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金属材料硬度计试验原理

2009-06-10

金属材料的硬度

 

  硬度是评定金属材料力学性能zui常用的指标之一。对于金属材料的硬度,至今在国内外还没有一个包括所有试验方法的统一而明确的定义。就已经标准化的、被国内外普通采用的金属硬度试验方法而言,金属材料硬度的定义是: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zui迅速、zui经济、zui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。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zui长用的,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zui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。

1.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,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。
  1布氏硬度试验原理
  HB =F / S ……………… (1-1)
  
=F / πDh ……………… (1-2)
  
= ……………… 1-3
  式中:F —— 试验力,N
  S —— 压痕表面积,mm
  D —— 球压头直径,mm
  h —— 压痕深度, mm
  d —— 压痕直径,mm

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,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。

布氏硬度与抗拉强度的关系
  由于布氏硬度试验能够反映出试样较大范围内的综合性能,因此布氏硬度与材料的其他机械性能关系密切,尤其是与抗拉强度存在近似的换算关系:
  σb=K·HB ……………… (1-6)
  式中:σb抗拉强度值,MN/m2

  K—常数,不同材料有不同的数值。
  通过测试布氏硬度可以间接得到材料的抗拉强度。这一点在生产实际中具有重大意义。可以通过测量硬度的方法得到近似的强度值,这样既可以提高工作效率,又可以节省材料。
  部分金属材料的换算关系如1-3表所示。

材料

布氏硬度值

近似换算关系

125175
175

σb≈0.343HB×10MN/m2
σb≈0.363HB×10MN/m2

铸铝合金

 

σb≈0.26HB×10MN/m2

退火黄铜、青铜

 

σb≈0.55HB×10MN/m2

冷加工后的黄铜、青铜

 

σb≈0.40HB×10MN/m2

 

2.洛氏硬度计原理

在规定条件下,将压头(金刚石圆锥、钢球或硬质合金球)分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后,在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度h代表硬度的高低。洛氏硬度试验原理如图2-1所示。

1—在初始试验力F0下的压入深度;2—在总试验力F0+F1下的压入深度;3—去除主试验力F1后的弹性回复深度;4—残余压入深度h5—试样表面;6—测量基准面;7—压头位置

 洛氏硬度试验分为2种,一种是普通洛氏硬度试验,一种是表面洛氏硬度试验。洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和 1.588mm 3.175mm钢球三种压头,采用60kg100kg150kg三种试验力,它们共有九种组合,对应于洛氏硬度的九个标尺,即HRAHRBHRCHRDHREHRFHRGHRHHRK。表面洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和 1.588mm钢球2种压头,采用15kg30kg45kg三种试验力,它们共有六种组合,对应于表面洛氏的六个标尺,即HR15NHR30NHR45NHR15THR30THR45T

洛氏硬度标尺技术条件

洛氏硬度标尺

硬度符号

压头类型

初试验力F0N

主试验力F1N

总试验力F0+ F1N

适用范围

A

HRA

120°金刚石圆锥

98.07

490.3

588.4

2088HRA

B

HRB

1.5875mm钢球

98.07

882.6

980.7

20100HRB

C

HRC

120°金刚石圆锥

98.07

1373

1471

2070HRC

D

HRD

120°金刚石圆锥

98.07

882.6

980.7

4077HRD

E

HRE

3.175mm钢球

98.07

882.6

980.7

70100HRE

F

HRF

1.5875mm钢球

98.07

490.3

588.4

60100HRF

G

HRG

1.5875mm钢球

98.07

1373

1471

3094HRG

H

HRH

3.175mm钢球

98.07

490.3

588.4

80100HRH

K

HRK

3.175mm钢球

98.07

1373

1471

40100HRK

表面洛氏硬度标尺技术条件

表面洛氏硬度标尺

硬度符号

压头类型

初试验力F0N

主试验力F1N

总试验力F0+ F1N

适用范围

15N

HR15N

120°
金刚石圆锥

29.42

117.7

147.1

7094HR15N

30N

HR30N

264.8

294.2

4286HR30N

45N

HR45N

411.9

441.3

2077HR45N

15T

HR15T

1.5875mm
钢球

29.42

117.7

147.1

6793HR15T

30T

HR30T

264.8

294.2

2982HR30T

45T

HR45T

411.9

441.3

1072HR45T

(取自国家标准GB/T230.1-2004          注:力值单位9.8N=1kg

洛氏硬度计特点

   洛氏硬度试验操作简单,测量迅速,可在指示表上直接读取硬度值,工作效率高,成为zui常用的硬度试验方法之一。由于试验力较小,压痕也小,特别是表面洛氏硬度试验的压痕更小,对大多数工件的使用无影响,可直接测试成品工件,初试验力的采用,使得试样表面轻微的不平度对硬度值的影响较小,因此,此仪器非常适于在工厂使用,适于对成批加工的成品或半成品工件进行逐件检测,

