第5章 材料硬度试验

1、122.4 硬度金属硬度的意义：金属硬度的意义： 硬度是表征材料软硬程度的一种性能。一般认为硬度硬度是表征材料软硬程度的一种性能。一般认为硬度是一定体积内材料表面抵抗变形或破裂的能力。其物是一定体积内材料表面抵抗变形或破裂的能力。其物理意义随试验方法不同而不同。理意义随试验方法不同而不同。（1）压入法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）：）压入法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）：主要表征金属的塑性变形抗力及应变硬化能力；主要表征金属的塑性变形抗力及应变硬化能力；（2）弹性回跳法（如肖氏硬度）：主要表征金属弹性变）弹性回跳法（如肖氏硬度）：主要表征金属弹性变形功的大小；形功的大小；（3）划痕

2、法（如莫氏硬度）：主要表征金属对切断的抗）划痕法（如莫氏硬度）：主要表征金属对切断的抗力。力。因此因此“硬度硬度”不是金属独立的性能。不是金属独立的性能。(4)其他方法测定材料硬度其他方法测定材料硬度 超声波硬度测定方法、电磁法和其他测试方法。超声波硬度测定方法、电磁法和其他测试方法。3一、布氏硬度一、布氏硬度图图2-11 布氏硬度计布氏硬度计图图2-12 布氏硬度试验原理布氏硬度试验原理1、测定原理：、测定原理： 淬火钢球或硬质合金淬火钢球或硬质合金D(mm) ； 加载加载F(kgf)；保压；保压 卸载卸载 圆形压痕圆形压痕 用直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的力(Kgf或N

3、)将压头压入试样表面，保持规定的时间(S)后卸除试验力，试样表面将存在压痕。测量压痕平均直径d(mm)，求得压痕球形面积A(mm2)。 HB=0.102 FA (通常，布氏硬度值不标出单位) 根据压头材料不同，布氏硬度可标注： HBS：压头为淬火钢球(布氏硬度在450以下的材料)； HBW：压头为硬质合金钢球(布氏硬度在450650的材料); )(204. 022dDDDF4 2、表示方法：、表示方法： 数字数字 + 硬度符号硬度符号 + 数字数字 / 数字数字 / 数字数字 硬度值硬度值 (HBW或或HBS) 钢球直径钢球直径 载荷载荷 定时定时 280 HBS10/3000/30； 500

4、 HBW5/75。布氏硬度试验符合相似原则后，压痕直径必须满足布氏硬度试验符合相似原则后，压痕直径必须满足 0.24d0.6D 压头直径及试验力的确定： 对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径D及试验力F时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保持不变)。试验力的保持时间：对于黑色金属为1015 s, 对于有色金属为30s,对于35HBS的材料为60s。53、压痕几何相似原理、压痕几何相似原理 (对于材料相同而厚薄不同的工件，对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径配压头直径D及试验力及试验力F时，

5、应保证时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保持不变）：入角保持不变）：已知：已知：d= D sin/2两个条件：一是两个条件：一是为常数；为常数； 二是保证二是保证F/D2为常数。为常数。F/D2为常数为常数 一定为常数；一定为常数；F/D2为常数为常数 HB恒定恒定 。图图2-13 压痕相似原理压痕相似原理)2/sin11 (204. 0)(204. 02222DFdDDDFHB64、布氏硬度的优缺点：、布氏硬度的优缺点：q 优点：优点：压痕面积大压痕面积大 反映较大区域内各组成相的平均性能；反映较大区域内各组成相的平均性能； 适合灰铸铁、轴承合金等测量

6、。适合灰铸铁、轴承合金等测量。 试验数据稳定，重复性高。试验数据稳定，重复性高。q 缺点：缺点： 压痕直径大压痕直径大 不宜在成品件上直接进行检验；不宜在成品件上直接进行检验； 硬度不同硬度不同 更换压头直径更换压头直径D和载荷和载荷F ； 压痕直径的测量也比较麻烦。压痕直径的测量也比较麻烦。7表表2-2 布氏硬度实验的布氏硬度实验的F/D2值的选择值的选择8测量某试样的布氏硬度时采用了淬火钢球的直径D=5mm的压头，所用的试验力F=2500N，此时得到压痕直径d=1.5mm，试计算该试样的布氏硬度值？9二、洛氏硬度二、洛氏硬度图图2-14 洛氏硬度计洛氏硬度计图图2-15 洛氏硬度试验原理洛

