金属材料的硬度及其试验方法

金属材料的硬度及其试验方法主要内容金属材料硬度的定义硬度试验的作用和特点常用硬度试验方法的分类压入式硬度测试回弹式硬度测试各种硬度测试的对比第2页,共33页，2024年2月25日，星期天1.金属材料硬度的定义

金属材料是发展工业、农业、科学技术和提高人民生活水平所必需的物质。评价金属材料的好坏，可从其物理性能、化学性能和机械性能以及各种性能之间配合情况来判断，而机械性能中的硬度是经常被测定的一种指标。硬度试验又是最迅速最经济的一种试验方法。一般来说通常认为硬度是：材料在一定条件下抵抗另一本身不发生残余变形物体压入的能力。它是一个不仅决定于所研究材料本身的宏观与微观条件，而且也决定于测量条件的量。也可以说硬度是代表着在一定的压头和力的作用下，所反映出的弹性、塑型、塑性变形强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的综合性能指标。第3页,共33页，2024年2月25日，星期天2.硬度试验的作用和特点

硬度试验能成为力学性能试验中常见的一种方法，是因为硬度试验的结果能敏感的反映出材料在化学成分、组织结构和处理工艺上的差异。

硬度试验方法的特点是经试验后的轧辊表面上的试验痕迹很小，在大多数情况下对于轧辊使用无影响，可以视为无损检验。硬度试验所用设备简单，易于掌握。硬度试验有很高的工作效率。第4页,共33页，2024年2月25日，星期天3.常用硬度试验方法的分类

自1722年雷奥姆尔(Reaumvr)首次应用了矿物对金属进行刻划的初始硬度试验以来，人们提出过几百种测量金属硬度的方法。常用硬度试验方法一般有如下分类：

3.1按负荷施加速度分类为静力（压入）试验法和动力（回弹）试验法。常用的静力试验法有布氏、洛氏、维氏与显微硬度等。常用的动力试验法，加载特点是动态和具有冲击性的，包括肖氏硬度、里氏硬度、锤击布氏硬度等。第5页,共33页，2024年2月25日，星期天3.2按负荷的大小分类宏观硬度试验负荷大于10Kgf轻负荷硬度试验负荷在0.2~10Kgf显微硬度试验负荷在5~200gf超显微硬度试验负荷在0.1~5gf3.3按试验时温度分类常温硬度试验在室温下进行低温硬度试验在0℃以下进行高温硬度试验在高于室温以上特定温度进行第6页,共33页，2024年2月25日，星期天3.4按试验原理分类有：布氏、洛氏、维氏、克努普氏、肖氏、显微、涡流、磁力、超声、划痕硬度等。从硬度试验方法分类中可以看出，仅常用的硬度就有好多种。这些方法不仅在原理上有区别。而且在同一种方法中，还有不同的负荷、压头和标尺。如何根据待测试材料的种类、工艺状态、几何尺寸等特点来选择一种合适的硬度试验方法和试验条件，需要认真考虑。硬度试验方法的正确选用，一般来讲应注意以下几个原则：采用较大的负荷进行试验，以保证试验结果有较小的相对误差。在实验和研究工作中，如果同一材料，由于处理条件不同，其硬度差异较大，这时一般不宜变换试验方法。为求得统一的标尺比较，可以选择用维氏硬度试验比较。第7页,共33页，2024年2月25日，星期天

同时不同的硬度材料应该选用不同的测试方法才较合理。如低硬度材料（HB＜450）调质钢、各种铸铁以及各种有色金属及其合金，用布氏硬度测量比较合理。而对于高硬度材料HB＞450的选用洛氏、维氏试验较为合理。洛氏、维氏压头材料均为金刚石，具有极高的硬度和弹性模量（1050~1200GPa）不会因为轧辊硬度高而发生变形。

