硬度的知1.doc(02).doc

硬度的知識金属材料抵抗硬的物体压陷表面的能力，称为硬度。硬度是衡量金属材料软硬的指标，是力学性能中最常用的性能之一。根据试验方法和适用范围不同，硬度又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、显微硬度和高温硬度等。对于管材一般常用的有布氏、洛氏、维氏硬度三种。材料在表面局部体积内抵抗变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。硬度的测定方法有一般分为压入法、刻划法、回跳法三类。压入法包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等；刻划法包括莫氏硬度等；回跳法包括肖氏硬度等。生产中常用的是压入法，它是将一定形状的压头，在一定的载荷下，压入被测的金属材料表面，根据压入程度来测定其硬度值。在同样的实验条件下（压头相同、载荷相同），若压入的程度越大，则材料的硬度越低，反之越高。生产中应用广泛的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。 硬度是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标。硬度试验设备简单，操作迅速方便，是常用的作为产品质量检查、制定合理加工工艺的试验方法。1.2.1布氏硬度图1-4布氏硬度试验原理示意图布氏硬度试验法的测试原理：在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压入到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕球缺的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值。(如图1-4所示)布氏硬度值(HBS或HBW)的计算公式为：当载荷F的单位为公斤力( kgf kgf为非法定计量单位，目前硬度试验仍保留，1kgf=9.8N。 )时,当载荷F的单位为牛顿时( N )时,式中，F表示载荷大小，D表示压头的直径(mm)，d表示压痕表面的直径(mm)， S表示压痕的面积 (mm2)，布氏硬度值的单位为kgf / mm2或者N / mm2，习惯上布氏硬度是不标单位的。布氏硬度实际测试时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径d，根据值d查表即可查出硬度值。布氏硬度试验时，当用淬火钢球作为压头时，用HBS表示，适用于布氏硬度低于450的材料；当用硬质合金球作为压头时，用HBW表示，适用于硬度值在450650的材料。布氏硬度的表示方法如下：硬度值硬度符号试验条件。例如210HBS10/1000/30表示用10mm直径的淬火钢球作为压头，在1000 kgf作用下，保持时间为30秒，测得的布氏硬度值为210；500HBW5/750表示用5mm直径的硬质合金球压头，在750 kgf作用下，保持1015秒（持续时间1015秒时，可以不标注），测得的布氏硬度值为500。在进行布氏硬度试验时，GB2311984做出了规定，常用的0.102F/D2比例为30、10、2.5三种。根据金属材料的种类、试样厚度及试样的硬度范围，按照表1-2的规范选择合适的试验条件。布氏硬度的优点：压痕面积较大，能较好反映材料的平均硬度；数据较稳定，重复性好。缺点是：测试麻烦，压痕较大，不适合测量成品及薄件材料。目前，布氏硬度主要用于铸铁、非铁金属（如滑动轴承合金等）及经过退火、正火和调质处理的钢材。表1-2布氏硬度试验规范材料种类布氏硬度值范围球直径D(mm)0.102F/D2试验力F(N或kgf)保持时间(s)备 注钢、铸铁1401052.53029420(3000)7355(750)1839(187.5)10压痕中心距试样边沿距离不应小于压痕平均直径的2.5倍相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的4倍试样厚度至少应为压痕深度的10倍试验后，试样支撑面应无明显变形痕迹1401052.5109807 (1000)2452(250)613(62.5)1015非铁金属材料1301052.53029420(3000)7355(750)1839(187.5)30551301052.5109807(1000)2452(250)613(62.5)30351052.52.52452(250)613(62.5)153(15.5)601.2.2洛氏硬度洛氏硬度试验法是目前应用最广泛的硬度测试方法，它是直接用压痕深度来确定硬度值的。