显微硬度讲解

1、硬硬 度度 的的 测测 定定硬度：硬度： 金属材料抵抗局部变形金属材料抵抗局部变形, ,特别是抵抗塑特别是抵抗塑性变形、压痕或划痕的能力。也是衡量性变形、压痕或划痕的能力。也是衡量金属软硬程度的判据。金属软硬程度的判据。 主主 要要 内内 容容1 1、硬度的特点及应用、硬度的特点及应用2 2、布氏硬度测试、布氏硬度测试3 3、洛氏硬度测试法、洛氏硬度测试法4 4、维氏硬度测试法、维氏硬度测试法5 5、显微硬度测试法、显微硬度测试法1.1.硬度试验的特点及应用硬度试验的特点及应用l 试样制备简单，可在各种不同尺寸的试样试样制备简单，可在各种不同尺寸的试样上进行试验，试验后试样基本不受破坏；上进行

2、试验，试验后试样基本不受破坏；l 设备简便，操作方便，测量速度快；设备简便，操作方便，测量速度快；l 测量范围大测量范围大: :可大可大( (多晶体多晶体) )可小可小( (单个晶粒、单个晶粒、表面渡层、手表内部小零件等表面渡层、手表内部小零件等) )、可软可硬、可软可硬各种金属件都可做硬度试验；各种金属件都可做硬度试验；l硬度与强度之间有近似的换算关系，根据测硬度与强度之间有近似的换算关系，根据测出的硬度值就可以粗略地估算强度极限值出的硬度值就可以粗略地估算强度极限值( (如如碳钢碳钢b0.36HB)b0.36HB)。l测定材料的硬度测定材料的硬度, ,定性分析材料的组织、性能定性分析材料的

3、组织、性能; ;l测定脱碳层深度测定脱碳层深度; ;l定性分析夹杂物性质定性分析夹杂物性质, , 组成相的性质等。组成相的性质等。2.2.洛氏硬度测定法洛氏硬度测定法2.1 2.1 洛氏硬度的测量原理洛氏硬度的测量原理 用顶角为用顶角为120120的金刚石圆锥或的金刚石圆锥或为为1.588mm1.588mm的淬火钢球为压头的淬火钢球为压头, ,在规定载荷在规定载荷（初载荷及主载荷）的作用下压入材料（初载荷及主载荷）的作用下压入材料表面表面, ,经规定保持时间后经规定保持时间后, ,卸除主试验力，卸除主试验力，根据压痕深度来确定硬度值。图根据压痕深度来确定硬度值。图1 1表示了表示了洛氏硬度的测

4、量原理。洛氏硬度的测量原理。图图1.洛氏硬度试验原理示意图洛氏硬度试验原理示意图0-00-0：未加载荷，压头未接触试件时的位置。：未加载荷，压头未接触试件时的位置。1-11-1：压头在预载荷：压头在预载荷P P0 0(98.1N)(98.1N)作用下压入试件深作用下压入试件深度为度为h h0 0时的位置。时的位置。 h h0 0包括预载所引起的弹形变包括预载所引起的弹形变形和塑性变形。形和塑性变形。2-22-2：加主载荷：加主载荷P P1 1后，压头在总载荷后，压头在总载荷P= PP= P0 0+ P+ P1 1 的的作用下压入试件的位置。作用下压入试件的位置。3-33-3：去除主载荷：去除主

5、载荷P P1 1后仍保留预载荷后仍保留预载荷P P0 0 时压头的时压头的位置，压入深度为位置，压入深度为h h1 1。由于。由于P P1 1所产生的弹性变所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了形被消除，所以压头位置提高了h h，主载荷引，主载荷引起的塑性变形深度为起的塑性变形深度为:h= h:h= h1 1- h- h0 0 h h值越大，试件越软，值越大，试件越软，h h值越小，试件越硬。值越小，试件越硬。 为适应数值越大硬度越高的概念，用一常数为适应数值越大硬度越高的概念，用一常数K K减去减去h h表示硬度的高低。并规定每表示硬度的高低。并规定每0.002mm0.002mm为一个洛

6、氏硬为一个洛氏硬度单位，用符号度单位，用符号HRHR表示，则：表示，则： 测量值直接在表盘上读出。测量值直接在表盘上读出。 用金刚石圆锥压头时，常数用金刚石圆锥压头时，常数K K为为0.2mm0.2mm，硬度值由黑，硬度值由黑色表盘表示色表盘表示 ; ; 用钢球用钢球(=1.588mm)(=1.588mm)压头时，常数压头时，常数K K为为0.26mm0.26mm，硬度值由红色表盘表示，硬度值由红色表盘表示. . 0.002K hHR 为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压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。头和不同的总载荷配成不同标尺的洛氏硬度。

