形痕迹 从而保证试验结果的准确可靠 试验设备 维氏硬度 小负荷维氏硬度试验的试验力允许误差不大于 1 金刚石锥体相对面夹角为136 30 锥体轴线与压头柄轴线偏斜度应小于0 5 锥体两相对面交线 横刃 长度 对于维氏硬度试验应不大于2 维氏硬度计压痕测量装置最小分度值不大于0 5 d 测量压痕对角线长度小于等于0 2 时 允许误差为 0 001 大于0 2 时 允许误差为 0 5 d 维氏硬度试验力示值误差为 2 当试验力小于HV10 硬度范围在5 1000 时 其重复性为2 5 当试验力大于HV10 硬度范围在5 1000 时 示值重复性为3 5 试验操作要点 试验应在10 35 温度下进行 试样的试验面应与试验力方向垂直 以保证压痕具有规则准确的形状 对于薄带材试样应平整地置于试样台上 在试验过程中应避免发生翘曲 对同一试样试验力可从小到大任意选择而不影响试验结果 但是试验力的大小应保证压痕深度小于试样或试验层厚度的1 10 也就是说 压痕对角线长度应不大于试样或试验层厚度的1 1 5 对钢铁材料 试验力保持时间为10 15s 对非铁金属为 30 2 s 对于钢 铜及铜合金 两相邻压痕中心之间的距离应不小于压痕对角线长度的3倍 任一压痕中心距试样边缘的距离应不小于压痕对角线的长度的2 5倍 以所测相互垂直两对角线长度 取其算术平均值作为测量依据 所测压痕两对角线长度之差不应超过对角线平均值的5 试验结果处理 对于计算出的维氏硬度值应进行修约 当硬度值 100时 修约至整数 10而 100时 修约至一位小数 10时 修约至两位小数 对曲面试样试验结果的影响 可根据试样曲面形状及压痕对角线长度d与试样直径D的比值 查出对应的修正系数 并将所测硬度值乘以 修正系数 这样所得到