材料的硬度课件

材料的硬度4.1前言古時，利用固體互相刻劃來區分材料的軟硬硬度仍用來表示材料的軟硬程度。硬度值大小取決於材料的性質、成分和顯微組織，測量方法和條件不符合統一標準就不能反映真實硬度。目前還沒有統一而確切的關於硬度的物理定義。硬度測定簡便，造成的表面損傷小，基本上屬於“無損”檢測的範疇。測定硬度的方法很多，主要有壓入法，回跳法和刻劃法三大類。。4.2布氏硬度

壓入法硬度:氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度,表徵材料表面抵抗外物壓人時引起塑性變形的能力。

4.2.1布氏硬度測定的原理和方法

壓力將淬火鋼球或硬質合金球壓頭壓入試樣表面，保持規定的時間後卸除壓力，試件表面留下壓痕，單位壓痕表面積上所承受的平均壓力即定義為布氏硬度值。施加壓力P,壓頭直徑D,壓痕深度h或直徑d,計算出布氏硬度值，單位為kgf/mm2（一般不標注）。

（4-1）公式表明，當壓力和壓頭直徑一定時，壓痕直徑越大，布氏硬度值越低，即變形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。

由於不同材料的硬度不同，試件的厚度不同，測定布氏硬度時需選用不同直徑的壓頭和壓力。要在同一材料上測得相同的布氏硬度，或在不同的材料上測得的硬度可以相互比較，壓痕的形狀必須幾何相似，壓入角應相等。布氏硬度相同時，要保證壓入角相等，則P/D2應為常數。國標GB231-84根據材料的種類及布氏硬度範圍，規定了7種P/D2之值，見表4-1。壓頭直徑選定:試件的厚度應大於壓痕深度的10倍。盡可能選用大直徑的壓頭。根據材料及其硬度範圍，參照表4-1選擇P/D2。測試加載壓力與試件表面垂直，均勻平穩，無衝擊。壓力作用下的保持時間有規定，對黑色金屬應為10秒，有色金屬為30秒，對HB＜35的材料為60秒。壓痕直徑d不在0.25–0.6D範圍無效。符號表示：壓頭為淬火鋼球，HBS；壓頭為硬質合金球，HBWHBS或HBW之前的數字表示硬度值，其後的數字依次為壓頭直徑、壓力和保持時間。例：150HBSl0／3000／30表示用10mm直徑淬火鋼球，加壓3000kgf，保持30s，測得的布氏硬度值為150；500HBW5／750，表示用硬質合金球，壓頭直輕5mm，加壓750kgf，保持10-15秒(保持時間為10-15，不加標注)，測得布氏硬度值為500。4.2.2布氏硬度的特點和適用範圍壓痕面積大，能反映出較大範圍內材料各組成相的綜合平均性能，不受個別相和微區不均勻性的影響。布氏硬度分散性小，重複性好適合於測定粗大晶粒或粗大組成相的材料的硬度，象灰鑄鐵和軸承合金等。試驗證明，在一定的條件下，布氏硬度與抗拉強度存在如下的經驗關係

σb=kHB(4-3)式中k為經驗常數，隨材料不同而異。表4-2列出了常見金屬材料的抗拉強度與HB的比例常數。壓痕較大，不宜在實際零件表面、薄壁件、表面硬化層上測定布氏硬度。淬火鋼球作壓頭，測定HB＜450的材料的硬度；硬質合金球作壓頭，測定的硬度可達650HB．4.3洛氏硬度4.3.1洛氏硬度測定的原理和方法洛氏硬度是直接測量壓痕深度，壓痕愈淺表示材料愈硬常用的壓頭：頂角為1200的金剛石圓錐體直徑為Φ1.588mm(1／16英寸)的鋼球壓頭試驗程式：先加10kg預壓力，再加主壓力。預壓力+主壓力=總壓力，總壓力視材料的軟硬而定；不同壓頭和施加不同的總壓力，組成不同的洛氏硬度尺規。常用A、B和C三種尺規，C尺規最普遍。用這三種尺規的硬度記為HRA、HRB和HRC。測定HRC採用金剛石壓頭，最好用圖示先加10kgf預載，壓入材料表面的深度為t0，此時錶盤上的指針指向零點(見圖4-3(a))。然後再加上140kgf主載荷，壓頭壓入表面的深度為t1，錶盤上的指針逆時針方向轉到相應的刻度(見圖4-3(b))。卸除主載荷以後，表面變形中的彈性部分將回復，壓頭將回升一段距離，即(t1-t)，錶盤上的指針將相應地回轉(見圖4-3(c))。最後，在試件表面留下的殘餘壓痕深度為t。為符合人的思維，即數值越大越硬，規定：t＝0.2mm時,HRC＝0；t＝0,HRC＝100，壓痕深度每增0.002mm,HRC降低1個單位。於是有