该试验方法测量操作的要求不高,非专业人员容易掌握。

3.维氏硬度计原理

3.1 维氏硬度计原理
  采用正四棱锥体金刚石压头,在试验力作用下压入试样表面,保持规定时间后,卸除试验力,测量试样表面压痕对角线长度,见图3-1
  
  图3-1维氏硬度试验原理图
  试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。维氏硬度值按式(3-1)计算:
  HV = 常数×试验力/压痕表面积0.1891 Fd2 …………31
  式中:HV  ————  维氏硬度符号;
        F  ――――  试验力,N
        d  ————  压痕两对角线d1d2的算术平均值,mm
  实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。

  国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.0201.400mm
  3.2 维氏硬度的表示方法

  维氏硬度表示为HV,维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值,后面为试验力值。标准的试验保持时间为1015S。如果选用的时间超出这一范围,在力值后面还要注上保持时间。例如:
  600HV30—表示采用294.2N30kg)的试验力,保持时间1015S时得到的硬度值为600
  600HV30/20—表示采用294.2N30kg)的试验力,保持时间20S时得到的硬度值为600
  3.3 维氏硬度试验的分类和试验力选择
  维氏硬度试验按试验力大小的不同,细分为三种试验,即:维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验。见表3-1
 表3-1维氏硬度试验的三种方法

试验力范围/N

硬度符号

试验名称

F≥49.03

≥HV5

维氏硬度试验

1.961≤F<49.03

HV0.2<HV5

小负荷维氏硬度试验

0.09807≤F<1.961

HV0.01<HV0.2

显微维氏硬度试验

  维氏硬度试验可选用的试验力值很多,见表3-2
  表3-2推荐的维氏硬度试验力

维氏硬度试验

小负荷维氏试验试验

显微维氏硬度试验

硬度符号

试验力/N

硬度符号

试验力/N

硬度符号

试验力/N

HV5

49.03

HV0.2

1.961

HV0.01

0.09807

HV10

98.07

HV0.3

2.942

HV0.015

0.1471

HV20

196.1

HV0.5

4.903

HV0.02

0.1961

HV30

294.2

HV1

9.807

HV0.025

0.2452

HV50

490.3

HV2

19.61

HV0.05

0.4903

HV100

980.7

HV3

29.42

HV0.1

0.9807

注:1.维氏硬度试验可使用大于980.7N的试验力;
2.
显微维氏试验力为推荐值。

  试验力的选择要根据试样种类、试样厚度和预期的硬度范围而定。标准规定,试样或试验层的厚度至少为压痕对角线长度的1.5倍。试验后试样背面不应出现可见的变形痕迹。

3.4 维氏硬度试验的优点

  维氏硬度试验的压痕是正方形,轻廓清晰,对角线测量准确,因此,维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度zui高的,同时它的重复性也很好,这一点比布氏硬度计优越。

  维氏硬度试验测量范围宽广,可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料,从很软的材料(几个维氏硬度单位)到很硬的材料(3000个维氏硬度单位)都可测量。

  维氏硬度试验zui大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关,只要是硬度均匀的材料,可以任意选择试验力,其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。这一点又比洛氏硬度试验来得优越。

  3.5 维氏硬度试验的缺点

维氏硬度试验效率低,要求较高的试验技术,对于试样表面的光洁度要求较高,通常需要制作专门的试样,操作麻烦费时,通常只在实验室中使用。

3.6 维氏硬度计的应用

维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面小负荷维氏硬度试验主要用于测试小型精密零件的硬度,表面硬化层硬度和有效硬化层深度,镀层的表面硬度,薄片材料和细线材的硬度,刀刃附近的硬度,牙科材料的硬度等,由于试验力很小,压痕也很小,试样外观和使用性能都可以不受影响。显微维氏硬氏试验主要用于金属学和金相学研究。用于测定金属组织中各组成相的硬度,用于研究难熔化合物脆性等。显微维氏硬度试验还用于极小或极薄零件的测试,零件厚度可薄至3μm