7、氏硬度试验原理1、测定原理：圆锥角120的金刚石圆锥 或直径为1.588mm、3.175mm的淬火钢球； 加载F(kgf)；保压 卸载 不是测量压痕面积，而是测量压痕深度。 00：未加载； l1：加F1，压入深度为hl； 22：加F2，压入深度为h2； 33：卸F2，留F1 压头提高h3 实际压入的深度为h。 h值越大，硬度愈低；反之则愈高。金刚石圆锥： k =0.2 mm； 淬火钢球： k =0.26 mm。002. 0hkHR122、洛氏硬度的优缺点：、洛氏硬度的优缺点：q 优点：优点：压痕小压痕小 采用不同标尺，可测定各种软硬不同和薄厚不一试样采用不同标尺，可测定各种软硬不同和薄厚不一试

8、样的硬度。的硬度。 压痕小，可对工件直接进行检验；压痕小，可对工件直接进行检验； 操作简便迅速；操作简便迅速；q 缺点：缺点：压痕较小，代表性差；压痕较小，代表性差； 尤其是材料中的偏析及组织不均尤其是材料中的偏析及组织不均匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度大；匀等情况，使所测硬度值的重复性差、分散度大； 用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不用不同标尺测得的硬度值既不能直接进行比较，又不能彼此互换能彼此互换 不宜在极薄工件上直接进行检验；不宜在极薄工件上直接进行检验；13表表2-3 洛氏硬度实验的规范及应用洛氏硬度实验的规范及应用布氏硬度只能测定硬度值小于布氏硬度只能测定硬度值

9、小于450HB(或或650)的材料；洛氏硬度虽可测定的材料；洛氏硬度虽可测定各种硬度，但标尺不同，所测硬度值不能直接换算。为了使得软硬材料各种硬度，但标尺不同，所测硬度值不能直接换算。为了使得软硬材料有个连续一致的硬度指标，制定了维氏硬度。有个连续一致的硬度指标，制定了维氏硬度。14洛氏硬度试验中，试样的最小厚度应不小于压痕深度10倍 15三、维氏硬度三、维氏硬度图图2-16 维氏硬度计维氏硬度计图图2-17 维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理1、测定原理：圆锥角136的金刚石四棱锥 加载F(kgf/gf)；保压 卸载 测量压痕面积对角线长度分别为dl和d2 (mm/m) ， 取其平均值d。计算

10、表面积S，HV=F/S=1.8544F/d2 (1854.4F/d2)括号内表示显微维氏硬度 负荷为力以下的维氏硬度试验称为显微维氏硬度 16 2、表示方法：、表示方法： kgf S 数字数字 + 硬度符号硬度符号 + 数字数字 / 数字数字 硬度值硬度值 (HV) 载荷载荷 定时定时 640HV30/20； 50 HV5。3、优缺点：优缺点： 优点：优点： 采用对角线长度计量，精确可靠；采用对角线长度计量，精确可靠； 可以任意选择载荷可以任意选择载荷; 比洛氏硬度所测试件更薄。比洛氏硬度所测试件更薄。 缺点：测定方法较麻烦，缺点：测定方法较麻烦， 工作效率低，工作效率低， 压痕面积小，代表性

11、差，压痕面积小，代表性差， 不宜用于成批生产的常规检验。不宜用于成批生产的常规检验。171 1、努普硬度试验：、努普硬度试验： 一种显微硬度试验方法一种显微硬度试验方法 与显微维氏区别一是压头形状不同；与显微维氏区别一是压头形状不同； 两个对面角不等的四棱锥金刚石压头两个对面角不等的四棱锥金刚石压头 ( (其对面角分别为其对面角分别为1721723030和和130130) )， 二是硬度值是试验力除以二是硬度值是试验力除以压痕投影面积压痕投影面积之商值。之商值。 故测量出压痕长对角线的长度故测量出压痕长对角线的长度l (m) ， HK=1.451 F/l2 N mm2 压痕细长，且只测量长对角