试验时，用顶角为120金刚石圆锥体或者用直径为1.588mm的淬火钢球作为压头，先加初载荷为98.07N(10kgf)，再加规定的主载荷，将压头压入金属材料的表面，卸去主载荷后，根据压头压入的深度最终确定其硬度值。图1-5 洛氏硬度试验原理示意图试验原理如图1-5所示，先加初载荷，使压头与试样表面之间有良好的接触，并以此作为测量的基准；再施加主载荷，试样压到最深处；卸去主载荷后，被测试样的弹性变形恢复，压头略微抬高。测得的深度就是基准与压头顶点最后位置之间的距离e。e越大，被测金属的硬度越低，为了和习惯（数值越大，硬度越高）相符，用常数k减e来表示硬度大小，用0.002mm表示一个硬度单位，洛氏硬度值的计算公式为： 。式中，k为常数，用金刚石圆锥体压头时，k=0.2mm；用淬火钢球作为压头时，k=0.26mm；e为卸去主载荷后测得的压痕深度。洛氏硬度没有单位，是一个无量纲的力学性能指标。为了能用同一硬度计测定从软到硬的材料硬度，就需要不同的压头和载荷组成不同的洛氏硬度标尺，最常用的是A、B、C三种标尺，分别记作HRA、HRB、HRC。表1-3给出了三种标尺的实验规范及应用范围。表1-3 常用三种洛氏硬度的试验条件及应用范围标尺硬度符号压头类型总载荷(N或kgf)测量范围应 用 范 围AHRA金刚石圆锥体588.4(60)2088硬质合金、表面硬化层、淬火工具钢等BHRB1.588mm钢球980.7(100)20100低碳钢、铜合金、铝合金、铁素体可锻铸铁CHRC金刚石圆锥体1471(150)2070淬火钢、调质钢、高硬度铸铁实际测量时，洛氏硬度是在硬度计上直接读出硬度值的。洛氏硬度的表示方法为：硬度值+硬度符号。例如，60HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60。洛氏硬度试验的优点：测量迅速简便，压痕较小，可用于测量成品零件；缺点是：压痕较小，测得的硬度值不够准确，并且各硬度标尺之间没有联系，不同标尺硬度值之间不能直接比较大小。洛氏硬度C标尺应用最广泛。对于极薄工件和化学热处理后的表面层，在硬度测定时，由于常用洛氏硬度法施加的载荷较大，不适合这类材料的表面硬度测定。为此，根据洛氏硬度试验原理，设计出了载荷较小的表面洛氏硬度试验。其初载荷为29.4N(3kgf)，总载荷有147.1N(15kgf)、249.3N(30kgf)、441.3N(45kgf)三种，如果用金刚石圆锥压头，常用来测量渗氮钢、渗碳钢、刀刃、零件边缘部分等，硬度符号表示为HR15N、HR30N、HR45N；如果用淬火钢球压头，常测量低碳钢、铜合金、铝合金等薄板，硬度符号表示为HR15T、HR30T、HR45T。1.2.3维氏硬度图1-6 维氏硬度试验法原理为了在同一种硬度标尺上，测定从极软到极硬金属材料的硬度，特制定了维氏硬度试验法。维氏硬度试验法原理与布氏硬度基本相同，如图1-6中所示，用一个相对面夹角为136的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷的作用下压入被测金属的表面，保持一定时间后卸除载荷，用压痕单位面积上承受的载荷（F/S）来表示硬度值，维氏硬度的符号为HV。当载荷的单位是公斤力（kgf）时，当载荷的单位是牛顿（N）时，式中，F为试验所加载荷；S为压痕的面积；d为两对角线的平均长度。维氏硬度的面积S是通过测定压痕表面的对角线平均长度d来计算的。计算出的维氏硬度值有单位(kgf / mm2或者N / mm2)，但通常不标单位。实际测定时，测出压痕对角线长度，通过查表即可查出维氏硬度值。测出维氏硬度的表示方法为：硬度值硬度符号测试条件。例如，620HV30/20表示在30kgf (249.3N)载荷作用下，保持20秒测得的维氏硬度值为620，如果保荷时间1015秒可以不标注，如620HV30。维氏硬度常用的载荷包括49.1(5)、98.1(10)、196.2(20)、294.3(30)、490.5(50)、981(100) N (kgf)等。测量时，如果厚度允许的话，尽量用较大的载荷，以便获得较大的压痕，提高测量精度。维氏硬度的优点是：试验载荷小，压痕较浅，适合测定零件表面淬硬层及化学热处理的表面层等；可以测量极软到极硬的材料，由于维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小；由于测量载荷可任意选择，所以既可测尺寸厚大的材料，又能测很薄的材料。缺点是：试样表面要求高，硬度值的测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。维氏显微硬度试验用于定显微组织硬度。维氏显微硬度计施加的载荷为0.0981(0.01)、0.1961(0.02)、0,4903(0.05)、09807(0.1)、1.961(0.2)N(kgf)，测量压痕对角线长度用m做单位，