材料硬度試驗(yàn)方法

一、硬度是材料機(jī)械性能的一種整體綜合指標(biāo)。

硬度值不僅與材料的彈性極限、彈性模量、屈服極限、脆性、乃至于材料結(jié)晶狀態(tài)、原子間鍵結(jié)合力和原子結(jié)構(gòu)等都有關(guān)系, 硬度測(cè)定的特點(diǎn)是不損壞工件、操作方便、迅速、效率高。

1.靜壓入試驗(yàn)—— 用以測(cè)定材料對(duì)長(zhǎng)久變形的抗力。布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度

2.劃痕試驗(yàn)—— 測(cè)定材料對(duì)破裂的抗力。觀察一種材料是否能被另一種材料劃痕，馬氏劃痕硬度、莫氏劃痕硬度

3.犁槽試驗(yàn)—— 將一鈍頭元件（通常為金剛石）以一定的載荷和相似條件下劃過表面，以劃痕寬度作為硬度的度量標(biāo)準(zhǔn)。Bierbaum硬度試驗(yàn)

4.回跳試驗(yàn)—— 或稱彈性回跳法，測(cè)定材料對(duì)彈性變形的抗力。使一標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和尺寸的物體由試驗(yàn)表面彈回，取回跳高度作為硬度標(biāo)準(zhǔn)。肖氏硬度

5.阻尼試驗(yàn)—— 也稱搖擺試驗(yàn)，測(cè)定材料對(duì)長(zhǎng)久變形的抗力。搖擺法硬度

6.磨損試驗(yàn)—— 將試樣壓在一正在轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤上，以磨耗率作為硬度的度量標(biāo)準(zhǔn)

7.沖蝕試驗(yàn)—— 在標(biāo)準(zhǔn)條件下將磨料沖射到試驗(yàn)表面上，以在一定時(shí)間內(nèi)損失的材料重量作為硬度的度量標(biāo)準(zhǔn)

定義：抵抗長(zhǎng)久壓痕的能力。

原理：在一定的時(shí)間間隔里，將硬質(zhì)壓頭壓入所要測(cè)試的金屬表面，然后測(cè)量壓痕的深度       

     或大小。

優(yōu)點(diǎn)：材料的硬度和其他物理特性之間存在著某種關(guān)系，是一種非破壞性試驗(yàn)。

分類：宏觀硬度通常載荷在1KG 以上

     顯微硬度通常載荷小于1KG(1g-500g)

     納米硬度通常在更小的載荷范圍

二、布氏硬度試驗(yàn)(GB231-63)測(cè)量

       將一定直徑（10mm、5mm、2.5mm）的鋼球在一定載荷下壓入金屬, 保持一定時(shí)間后卸載, 測(cè)量壓痕直徑, 按下列公式計(jì)算硬度值HB:

P—— 負(fù)荷(kgf)

S —— 壓痕的球形表面積(mm2)

D—— 鋼球直徑(mm)

 d—— 壓痕直徑(mm)

 h —— 壓痕深度(mm)

 壓痕直徑是在兩個(gè)相互垂直方向上測(cè)量的平均值。

對(duì)鋼鐵材料，通常負(fù)荷采用3000kg，保持時(shí)間10 ~15s;對(duì)軟金屬，負(fù)荷可降至500kg。

 通常硬度和負(fù)荷的關(guān)系為：

           3000kg       BHN96 -600

           1500kg       BHN48 -300

            500kg       BHN 16-100

  試樣厚度一般不小于壓痕深度的10倍, 試驗(yàn)后壓痕直徑的大小應(yīng)在

           0.25D< d < 0.6D, 否則試驗(yàn)結(jié)果無效.

   布氏硬度標(biāo)記例:

 HB2.5/187.5/10=190  表示2.5mm鋼球187.5kg載荷保持10s.

                HB350 表示10mm鋼球3000kg載荷保持10s.

影響因素: 壓頭材料、鋼球直徑、鋼球表面質(zhì)量、負(fù)荷大小、負(fù)荷保持時(shí)間、直徑測(cè)量

                 試樣表面光潔度

三、洛氏硬度試驗(yàn)(GB230-63)

測(cè)量：以金剛石圓錐或鋼球作壓頭壓入金屬表面, 先后兩次施加載荷: 初負(fù)荷(通常10kg)及總負(fù)荷(初負(fù)荷加主負(fù)荷)60、100、150kg, 由兩次負(fù)荷壓痕深度之差, 求得洛氏硬度.

