金属材料硬度检测.pptx

1、金属硬度检测方法,硬度：是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。 硬度的实质：是材料抵抗另一较硬材料压入的能力。 硬度检测：是评价金属力学性能最迅速、最经济、最简单的一种试验方法。 硬度检测的主要目的：就是测定材料的适用性，或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。,硬度检测方法：,对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。 由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。,金属硬度检测主要有两类

2、试验方法： 一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。 硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。 静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种试验方法是最常用的，它们是金属硬度检测的主要试验方法。而洛氏硬度试验又是应用最多的，它被广泛用于产品的检验。据统计，目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计。,另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的，不可移动工件的硬度检测。,各种金属硬度计就是根据上述试验方法设计的。 下面分别介绍基于各种试验方法的硬度计的

3、原理、特点与应用。,布氏硬度测定法 布氏硬度计原理：对直径为D的硬质合金压头施加规定的试验力P ，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验力除以压痕表面积的商来计算。,P/F即为布氏硬度，用符号HB表示。布氏硬度的测量原理如图所示。,布氏硬度计的特点：布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直径球压头，3000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响，因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。 它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏

4、，低于维氏。此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。,布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差。 因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。,布氏硬度计的应用： 布氏硬度计主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。 布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。 布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。,布氏

5、硬度试验条件：布氏硬度试验条件的选择如同洛氏硬度试验关于标尺的选择一样，布氏硬度试验也要遇到试验条件的选择问题，即试验力F和压头球直径D的选择。这种选择不是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配，应用起来比洛氏硬度试验略显复杂。 布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头，3000kg试验力。这一条件最能体现布氏硬度的特点。但是由于试样材质不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试验力，一种压头自然不能满足要求。在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循相应规则。,压头直径有2.5mm，5mm，10mm三种; 载荷有15.6kg、62.5kg、182.5

6、kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种; 材料的软硬不同要配合使用。为了在不同直径的压头和不同载荷下进行测试时，同一种材料的布氏硬度值相同。D与P之间要满足相似原理。,布氏硬度的实验规范,布氏硬度的表示方法： 用10mm钢球，在3000kg载荷下保持10s，测得的布氏硬度值表示为字母HB加上所测得的硬度值，例如HB400。 在其他试验条件下，在HB后面要注明钢球直径、载荷大小及保载时间。 例如：130HBW10/1000/30表示用10mm的硬质合金球在9.807kN载荷下保持30s测得的布氏硬度为130。 硬度值表示法中一般不写单位。,布氏硬度与抗拉强度的关系,测量注意

7、事项: 1、d的范围应为0.25Dd0.6D，否则测量结果无效； 2、由于压痕周围存在变形硬化现象约2-3倍的d，要求相邻两个点的距离4d，软材料6d；否则测得的值将高于实际值； 3、试件厚度不小于压痕深度的10倍； 4、压痕离试件边缘的距离应不小于压痕直径; 5、安全注意事项。,洛氏硬度测定法,洛氏硬度的测量原理： 用顶角为120的金刚石圆锥或为1.588mm的淬火钢球为压头,在规定载荷（初载荷及主载荷）的作用下压入材料表面,经规定保持时间后,卸除主试验力，根据压痕深度来确定硬度值。图1表示了洛氏硬度的测量原理。,图1.洛氏硬度试验原理示意图,数字表示含义： 0-0：未加载荷，压头未接触试件

8、时的位置。 1-1：压头在预载荷P0(98.1N)作用下压入试件深度为h0时的位置。 h0包括预载所引起的弹形变形和塑性变形。 2-2：加主载荷P1后，压头在总载荷P= P0+ P1 的作用下压入试件的位置。 3-3：去除主载荷P1后仍保留预载荷P0 时压头的位置，压入深度为h1。由于P1所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了h，主载荷引起的塑性变形深度为:h= h1- h0,h值越大，试件越软，h值越小，试件越硬。 为适应数值越大硬度越高的概念，用一常数K减去h表示硬度的高低。并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则：测量值直接在表盘上读出。 用金刚石圆锥压头时，常数