7、洛氏硬度共有洛氏硬度共有1515种标尺供选择，它们分别为：种标尺供选择，它们分别为：HRAHRA，HRBHRB，HRCHRC，HRDHRD，HREHRE，HRFHRF，HRGHRG，HRHHRH，HRKHRK，HRLHRL，HRMHRM，HRPHRP，HRRHRR，HRSHRS，HRVHRV；表面；表面洛氏硬度标尺：洛氏硬度标尺：HR45NHR45N、 HR30NHR30N、 HR15NHR15N和和HR45THR45T、 HR30THR30T、 HR15T HR15T 。其中常用的几种标。其中常用的几种标尺尺见表见表1 1。 标度符号压头总载荷N(kg)表盘上刻度颜色常用硬度值范围应用举例H

8、RA金刚石圆锥588.6(60)黑色7085碳化物、硬质合金、表面淬火钢等HRB1.588mm钢球981(100)红色25100软钢、退火钢、铜合金HRC金刚石圆锥1471.5(150)黑色2067淬火钢、调质钢等HRD金刚石圆锥981(100)黑色4077薄钢板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm钢球981(100)红色70100铸铁、铝、镁合金、轴承合金HRF1.588mm钢球588.6(60)红色40100薄板软钢、退火铜合金HRG1.588mm钢球1471.5(150)红色3194磷青铜、铍青铜HRH3.175mm钢球588.6(60)红色铝、锌、铅表表1.各种洛氏硬度值的符号

9、及应用各种洛氏硬度值的符号及应用 2.2 2.2 洛氏硬度测定的优缺点洛氏硬度测定的优缺点优点优点: : 操作简便、迅速，适宜大生产；操作简便、迅速，适宜大生产； 压痕小，适宜测成品；压痕小，适宜测成品； 适用范围广，从极软到极硬、从极薄到极硬的适用范围广，从极软到极硬、从极薄到极硬的材料都能测定。材料都能测定。缺点：缺点： 不同标尺硬度值之间不能相互比较；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对粗大组织的金属不适用。 硬度表示法如：硬度表示法如：38HRC38HRC、48HR30N48HR30N、68HR30T68HR30T等。等。 金属洛氏试验执行的现行标准为：金属洛氏试

10、验执行的现行标准为： GB/T 230.1GB/T 230.120042004 金属洛氏硬度试验金属洛氏硬度试验 第第1 1部分：试验方法部分：试验方法 洛氏硬度实验过程洛氏硬度实验过程1 1、试验前的准备（参数设定）、试验前的准备（参数设定） 按按RESETRESET键清零；键清零； 将选好的压头安装好；将选好的压头安装好； 设预载力；设预载力； 设总载荷；设总载荷； 设定标尺：按设定标尺：按D/BD/B键，使力、压头、标尺一致；键，使力、压头、标尺一致； 设定保荷时间：键设定保荷时间：键DW TIMEDW TIME与与DECDEC或或INCINC键配合，按键配合，按SETSET键输入；此时

11、显示标尺与键输入；此时显示标尺与0.0;0.0; 用标准块校验，示值误差应符合标准。用标准块校验，示值误差应符合标准。2 2、试验过程、试验过程 放好试样，实验点对准压头；放好试样，实验点对准压头； 顺时转动转盘使试样紧密接触压头，使预载力顺时转动转盘使试样紧密接触压头，使预载力指示灯依次点亮，直至指示灯依次点亮，直至“SET”SET”灯亮，灯亮， 约约1s1s后自动进行后续过程；后自动进行后续过程； 显示标尺与硬度值供记录；显示标尺与硬度值供记录； 设备复原位。设备复原位。注意事项注意事项 试样表面要平滑干净；试样表面要平滑干净； 试样或试验层最小厚度不小于金刚石压试样或试验层最小厚度不小于