   洛氏硬度按所選壓頭和負(fù)荷不同分為15種, 以HRA、HRC、HRB*為常用

計(jì)算公式

  h0 ----初負(fù)荷作用下的壓痕深度mm.

   h1----加上主負(fù)荷并卸除, 而保留初負(fù)荷時(shí)的壓痕深度

影響因素: 金剛石圓錐壓頭角度、金剛石圓錐壓頭頂端的球面半徑、鋼球壓頭直徑

       初負(fù)荷﹑總負(fù)荷﹑負(fù)荷施加速度、測(cè)深裝置的影響、總負(fù)荷保持時(shí)間的影響.

測(cè)量：采用136o  金剛石正方形角錐體壓頭。硬度值為所施加的負(fù)荷除以壓痕的表面積

   P-----所施加的負(fù)荷（kgf）

 d-----壓痕對(duì)角線的平均值（mm）

  影響因素:  金剛石壓頭相對(duì)兩面夾角、負(fù)荷大小及施加速度﹑顯微鏡刻度誤差﹑壓痕測(cè)量誤差.

顯微硬度試驗(yàn)是研究材料表面﹑端面等微觀性能的重要方法, 在摩擦學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用. 例如在測(cè)量微區(qū)硬度﹑涂層硬度﹑硬化層及擴(kuò)散層的厚度等方面.

四、維氏顯微硬度試驗(yàn)(GB4342 - 84)

采用136o  金剛石正方形角錐體壓頭。硬度值為所施加的負(fù)荷除以壓痕的表面積。其原理與維氏硬度原理相同, 所不同的是試驗(yàn)所施加的負(fù)荷較小, 壓痕測(cè)量也更加**.。

通常其壓痕深度約為對(duì)角線長(zhǎng)度的1/7。

P----- 所施加的負(fù)荷 （gf）

d----- 壓痕對(duì)角線的平均值 （mm）

θ---- 金剛石相對(duì)面的夾角 （136o）

五、顯微硬度試驗(yàn)

顯微硬度試驗(yàn)是研究材料表面﹑端面等微觀性能的重要方法, 在摩擦學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用. 例如在測(cè)量微區(qū)硬度﹑涂層硬度﹑硬化層及擴(kuò)散層的厚度等方面

努普(Knoop)顯微硬度試驗(yàn)(1939年)

采用136o  金剛石長(zhǎng)棱形壓頭, 兩長(zhǎng)棱夾角172.3o, 兩短棱夾角130o。硬度值為所施加的負(fù)荷除以壓痕的投影面積。其原理與維氏硬度原理相同, 所不同的是試驗(yàn)所施加的負(fù)荷較小, 壓痕測(cè)量也更加**.

P----- 所施加的負(fù)荷 （gf）

 d ----- 壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度 （mm）

別爾闊維契壓頭（三角形錐體壓頭）

此種壓頭是為了消除四楞錐體壓頭易于產(chǎn)生的頂端橫刃而提出的， 楞與楞之間的夾角為76o54’以使該壓頭所獲得的壓痕深度與四楞錐體壓頭在同一負(fù)荷下所得的壓痕深度相同。

硬度值是負(fù)荷與所得壓痕表面積的比, 計(jì)算公式為

      F ----- 所施加的負(fù)荷 （N）

      a ----- 壓痕邊長(zhǎng) （mm）

      l ----- 壓痕頂點(diǎn)到對(duì)邊的距離(mm ） l=0.866a

多用于測(cè)量非脆性的高硬度材料, 其壓痕深度h為其邊長(zhǎng)a的0.135倍。

硬度的應(yīng)用舉例

硬度與屈服極限的關(guān)系: 對(duì)于多晶體的塑性材料σ≈0.3HV.

研究摩擦磨損引起的表面性質(zhì)的變化

表面涂層的性能

涂層厚度測(cè)量

   材料晶粒內(nèi)部的機(jī)械性能的變化

研究材料的各向異性

作為半導(dǎo)體材料高純度和均勻度的標(biāo)準(zhǔn)

醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用: 鑒別牙質(zhì)的病變(健康牙齒表面琺瑯質(zhì)硬度達(dá)HV400, 內(nèi)部象      牙質(zhì)HV50~70左右.

研究硬度和材料流變的關(guān)系

研究陶瓷的力學(xué)效應(yīng)和硬度的關(guān)系

硬度與剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系

參考文獻(xiàn)

[美]J.H.韋斯特布魯克,H. 康拉德, 硬度試驗(yàn)科學(xué)及其   

應(yīng)用, 李承歐等譯, 中國(guó)計(jì)量出版社,1987.8.

[美]V.E.萊薩特,A.德貝利斯，硬度試驗(yàn)手冊(cè), 廖日嶽 

金文博譯計(jì)量出版社,1985.5.

金屬機(jī)械性能試驗(yàn)法匯編,1975.

楊迪、李福欣編著，顯微硬度試驗(yàn)，中國(guó)計(jì)量出版社,