9、K为0.2mm，硬度值由黑色表盘表示 ; 用钢球(=1.588mm)压头时，常数K为0.26mm，硬度值由红色表盘表示。,为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压头和不同的总载荷配成不同标尺的洛氏硬度。 洛氏硬度共有15种标尺供选择，它们分别为：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV； 表面洛氏硬度标尺：HR45N、 HR30N、 HR15N和HR45T、 HR30T、 HR15T 。 其中常用的几种标尺见表1。,表1 各种洛氏硬度值的符号及应用,洛氏硬度测定的优缺点 优点: 操作简便、迅速，适宜大生产； 压痕小，

10、适宜测成品； 适用范围广，从极软到极硬、从极薄到极硬的材料都能测定。 缺点： 不同标尺硬度值之间不能相互比较； 对粗大组织的金属不适用。,金属洛氏试验执行的现行标准为： GB/T 230.12004 金属洛氏硬度试验,注意事项： 1、试样表面要平滑干净； 2、试样或试验层最小厚度不小于金刚石压头h的10倍或钢球压头h的5倍； 3、试验后试样背面不得有肉眼可见的变形痕迹。,维氏硬度测试法,维氏硬度的测量原理： 测量原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是用金刚石正四棱锥压头。正四棱锥两对面的夹角为136，底面为正方形，如图所示。 维氏硬度所用的载荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30k

11、g、50kg、100kg、120kg等，负载的选择主要取决于试件的厚度。,维氏金刚石棱锥压头,维氏硬度的测试原理,压痕是一个底面为正方形的正四棱锥。 用显微镜测定方坑对角线长度d，维氏硬度值HV等于所用载荷与压痕面积的比值。 压痕面积F为：F=d2/2sin68 硬度表示为： HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2 式中：P载荷； d对角线长度； F压痕面积。,当载荷P已知时，只要测得压痕对角线长度d，就可以求出维氏硬度值。 通常是在测量d值后从压印对角线与维氏硬度对照表中查出相应的硬度值。,压痕对角线的测量：,压痕对角线长度是用附在硬度计上的显微测微器测量的。 测量精度可达10-3m

12、m。应测出两条互相垂直的对角线的长度，取平均值。 规定两条压痕对角线之差与较短对角线之比不大于2%。若材料各个方向上的硬度不均匀而使比值2%者，需要在硬度值后面注明。,维氏硬度表示法： 640 HV 30表示用136金刚石压头在294.2N试验力作用下保持1015秒测得的维氏硬度值为640。 640 HV 30/20表示用136金刚石压头在294.2N试验力作用下保持20秒测得的维氏硬度值为640。,对试样的要求：,要求试样经过抛光，试样硬度至少是压痕深度的10倍或者不小于压痕对角线的1.5倍，在满足这个条件的情况下尽可能选用较大载荷，可减少测量误差。,优缺点及注意事项 优点： 可测定从极软到

13、极硬各种金属材料的硬度,且不同载荷下的维氏硬度值可以进行比较。 维氏硬度值测量精确可靠，在材料科学研究中被广泛应用。 缺点： 维氏硬度需测量对角线的长度，然后通过计算或查表才能得到硬度值。测量过程繁琐，工作效率低。在测量过程中，采用计算机控制测量过程，采集和处理数据，可能克服上述缺点并大大提高工作效率。,注意： 维氏硬度两相邻压痕中心之间的距离，对于钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长度的3倍； 对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕对角线长度的6倍。 如果相邻两压痕大小不同，应以较大压痕确定压痕间距。 金属维氏硬度试验执行的现行标准为： GB/T 4340.11999 金属维氏硬度试验 第1部分