对于大型轧辊，由于尺寸规格限制，则多选用肖氏、里氏或锤击布氏硬度计。第8页,共33页，2024年2月25日，星期天4.压入式硬度测试

布氏硬度试验方法最初是在1899-1900年间由瑞典工程师布利奈尔(J.A.Brinell)在研究热处理对轧钢组织的影响时提出来的。由于布氏硬度其压痕较大，因而受组织偏析及成分偏析影响较小，试验结果分散度较小，重复性好，能比较客观的反映出材料宏观硬度。成为被广泛应用的试验方法之一。4.1.1压头：4.1布氏硬度淬火钢球HBS硬质合金钢球HBW第9页,共33页，2024年2月25日，星期天4.1.2试验原理：用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。第10页,共33页，2024年2月25日，星期天

HB=F/S

………………

(1)

=F/πDh

………………

(2)

=0.102×F/πDh

………………

(3)=0.102×

F/

πD(D—)………………

(4)

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

第11页,共33页，2024年2月25日，星期天4.1.3特点：优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。第12页,共33页，2024年2月25日，星期天4.2维氏硬度

维氏硬度试验法是在1924年由史密斯（R.L.Smith)和桑德兰德（G.E.Sandlnd)合作首先提出的。以后由英国维克斯-阿姆斯特朗（Vickers-Armstrongs）公司在1925年第一个制造出这种硬度计，因而被习惯称为维氏硬度。4.2.1压头：锥面夹角为136º的金刚石正四棱锥体第13页,共33页，2024年2月25日，星期天4.2.2试验原理：以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。第14页,共33页，2024年2月25日，星期天aad用压痕两对角线的平均长度来计算。HV=F/S=1.8544P/d2第15页,共33页，2024年2月25日，星期天4.2.3特点：优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量；测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。第16页,共33页，2024年2月25日，星期天工业上采用现场轧辊维氏硬度计检测轧辊辊身硬度示意图第17页,共33页，2024年2月25日，星期天5.1肖氏硬度肖氏硬度-Shorescleroscopehardness简称HS。表示材料硬度的一种标准。由1906年美国人肖尔(AlbertF.Shore)首先提出。应用弹性回跳法将冲击体从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳。冲击体是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚石。用测得的击体回跳的高度来表示硬度。5.回弹式硬度测试由于不同国家的肖氏硬度计结构、冲击体大小不同，检测的数值也存在差异。肖氏硬度按硬度计结构分为HSC及HSD两种，HSC为弹跳高度直读式、HSD为表盘指针式第18页,共33页，2024年2月25日，星期天5.1.1冲击体冲击体冲头顶部镶嵌金刚石，一般C型为的重量为1/20克拉以上，而D型为1/7克拉以上。5.1.2试验原理：肖氏硬度试验是以一定重量的冲头，从一定高度自由下落到工件表面上。冲头·的动能一部分消耗于工件表面的塑型变形，另一部分则以弹性变形方式瞬间存储在工件内。当后一部分能量重新释放出来时，会使冲击体回跳。硬度与回跳高度成正比，回跳的越高，硬度越大。第19页,共33页，2024年2月25日，星期天

肖氏硬度值的高低，是代表某一金属弹性变形功的大小，表示该种金属可逆的弹性变形功和不可逆的塑性变形功的相对比值。肖氏硬度公式为：HSC=(10000/65)×(h2/h1)HSD=140×(h2/h1)h1:落下高度h2:反弹高度第20页,共33页，2024年2月25日，星期天5.1.3特点：肖氏硬度试验是一种动态力试验，与布、洛、维等静态力试验法相比，准确度稍差，受测试时的垂直性，轧辊表面粗糙度等因素的影响，其测试结果的比较只限于弹性模量相同的材料。它对轧辊的尺寸和重量都有一定要求，不适于较小的轧辊，但是它是一种轻便的手提式仪器，便于现场测试，其结构简单，便于操作，测试效率高。

肖氏硬度计适用于测定黑色金属和有色金属的肖氏硬度值。特别适用于冶金、重型机械行业中的中大型工件，例如大型锻钢冷轧工作辊、中间辊支承辊、锻钢热轧辊以及各类铸钢、铸铁轧辊等。第21页,共33页，2024年2月25日，星期天各国家的硬度计制定主要项目标准ASTME448规定型式CD质量2.3g36g落下距离251.2mm17.9mmGB/T4341、JISB7727、KSB5525型式CD质量2.5g36.2g落下距离254mm19mm第22页,共33页，2024年2月25日，星期天5.2里氏硬度计