12、金刚石压头头h h的的1010倍或钢球压头倍或钢球压头h h的的5 5倍；倍； 试验后试样背面不得有肉眼可见的变形试验后试样背面不得有肉眼可见的变形痕迹；痕迹；3.3.布布 氏氏 硬硬 度度 测测 试试 法法3.1 3.1 布氏硬度的测量原理布氏硬度的测量原理 加载荷加载荷P,P,使直径为使直径为D D的淬火钢球压头的淬火钢球压头压入试件表面并保持一定时间，去载后，压入试件表面并保持一定时间，去载后，测量压痕直径测量压痕直径d d，算出压痕面积，算出压痕面积F F， P/FP/F即为布氏硬度，用符号即为布氏硬度，用符号HBHB表示。布氏表示。布氏硬度的测量原理如图硬度的测量原理如图2 2所示。

13、所示。图图2.布氏硬度试验原理示意图布氏硬度试验原理示意图 式中：式中：P P测试用的载荷测试用的载荷(kg)(kg)； D D压头钢球的直径压头钢球的直径(mm)(mm)； d d压痕直径压痕直径(mm)(mm)； F F压痕面积压痕面积(mm(mm2 2).). 测出测出d,d,查表即可得查表即可得HBHB值值 公式公式 压头直径有压头直径有2.5mm2.5mm，5mm5mm，10mm10mm三种三种; ; 载荷有载荷有15.6kg15.6kg、62.5kg62.5kg、182.5kg182.5kg、250kg250kg、750kg750kg、1000kg1000kg、3000kg3000

14、kg七种七种; ; 材料的软硬不同要配合使用。为了在不同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。一种材料的布氏硬度值相同。D D与与P P之间要之间要满足相似原理。满足相似原理。 如图如图3 3所示。所示。图图3. 3. 不同直经的钢球压头不同直经的钢球压头产生在几何上相似的压头产生在几何上相似的压头 2/sin2nndP DAAD推倒得出推倒得出: 只要使只要使P/DP/D2 2为一常数，就可使保持不变，从而保为一常数，就可使保持不变，从而保持了几何形状相似的压痕。持了几何形状相似的压痕。 只要满足

15、只要满足P/DP/D2 2为常数，则同一材料测得的为常数，则同一材料测得的HBHB值是值是相同的。且不同材料测得的相同的。且不同材料测得的HBHB值也可进行比较。值也可进行比较。 国家标准规定国家标准规定P/DP/D2 2的比值为的比值为3030、1010、5 5三种。三种。 实验规范见表实验规范见表2 2式中:A为常数表表2 2 布氏硬度的实验规范布氏硬度的实验规范金属类型布氏硬度范围HB试件厚度mm载荷P与压头直径D的关系钢球直径D,mm载荷P,kg载荷保持时间，s黑色金=30D2105.02.53000750187.51066313063432P=30D2105

16、.02.53000750187.530361309-363663175175Rm0.343HBRm0.343HB10MN/m10MN/m2 2Rm0.362HBRm0.362HB10MN/m10MN/m2 2铸铝合金铸铝合金 Rm0.26HBRm0.26HB10MN/m10MN/m2 2退火黄铜、青铜退火黄铜、青铜 Rm0.55HBRm0.55HB10MN/m10MN/m2 2冷加工后黄铜、青铜冷加工后黄铜、青铜 Rm0.40HBRm0.40HB10MN/m10MN/m2 2表表3. 3. 布氏硬度与抗拉强度的关系布氏硬度与抗拉强度的关系 l缺点缺点 由于压痕大由于压痕大, ,只宜测半成品只宜

17、测半成品; ; 不宜测太薄，太软、太硬不宜测太薄，太软、太硬（0.25Dd0.6D）的材料；的材料； 对不同材料和厚度的试样需更换压头和对不同材料和厚度的试样需更换压头和试验力，测压痕直径费时，还得查表，试验力，测压痕直径费时，还得查表，所以效率低。所以效率低。3.4 3.4 设备操作设备操作l 设备名称：设备名称：KB3000BVRZKB3000BVRZ万能硬度计万能硬度计: :配备了布氏、维氏与洛氏硬度测量配备了布氏、维氏与洛氏硬度测量模块。主要用于不同载荷范围的布氏硬度测定。模块。主要用于不同载荷范围的布氏硬度测定。l 试验标准：试验标准：GB 231.1GB 231.12002 200