12、线长度，压痕细长，且只测量长对角线长度， 故精确度较高。故精确度较高。 适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度， 可以测定渗层截面上的硬度分布等。可以测定渗层截面上的硬度分布等。四、其它硬度四、其它硬度图图2-18 努氏硬度试验努氏硬度试验182 2、肖氏硬度试验：、肖氏硬度试验： 动载试验法；动载试验法； 原理：一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一原理：一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表征材定高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表征材料硬度；料硬度； 肖氏硬度的符号用肖氏硬度的符号用KS表示表示 标准重

13、锤从一定高度落下，以一定的动能冲击试祥表标准重锤从一定高度落下，以一定的动能冲击试祥表面，使其产生弹性变形与塑性变形。其中一部分冲击面，使其产生弹性变形与塑性变形。其中一部分冲击能转变为塑性变形功被试祥吸收。另一部分以弹性变能转变为塑性变形功被试祥吸收。另一部分以弹性变形功形式储存在试祥中当弹性变形回复时能量被释形功形式储存在试祥中当弹性变形回复时能量被释放，使重锤回跳至一定高度。放，使重锤回跳至一定高度。 材料的屈服强度越高，塑性变形越小，则存储的弹性能材料的屈服强度越高，塑性变形越小，则存储的弹性能越高，重锤回跳得也越高，表明材料越硬。因此，肖越高，重锤回跳得也越高，表明材料越硬。因此，肖

14、氏硬度试验只在弹性模量相同时才可进行比较氏硬度试验只在弹性模量相同时才可进行比较 优缺点：优缺点： 一般为手提式，使用方便，便于携带可测现场大型工一般为手提式，使用方便，便于携带可测现场大型工件的硬度件的硬度 其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大，测量其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大，测量精度较低。精度较低。图图2-19 肖氏硬度计肖氏硬度计193 3、莫氏硬度莫氏硬度 v 陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度，陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度，v 它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度，后面它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度，后面的材料可以划破前面

15、材料的表面。的材料可以划破前面材料的表面。v 起初，莫氏硬度为分起初，莫氏硬度为分10级，后来因为出现了一些人工合成级，后来因为出现了一些人工合成的高硬度材料，故又将莫氏硬度分为的高硬度材料，故又将莫氏硬度分为15级级图图2-20 莫氏硬度分级莫氏硬度分级204、里氏硬度、里氏硬度 由美国由美国Dr.Dietmar Leeb提出，是一种动态硬度试验法。硬度传感器的冲提出，是一种动态硬度试验法。硬度传感器的冲 击体在与被测工件冲击过程中，距工件表面击体在与被测工件冲击过程中，距工件表面1mm时的反弹速度（时的反弹速度（Vb） 与冲击速度（与冲击速度（Va）的比值乘以）的比值乘以1000，定义为里

16、氏硬度值，以，定义为里氏硬度值，以HL表示里表示里 氏公式如下：氏公式如下： HL=Vb/Va1000 v 里氏硬度仪的特点里氏硬度仪的特点 肖氏硬度仪要垂直向下使用；里氏可在肖氏硬度仪要垂直向下使用；里氏可在 任意方向上使用。布、洛、维氏硬度计任意方向上使用。布、洛、维氏硬度计 不便于在现场使用；里氏便于在现场使用。不便于在现场使用；里氏便于在现场使用。v 里氏硬度的相关因素里氏硬度的相关因素 里氏硬度值与金属材料的弹性模量里氏硬度值与金属材料的弹性模量E有关有关 所以里氏硬度仪是按材料种类进行分类测试的所以里氏硬度仪是按材料种类进行分类测试的。 v 里氏硬度与其它硬度的转换里氏硬度与其它硬度的转换 里氏硬度值与其它硬度值里氏硬度值与其它硬度值(HRC、HB、HV等等)之间有对应关系之间有对应关系 可将里氏值可将里氏值