显微硬度讲解

关于显微硬度讲解第1页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三硬度：金属材料抵抗局部变形,特别是抵抗塑性变形、压痕或划痕的能力。也是衡量金属软硬程度的判据。第2页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三主要内容1、硬度的特点及应用2、布氏硬度测试3、洛氏硬度测试法4、维氏硬度测试法5、显微硬度测试法第3页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三硬度试验的特点及应用试样制备简单，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；设备简便，操作方便，测量速度快；测量范围大:可大(多晶体)可小(单个晶粒、表面渡层、手表内部小零件等)、可软可硬各种金属件都可做硬度试验；第4页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三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(如碳钢бb≈0.36HB)。测定材料的硬度,定性分析材料的组织、性能;测定脱碳层深度;定性分析夹杂物性质,组成相的性质等。第5页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三2.洛氏硬度测定法2.1洛氏硬度的测量原理用顶角为120°的金刚石圆锥或φ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。第6页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三图1.洛氏硬度试验原理示意图第7页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三0-0：未加载荷，压头未接触试件时的位置。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第8页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三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K为0.2mm，硬度值由黑色表盘表示;用钢球(Φ=1.588mm)压头时，常数K为0.26mm，硬度值由红色表盘表示.第9页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三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。第10页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三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HRA金刚石圆锥588.6(60)黑色70~85碳化物、硬质合金、表面淬火钢等HRB1.588mm钢球981(100)红色25~100软钢、退火钢、铜合金HRC金刚石圆锥1471.5(150)黑色20~67淬火钢、调质钢等HRD金刚石圆锥981(100)黑色40~77薄钢板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm钢球981(100)红色70~100铸铁、铝、镁合金、轴承合金HRF1.588mm钢球588.6(60)红色40~100薄板软钢、退火铜合金HRG1.588mm钢球1471.5(150)红色31~94磷青铜、铍青铜HRH3.175mm钢球588.6(60)红色

铝、锌、铅表1.各种洛氏硬度值的符号及应用第11页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三2.2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，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。第12页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三硬度表示法如：38HRC、48HR30N、68HR30T等。金属洛氏试验执行的现行标准为：

GB/T230.1－2004

金属洛氏硬度试验第1部分：试验方法第13页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三洛氏硬度实验过程1、试验前的准备（参数设定）按RESET键清零；将选好的压头安装好；设预载力；设总载荷；设定标尺：按D/B键，使力、压头、标尺一致；设定保荷时间：键DWTIME与DEC或INC键配合，按SET键输入；此时显示标尺与0.0;用标准块校验，示值误差应符合标准。第14页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三2、试验过程放好试样，实验点对准压头；顺时转动转盘使试样紧密接触压头，使预载力指示灯依次点亮，直至“SET”灯亮，约1s后自动进行后续过程；显示标尺与硬度值供记录；设备复原位。第15页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三注意事项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头h的10倍或钢球压头h的5倍；试验后试样背面不得有肉眼可见的变形痕迹；第16页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三3.布氏硬度测试法第17页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三3.1布氏硬度的测量原理加载荷P,使直径为D的淬火钢球压头压入试件表面并保持一定时间，去载后，测量压痕直径d，算出压痕面积F，

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2所示。第18页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三图2.布氏硬度试验原理示意图

第19页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三式中：P——测试用的载荷(kg)；

D——压头钢球的直径(mm)；

d——压痕直径(mm)；

F——压痕面积(mm2).测出d,查表即可得HB值公式第20页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三压头直径有Φ2.5mm，Φ5mm，Φ10mm三种;载荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、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。如图3所示。第21页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三图3.不同直经的钢球压头产生在几何上相似的压头

第22页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三推倒得出:只要使P/D2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。只要满足P/D2为常数，则同一材料测得的HB值是相同的。且不同材料测得的HB值也可进行比较。国家标准规定P/D2的比值为30、10、5三种。