18、2 金属布氏硬度试验金属布氏硬度试验 第第1 1部分：试验方法。部分：试验方法。l 设备操作设备操作试样准备；试样准备；下移载物台预留足够安全空间，完成自检后按下移载物台预留足够安全空间，完成自检后按EnterEnter或或F1F1进入测试界面；进入测试界面；选择载荷、压头直径、压痕观测物镜；选择载荷、压头直径、压痕观测物镜；调物镜得清晰像；按压调物镜得清晰像；按压OPTICOPTIC切换至压头；切换至压头；按压按压StartStart加载保荷。加载保荷。显示硬度测量值。显示硬度测量值。 3.5 3.5 测量注意事项测量注意事项: : d d的范围应为的范围应为0.25Dd0.6D0.25Dd

19、2%2%者，需要在硬度值后面注明。者，需要在硬度值后面注明。 维氏硬度表示法维氏硬度表示法 640 HV 30640 HV 30表示用表示用136136金刚石压头在金刚石压头在294.2N294.2N试验力作用下保持试验力作用下保持10101515秒测得秒测得的维氏硬度值为的维氏硬度值为640640。 640 HV 30/20640 HV 30/20表示用表示用136136金刚石压头金刚石压头在在294.2N294.2N试验力作用下保持试验力作用下保持2020秒测得的秒测得的维氏硬度值为维氏硬度值为640640。4.3 4.3 对试样的要求对试样的要求 要求试样经过抛光，试样硬度至少是压要求试

20、样经过抛光，试样硬度至少是压痕深度的痕深度的1010倍或者不小于压痕对角线的倍或者不小于压痕对角线的1.51.5倍，在满足这个条件的情况下尽可能倍，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。选用较大载荷，可减少测量误差。4.4 优缺点及注意事项优缺点及注意事项优点优点 可测定从极软到极硬各种金属材料的硬度可测定从极软到极硬各种金属材料的硬度,且不同载荷且不同载荷下的维氏硬度值可以进行比较。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维氏硬度值测量精确可靠，在材料科学研究中被广泛应用。应用。缺点缺点 维氏硬度需测量对角线的长度，然后通过计算或查表维

21、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。据，可能克服上述缺点并大大提高工作效率。注意注意 维氏硬度两相邻压痕中心之间的距离，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对于钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长度的线长度的3 3倍；对于轻金属、铅、锡及合倍；对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕对角线长度的金至少应为压痕对角线长度的6 6倍。如果倍。如

22、果相邻两压痕大小不同，应以较大压痕确相邻两压痕大小不同，应以较大压痕确定压痕间距。定压痕间距。 金属维氏硬度试验执行的现行标准为：金属维氏硬度试验执行的现行标准为： GB/T 4340.11999 金属维氏硬度试验金属维氏硬度试验 第第1部分：试验方法。部分：试验方法。 5.5.显显 微微 硬硬 度度 测测 试试 法法5.15.1显微硬度的测量原理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，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也是用压痕单位面积上所承受的载荷来表示的。表示的。只是试样需要抛光腐蚀制成金相显微试只是试样需要抛光腐蚀制成金相显微试样，以便测量

23、显微组织中各相的硬度。样，以便测量显微组织中各相的硬度。显微硬度一般用显微硬度一般用HMHM表示。表示。 5.1.1 5.1.1 显微硬度测试用的压头有两种：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一种是和维氏硬度压头一样的两面之间的夹角为为136136的金刚石正四棱锥压头的金刚石正四棱锥压头; ;另一种显微硬度压头。这种压头叫克努普另一种显微硬度压头。这种压头叫克努普(Knoop(Knoop) )金刚石压头。它的压痕长对角线与短金刚石压头。它的压痕长对角线与短对角线的长度之比为对角线的长度之比为7.117.11。 如图如图5 5所示所示: :维氏金刚石棱锥压头维氏

24、金刚石棱锥压头 努氏金刚石棱锥压头努氏金刚石棱锥压头 图图5 5维氏硬度压头维氏硬度压头5.1.2 5.1.2 硬度计算公式硬度计算公式n 两面之间的夹角为两面之间的夹角为136136的金刚石正四棱锥压头时的金刚石正四棱锥压头时, ,显显微硬度的计算公式为：微硬度的计算公式为： HV=P/F=1.8544P/dHV=P/F=1.8544P/d2 2kg/mmkg/mm2 2 式中：式中：P P载荷载荷(g)(g)； d d压痕对角线长度压痕对角线长度(m(m) )。 显微硬度值与维氏硬度完全一致，计算公式差别只是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