里氏硬度计是一种测试器材，其原理是随着单片技术的发展，1978年，瑞士人Leeb博士首次提出了一种全新的测硬方法，它的基本原理是具有一定质量的冲击体在一定的试验力作用下冲击试样表面，测量冲击体距试样表面1mm处的冲击速度与回跳速度，利用电磁原理，感应与速度成正比的电压。第23页,共33页，2024年2月25日，星期天5.2.1冲击体型号GDDCDLCES特点大测试头，冲击能量约为D头的9倍，对检测表面的光洁度要求较低，能检测布氏硬度最大值为650HB。标准型探头非常短，使用特别的加载工具加载弹簧前端非常长冲击能量更小，约为D头的1/4人造金刚石探头(约5000HV)特别耐磨材料制作的球头，比D头耐用10倍应用用于检测坚硬、较大的试件，如锻件、铸件等。用于大部分硬度测量。用于非常局促地方(孔内、圆柱园内)的测量。用于深槽槽底或型面（如齿面）等零件的测量。用于表面硬化了的部件，表面覆盖层，薄壁的硬度测量。用于极高硬度，碳化物含量高的工具钢的硬度测量。检测非常硬的试件重量250g75g50g100g75g80g80g第24页,共33页，2024年2月25日，星期天计算公式：HL=1000*（VB/VA）式中：HL——里氏硬度值

VB——冲击体回跳速度VA——冲击体冲击速度5.2.2试验原理：5.2.3用途根据里氏原理，只要材料具备一定刚性，能形成反弹，就能测出准确的里氏硬度值，但很多材料里氏与其它制式的硬度没有相应的换算关系，因此里氏硬度计目前只装了9种材料的换算表。具体材料如下：钢和铸钢，合金工具钢，灰铸铁，球墨铸铁，铸铝合金，铜锌合金，铜锡合金，纯铜，不锈铜。第25页,共33页，2024年2月25日，星期天

在实际生产中，使用的金属材料多种多样，由于里氏硬度计对材料的加工方式、材料的合金元素组成敏感，而里氏硬度计芯片中储存的硬度换算表不可能都满足用户的需要，用户在测试中，可以使用拟合软件做自己专用的硬度换算表。5.2.4、影响里氏硬度计测试精度的因素

1、数据换算产生的误差里氏硬度换算为其它硬度时的误差包括两个方面：一方面是里氏硬度本身测量误差，这涉及到按方法进行试验时的分散和对于多台同型号里氏硬度计的测量误差。另一方面是比较不同硬度试验方法所测硬度产生的误差，这是由于各种硬度试验方法之间不存在明确的物理关系，并受到相互比较中测量不可靠因素的影响。第26页,共33页，2024年2月25日，星期天2、特殊材料引起的误差存贮在硬度仪中的换算表对下列钢种可能产生偏差：工具钢和莱氏体铬钢（工具钢类）硬质材料会引起弹性模量增加，从而使L值偏低。这类钢应在横截面上进行测试轧辊内应力会引起L值偏高轧辊若存在剩磁，由于磁场影响，会使L值偏低。表面硬化钢，基体软，会使L值偏低，当硬化层大于0.8mm时（C型冲击装置为0.2mm）则不影响L值。3、材料弹性、塑性的影响里氏值除与硬度、强度相关外，更与弹性模量有关，硬度值是材料硬度和弹性的特征参数，实际上里氏硬度是材料弹性与硬度共同测定的结果。在弹性部分，首先明显受E模量影响，在这方面当材料的静态硬度相同，而E值大小不同时，E值低的材料，L值较大。第27页,共33页，2024年2月25日，星期天4、轧辊重量、粗糙度、尺寸的影响5、轧辊的磁性应小于300高斯6、按GB/T17394标准里氏硬度计的示值误差及重复性应不大于冲击装置类型里氏硬度值示值误差重复性D490-830HLD±12HLD12HLDDC490-830HLDC±12HLDC12HLDCG460-630HLG±12HLG12HLGC550-890HLC±12HLC12HLC第28页,共33页，2024年2月25日，星期天6、各种硬度测试的对比