里氏硬度计原理

用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面,用冲头在距离试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度之比计算出的数值就是里氏硬度。里氏硬度计实际上是肖氏硬度计的改进型,它们测定的都是冲击体在试样表面经试样塑性变形消耗能量后的剩余能量。

里氏硬度的计算公式如下:

HL=1000×UR/UA

式中:HL ————里氏硬度符号

UA ————球头的冲击速度,m/s

UR ————球头的反弹速度,m/s

4.里氏硬度计特点

里氏硬度计仪器轻巧,测试简便,快速,读数方便,适于检测硬度范围很宽的金属材料,并且可以从不同方向进行测试,非常适于在现场对大型工件、组装件进行硬度测试,里氏硬度计比肖氏硬度计有了很大的技术进步。

里氏硬度计的缺点是这种试验方法在国际上还没有被普遍接受,迄今还没有被国际标准化组织(ISO)采纳,试验数据在国际上还缺乏来自独立的第三方或国际组织方面的监督与复核。

里氏硬度试验要求试样有一定的质量和厚度,不适于测试小工件。

里氏硬度计主要用于在现场快速测试大型的、组装的、不便移动的、不允许切割试样的工件,用于测试大型模具、大型锻造件、铸造件,可以灵活地测试大型工件不同部位的硬度,里氏硬度计是大型工件硬度测试上非常有效实用的检测手段,在国内里氏硬度计有取代肖氏硬度计的趋势。

里氏硬度计不能测试表面硬化工件,通过耦合的办法测试小零件往往是不可靠的,目前有被误导测试小零件的倾向。对于中、小零件应尽量采用国际上通用的静态硬度测试方法。里氏硬度计试验与肖氏硬度试验相同,里氏硬度试验结果的比较也是于弹性模量相同或相近的材料。

5.韦氏硬度计

韦氏硬度计原理

一定形状的硬钢压针,在标准弹簧试验力作用下压入试样表面,用压针的压入深度确定材料硬度,定义0.01mm的压入深度为一个韦氏硬度单位。韦氏硬度单位表示为HW

韦氏硬度计的特点

韦氏硬度计是小型便携式仪器,它体积小、重量轻、可单手操作,可快速、方便、无损地测试材料硬度,它不必取样,对操作技能要求不高,非常适于在生产现场对材料进行快速硬度检测。

韦氏硬度计的缺点是灵敏度较差,量程较窄,全量程只有20个刻度,因此通常一台仪器只能测试1~2种金属材料。

韦氏硬度计的应用

韦氏硬度计采用两种不同形状的压针,两种不同的试验力,它们的组合构成三种不同型号的仪器,分别用于测试铝合金、软铜、硬铜、超硬铝合金和软钢。韦氏硬度计适于测试具有两个平行面的材料,例如管材、板材和型材,材料厚度zui大可达到13mm

韦氏硬度计非常适于在生产现场对成批产品进行逐件检测,尽管它的灵敏度不高,但是作为生产控制与合格判定仪器已经能够满足要求,正是由于这个原因,韦氏硬度计在铝加工行业得到了相当广泛的应用。

6.巴氏硬度计
  巴氏硬度计的原理
  一定形状的硬钢压针,在标准弹簧试验力作用下,压入试样表面,用压针的压入深度确定材料硬度,定义每压入0.0076mm为一个巴氏硬度单位。巴氏硬度单位表示为HBa

巴氏硬度计的特点
  巴氏硬度计是一种可单手操作的便携式仪器,它体积小,重量轻,可快速、方便、无损地测试材料硬度,它不必取样,对操作技能要求不高,非常适于在生产现场和仓库对材料进行快速检验。
  巴氏硬度计有100个刻度,精度比韦氏硬度计高,它的使用不受材料厚度的限制,可以测试更厚的材料,巴氏硬度计有一个支脚,测量时要使之与压针处于同一水平面内,以保证压针垂直压下,为了垫平这个支脚,在测试小尺寸工件时会有些不便。
 巴氏硬度计的应用
  巴氏硬度计是韦氏硬度计的良好补充,它主要用于测试铝及铝合金,也可以测试其他软金属及玻璃钢。它可测试韦氏硬度计无法测试的超大材料、超厚材料、棒材、大型锻件、铸件、组装件、纯铝及低硬度铝合金。

 

 

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