14、：试验方法。,显微硬度测试法,显微硬度的测量原理：,显微硬度的测量原理与维氏硬度一样，也是用压痕单位面积上所承受的载荷来表示的。 只是试样需要抛光腐蚀制成金相显微试样，以便测量显微组织中各相的硬度。 显微硬度一般用HM表示。,显微硬度测试用的压头有两种：,一种是和维氏硬度压头一样的两面之间的夹角为136的金刚石正四棱锥压头; 另一种显微硬度压头。这种压头叫克努普(Knoop)金刚石压头。它的压痕长对角线与短对角线的长度之比为7.11。 如图所示:,维氏金刚石棱锥压头,努氏金刚石棱锥压头,维氏硬度压头,硬度计算公式,两面之间的夹角为136的金刚石正四棱锥压头时,显微硬度的计算公式为： HV=P/

15、F=1.8544P/d2kg/mm2 式中：P载荷(g)； d压痕对角线长度(m)。 显微硬度值与维氏硬度完全一致，计算公式差别只是测量时用的载荷和压痕对角线的单位不同造成的。,压头用克努普(Knoop)金刚石压头时, 显微硬度值为： HK=P/A=14229P/L2kg/mm2 式中：P载荷(g)； L压痕对角线长度(m)。,显微硬度如用kg/mm2为单位时，可以将单位省去，例如HM300，表示其显微硬度为300kg/mm2 。,显微硬度的测试方法,试验前的准备工作： 1、接通电源，试样压平后固定在载物台上； 2、将物镜转如光路并固定； 3、旋转目镜使计测线边缘聚焦； 4、调好后复零：D1显

16、示“0.0”。,硬度测试： 1、安装物镜； 2、试样聚焦（聚焦前试样表面与镜头距离不少于0.4mm）测试位置置于中心； 3、压头置于光路； 4、设置测试载荷（H、L两档）； 5、加载（确认物镜不在光路中）； 6、物镜转入光路； 7、调目镜测对角线长度； 8、硬度显示。,压痕对角线长度的测定： 旋转目镜左右旋钮，使左计测线内侧边缘与压痕左侧尖端相切，右计测线内侧边缘与压痕右侧尖端相切，按“数值输入”键，压痕对角线长度在D1位置显示； 将测微目镜逆时针旋转90度后重复上述操作，测量压痕竖直方向对角线长度，按“数值输入”键，压痕对角线长度在D2位置显示。,影响显微硬度值的因素： 1)试样制备 制备试

17、样时，因磨削使表面塑性变形引起加工硬化，这会对显微硬度值有很大的影响(有时误差可达50%)，低载荷下更为明显。 因此要尽量减少表面变形层，特别对软材料，最好采用电解抛光。,2) 载荷 根据试样的实际情况，选择适当的荷载，允许时尽量选择较大的载荷，以得到尽可能大的压痕。 任意大小的压痕其弹性回复量几乎一样，压痕越小弹性回复量占的比例就越大，显微硬度值也就越高。 在同一试样中，选用不同的载荷测试得出的结果不完全相同，一般载荷越小，硬度值波动越大。 对于同一试验最好始终选相同的载荷，以减少载荷变化对硬度值的影响。,布科提出了下列四类加载范围，可供参考： 铝合金: 1-5g; 软铁镍: 5-15g;

18、硬 钢:15-30g 碳化物:30-120g 3)加载速度和保载时间 加载速度过快，会使压痕加大，显微硬度值降低。一般载荷越小，加载速度的影响就越大。加载后保持载荷3-5s即可卸载进行测量。,使用硬度计应注意的事项,除了各种硬度计使用时特殊注意事项外，还有一些共同的应注意的问题，现列举如下：,1)硬度计本身会产生两种误差： 一是其零件的变形、移动造成的误差； 二是硬度参数超出规定标准所造成的误差。对第二种误差，在测量前需用标准块对硬度计进行校准。,洛氏硬度各标度有一事实上的适用范围，要根据规定正确选用。 例如，硬度高于HRB100时，应采用HRC标度进行测试； 硬度低于HRC20时应用HRB标度进行测试。 因为超出其规定的测试范围时，硬度计的精确度及灵敏度较差，硬度值不准确，不宜使用。 其他硬度测试法也都规定有相应的校正标准。 校准硬度计用的标准块不能两面使用，因标准