实验规范见表2式中:A为常数第23页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三表2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黑色金属140~1506~34~3<2P=30D2105.02.53000750187.510<140>66~3<3P=10D2105.02.5100025062.510有色金属>1306~34~3<2P=30D2105.02.53000750187.53036~1309~-36~3<3P=10D2105.02.5100025062.5308~35>66~3<3P=2.5D2105.02.525062.515.630第24页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三3.2布氏硬度的表示方法用Φ10mm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Φ10mm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。第25页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三3.3布氏硬度测定的优缺点优点因压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值;因压痕面积较大,测值较准确,测量误差较小;而不受个别组成相及微小不均匀度的影响。布氏硬度值和抗拉强度σb间存在一定换算关系。见表3。第26页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三材料硬度值HB-Rm近似换算关系钢125~175>175Rm≈0.343HB×10MN/m2Rm≈0.362HB×10MN/m2铸铝合金

Rm≈0.26HB×10MN/m2退火黄铜、青铜

Rm≈0.55HB×10MN/m2冷加工后黄铜、青铜

Rm≈0.40HB×10MN/m2表3.布氏硬度与抗拉强度的关系

第27页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三缺点由于压痕大,只宜测半成品;不宜测太薄，太软、太硬（0.25D<d<0.6D）的材料；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，所以效率低。第28页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三3.4设备操作设备名称：KB3000BVRZ万能硬度计: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。试验标准：GB231.1－2002金属布氏硬度试验第1部分：试验方法。设备操作试样准备；下移载物台预留足够安全空间，完成自检后按Enter或F1进入测试界面；选择载荷、压头直径、压痕观测物镜；调物镜得清晰像；按压OPTIC切换至压头；按压Start加载保荷。显示硬度测量值。

第29页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三3.5测量注意事项:d的范围应为0.25D<d<0.6D，否则测量结果无效；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；试件厚度不小于压痕深度的10倍；压痕离试件边缘的距离应不小于压痕直径。安全注意事项第30页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三4.维氏硬度测试法第31页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三4.1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4所示。维氏硬度所用的载荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，负载的选择主要取决于试件的厚度。第32页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三图4维氏金刚石棱锥压头第33页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三维氏硬度的测试原理

第34页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三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=d2/2sin68ْ

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。第35页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三当载荷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。第36页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三4.2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10-3mm。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。

第37页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三维氏硬度表示法640HV30表示用136°金刚石压头在294.2N试验力作用下保持10～15秒测得的维氏硬度值为640。

640HV30/20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。第38页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三4.3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。第39页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三4.4优缺点及注意事项优点可测定从极软到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。第40页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三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/T4340.1－1999金属维氏硬度试验第1部分：试验方法。

第41页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三5.显微硬度测试法第42页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三5.1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。第43页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三

5.1.1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5所示:第44页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三维氏金刚石棱锥压头

努氏金刚石棱锥压头

图5维氏硬度压头第45页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三5.1.2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/F=1.8544P/d2kg/mm2

式中：P——载荷(g)；

d——压痕对角线长度(μm)。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。第46页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三压头叫克努普(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(μm)。第47页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三显微硬度如用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

第48页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三5.2设备简介设备名称：维氏显微硬度计仪器组成：照明系统、物镜系统、目镜系统、调焦装置、硬度值测量系统。应用：测量各种组成相的硬度及渗层的硬度变化梯度等。第49页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三试验前的准备工作：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；旋转目镜使计测线边缘聚焦；调好后复零：D1显示“0.0”

5.3显微硬度的测试方法第50页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三硬度测试：安装物镜；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；压头置于光路；设置测试载荷（H、L两档）；加载（确认物镜不在光路中）；物镜转入光路；调目镜测对角线长度；硬度显示。第51页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三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。第52页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三5.4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。第53页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三2)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。第54页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三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;硬钢:15-30g

碳化物:30-120g3)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。第55页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三6.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：第56页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三1)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。第57页，讲稿共63页，2023年5月2日，星期三洛氏硬度各标度有一事实上的适用范围，要根据规定