25、造成的。测量时用的载荷和压痕对角线的单位不同造成的。n 压头叫克努普压头叫克努普(Knoop)金刚石压头时金刚石压头时, 显微硬度显微硬度值为：值为： HK=P/A=14229P/L2kg/mm2 式中：式中：P载荷载荷(g)； L压痕对角线长度压痕对角线长度(m)。 显微硬度如用显微硬度如用kg/mmkg/mm2 2为单位时，可以将为单位时，可以将单位省去，例如单位省去，例如HM300HM300，表示其显微硬度，表示其显微硬度为为300kg/mm300kg/mm2 2 5.2 5.2 设备简介设备简介l设备名称：维氏显微硬度计 l仪器组成：照明系统、物镜系统、目镜系统、调焦装置、硬度值测量系

26、统。l应用：测量各种组成相的硬度及渗层的硬度变化梯度等。l 试验前的准备工作：试验前的准备工作：接通电源，试样压平后固定在载物台上；接通电源，试样压平后固定在载物台上；将物镜转如光路并固定；将物镜转如光路并固定；旋转目镜使计测线边缘聚焦；旋转目镜使计测线边缘聚焦；调好后复零：调好后复零：D1D1显示显示“0.0”0.0” 5.3 5.3 显微硬度的测试方法显微硬度的测试方法l 硬度测试：硬度测试： 安装物镜；安装物镜； 试样聚焦（聚焦前试样表面与镜头距离不少于试样聚焦（聚焦前试样表面与镜头距离不少于0.4mm0.4mm）测试位置置于中心；测试位置置于中心； 压头置于光路；压头置于光路； 设置测

27、试载荷（设置测试载荷（H H、L L两档）；两档）； 加载（确认物镜不在光路中）；加载（确认物镜不在光路中）； 物镜转入光路；物镜转入光路； 调目镜测对角线长度；调目镜测对角线长度； 硬度显示。硬度显示。压痕对角线长度的测定：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左侧尖端相切，右计测线内侧边缘与压痕右侧尖端相切，按端相切，按“数值输入数值输入”键，压痕对角线长度在键，压痕对角线长度在D1D1位置显示；位置显示； 将测微目镜逆时针旋转将测微目镜逆时针旋转9090度后重复上述操作，测度后

28、重复上述操作，测量压痕竖直方向对角线长度，按量压痕竖直方向对角线长度，按“数值输入数值输入”键，键，压痕对角线长度在压痕对角线长度在D2D2位置显示。位置显示。5.4 影响显微硬度值的因素 1)试样制备 制备试样时，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) 2) 载荷载荷 根据试样的实际情况，选择适当的荷载，允许时尽量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。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

29、乎一样，压痕越小弹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。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。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。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：布科提出了下列四类加载范围，可供参考： 铝合金铝合金:1-5g; :1-5g; 软铁镍软铁镍:5-15g;:

30、5-15g;硬钢硬钢:15-30g:15-30g 碳化物碳化物:30-120g:30-120g3)3)加载速度和保载时间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。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。加载后一般载荷越小，加载速度的影响就越大。加载后保持载荷保持载荷3-5s3-5s即可卸载进行测量即可卸载进行测量。6.6.使用硬度计应注意的事项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，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，现列举还有一些共同的应注意的问题，现列举如下：如下：1)1)硬度计本

31、身会产生两种误差：硬度计本身会产生两种误差：l 一是其零件的变形、移动造成的误差；一是其零件的变形、移动造成的误差；l 二是硬度参数超出规定标准所造成的误二是硬度参数超出规定标准所造成的误差。对第二种误差，在测量前需用标准差。对第二种误差，在测量前需用标准块对硬度计进行校准。块对硬度计进行校准。l 洛氏硬度各标度有一事实上的适用范围，要根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，硬度高于据规定正确选用。例如，硬度高于HRB100HRB100时，时，应采用应采用HRCHRC标度进行测试；硬度低于标度进行测试；硬度低于HRC20HRC20时应时应用用HRBHRB标度进行测试。因为超出其规定的测试标度进行测试。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。值不准确，不宜使用。l 其他硬度测试法也都规定有相应的校正标准。其他硬度测试法也都规定有相应的校正标准。l 校准硬度计用的标准块不能两面使用，因标准校准硬度计用的标准块不能两面使用，因标准面与背面硬度不一定一致。一般规定标准块自面与背面硬度不一定一致。一般规定标准块自标定日起一年内有效。标定日起一年内有效。 2) 2) 压头避免撞击压头避免撞击, ,保持清洁保持清洁; ; 3) 3) 硬度计调整后，开始测量硬度时，第硬度计调整后，