HRC＝(0.2-t)／0.002＝（100-t）／0.002(4-4)圖4-3洛氏硬度試驗過程的示意圖4.3.2洛氏硬度的優缺點及其應用優點：①因為硬度值可從硬度機的錶盤上直接讀出，故測定洛氏硬度更為簡便迅速,工效高；②對試件表面造成的損傷較小，可用於成品零件的品質檢驗；⑧因加有預載荷，可以消除表面輕微的不平度對試驗結果的影響。缺點:不同尺規的洛氏硬度值無法相互比較。由於壓痕小，所以洛氏硬度對材料組織不均勻性很敏感，測試結果比較分散，重複性差.4.3.3表面洛氏硬度洛氏硬度施加的壓力大，不宜用於測定極薄的工件和表面硬化層.發展了表面洛氏硬度試驗。與普通洛氏硬度主要不同點：1）預載荷為3kgf(29.42N)，總載荷比較小,分別為15kgf,30kgf和45kgf(441.3N)2）取t＝0.1mm時的洛氏硬度為零，深度每增大0.001mm,表面洛氏硬度降低一個單位。4.4維氏硬度4.4.1維氏硬度測定的原理和方法維氏硬度測定的原理與方法基本上與布氏硬度的相同，根據單位壓痕表面積上所承受的壓力來定義硬度值。測定維氏硬度所用的壓頭為金剛石製成的四方角錐體，兩相對面間的夾角為1360，所加的載荷較小。已知載荷P，測得壓痕兩對角線長度後取平均值d，計算維氏硬度值，單位為kgf/mm2（一般不標注）

HV=1.8544P/d2

載荷為5kgf,10kgf，20kgf，30kgf，50kgf和100kgf等6種壓頭壓入試件表面，保持一定的時間後卸除壓力，試件表面上留下壓痕，如圖4-4所示。維氏硬度的表示方法與布氏硬度的相同，例：640HV30／20，最前數字為硬度值，後面數字依次為載荷/保持時間。4.4.2維氏硬度的特點和應用維氏硬度測試採用了四方角錐體壓頭，各種載荷作用下所得的壓痕幾何相似，載荷大小任意選擇，所得硬度值均相同，不受布氏法那種載荷P和壓頭D的規定條件的約束。測量範圍較寬，軟硬材料都可測。壓痕為一輪廓清晰的正方形，對角線長度易於精確測量，故精度較布氏法的高。材料的硬度小於450HV時，維氏硬度值與布氏硬度值大致相同。4.5顯微硬度布、洛及維氏三種硬度試驗只能測得組織的平均硬度值．測定極小範圍內的硬度，需用顯微硬度試驗，例如某個晶粒，某個組成相或夾雜物的硬度顯微硬度試驗一般是指測試載荷小於200g力的硬度試驗，常用的有顯微維氏硬度和努氏硬度。4.5.1顯微維氏硬度顯微維氏硬度試驗實質上就是小載荷的維氏硬度試驗，其測試原理和維氏硬度試驗相同，仍用HV表示。測試載荷小，載荷與壓痕之間的關係不一定像維氏硬度試驗符合幾何相似原理，必須注明載荷大小，以便比較如340HV0.1表示用0.1kgf的載荷測得的維氏顯微硬度為340，340HV0.05則是表示用0.05kgf的載荷測得的硬度為340.4.5.2努氏硬度 努氏硬度是維氏硬度的發展。長棱形金剛石壓頭，兩長棱夾角為172.50，兩短棱夾角為1300(見圖4-6)。壓痕是長對角線比短對角線長度大7倍努氏硬度值與維氏硬度的不同，定義單位壓痕投影面積上所承受的力。已知載荷P、壓痕長對角線長度L，計算努氏硬度值(HK)HK＝14.22P/L2(4-9)努氏硬度試驗法無國家標準，測試載荷通常為1-50N。按金相試樣的要求製備試件。壓痕淺而細長，較維氏法優越。適於測定極薄層或極薄零件，絲、帶等細長件以及硬而脆的材料(如玻璃、瑪瑙、陶瓷等)的硬度。測量精度和對表面狀況的敏感度也更高。4.5.3顯微硬度試驗特點及應用特點：

1）載荷小，壓痕極小，幾乎不損壞試件，便於測定微小區域內的硬度值。

2）靈敏度高。4.6肖氏硬度（回跳硬度）原理：金剛石圓頭或鋼錠球的標準沖頭從一定高度h0自由下落到試件表面，因試件的彈性變形使其回跳到某高度h，用兩個高度的比值計算肖氏硬度值

HS=K