金屬材料的硬度
硬度是評(píng)定金屬材料力學(xué)性能zui常用的指標(biāo)之一。對(duì)于金屬材料的硬度,至今在國內(nèi)外還沒有一個(gè)包括所有試驗(yàn)方法的統(tǒng)一而明確的定義。就已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的、被國內(nèi)外普通采用的金屬硬度試驗(yàn)方法而言,金屬材料硬度的定義是:材料抵抗另一較硬材料壓入的能力。
硬度檢測(cè)是評(píng)價(jià)金屬力學(xué)性能zui迅速、、zui簡(jiǎn)單的一種試驗(yàn)方法。硬度檢測(cè)的主要目的就是測(cè)定材料的適用性,或材料為使用目的所進(jìn)行的特殊硬化或軟化處理的效果。對(duì)于被檢測(cè)材料而言,硬度是代表著在一定壓頭和試驗(yàn)力作用下所反映出的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能。由于通過硬度試驗(yàn)可以反映金屬材料在不同的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和熱處理工藝條件下性能的差異,因此硬度試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于金屬性能的檢驗(yàn)、監(jiān)督熱處理工藝質(zhì)量和新材料的研制。金屬硬度檢測(cè)主要有兩類試驗(yàn)方法。一類是靜態(tài)試驗(yàn)方法,這類方法試驗(yàn)力的施加是緩慢而無沖擊的。硬度的測(cè)定主要決定于壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小。靜態(tài)試驗(yàn)方法包括布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等。其中布、洛、維三種試驗(yàn)方法是zui長用的,它們是金屬硬度檢測(cè)的主要試驗(yàn)方法。而洛氏硬度試驗(yàn)又是應(yīng)用zui多的,它被廣泛用于產(chǎn)品的檢驗(yàn),據(jù)統(tǒng)計(jì),目前應(yīng)用中的硬度計(jì)70%是洛氏硬度計(jì)。另一類試驗(yàn)方法是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法,這類方法試驗(yàn)力的施加是動(dòng)態(tài)的和沖擊性的。這里包括肖氏和里氏硬度試驗(yàn)法。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法主要用于大型的,不可移動(dòng)工件的硬度檢測(cè)。
1.布氏硬度計(jì)原理
對(duì)直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭施加規(guī)定的試驗(yàn)力,使壓頭壓入試樣表面,經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后,除去試驗(yàn)力,測(cè)量試樣表面的壓痕直徑d,布氏硬度用試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商來計(jì)算。
圖1布氏硬度試驗(yàn)原理
HB =F / S ……………… (1-1)
=F / πDh ……………… (1-2)
=
式中:F —— 試驗(yàn)力,N;
S —— 壓痕表面積,mm;
D —— 球壓頭直徑,mm;
h —— 壓痕深度, mm;
d —— 壓痕直徑,mm
布氏硬度計(jì)的特點(diǎn):
布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是其硬度代表性好,由于通常采用的是10 mm直徑球壓頭,3000kg試驗(yàn)力,其壓痕面積較大,能反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相綜合影響的平均值,而不受個(gè)別組成相及微小不均勻度的影響,因此特別適用于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料。它的試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,重現(xiàn)性好,精度高于洛氏,低于維氏。此外布氏硬度值與抗拉強(qiáng)度值之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是壓痕較大,成品檢驗(yàn)有困難,試驗(yàn)過程比洛氏硬度試驗(yàn)復(fù)雜,測(cè)量操作和壓痕測(cè)量都比較費(fèi)時(shí),并且由于壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓滑過渡都會(huì)使壓痕直徑的測(cè)量產(chǎn)生較大誤差,因此要求操作者具有熟練的試驗(yàn)技術(shù)和豐富經(jīng)驗(yàn),一般要求由專門的實(shí)驗(yàn)員操作。
布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
由于布氏硬度試驗(yàn)?zāi)軌蚍从吵鲈嚇虞^大范圍內(nèi)的綜合性能,因此布氏硬度與材料的其他機(jī)械性能關(guān)系密切,尤其是與抗拉強(qiáng)度存在近似的換算關(guān)系:
σb=K·HB ……………… (1-6)
式中:σb—抗拉強(qiáng)度值,MN/m2;
K—常數(shù),不同材料有不同的數(shù)值。
通過測(cè)試布氏硬度可以間接得到材料的抗拉強(qiáng)度。這一點(diǎn)在生產(chǎn)實(shí)際中具有重大意義??梢酝ㄟ^測(cè)量硬度的方法得到近似的強(qiáng)度值,這樣既可以提高工作效率,又可以節(jié)省材料。
部分金屬材料的換算關(guān)系如1-3表所示。
材料 | 布氏硬度值 | 近似換算關(guān)系 |
鋼 | 125~175 | σb≈0.343HB×10MN/m2 |
鑄鋁合金 | | σb≈0.26HB×10MN/m2 |
退火黃銅、青銅 | | σb≈0.55HB×10MN/m2 |
冷加工后的黃銅、青銅 | | σb≈0.40HB×10MN/m2 |
2.洛氏硬度計(jì)原理
在規(guī)定條件下,將壓頭(金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球)分2個(gè)步驟壓入試樣表面。卸除主試驗(yàn)力后,在初試驗(yàn)力下測(cè)量壓痕殘余深度h。以壓痕殘余深度h代表硬度的高低。洛氏硬度試驗(yàn)原理如圖2-1所示。
1—在初始試驗(yàn)力F0下的壓入深度;2—在總試驗(yàn)力F0+F1下的壓入深度;3—去除主試驗(yàn)力F1后的彈性回復(fù)深度;4—殘余壓入深度h;5—試樣表面;6—測(cè)量基準(zhǔn)面;7—壓頭位置
洛氏硬度試驗(yàn)分為2種,一種是普通洛氏硬度試驗(yàn),一種是表面洛氏硬度試驗(yàn)。洛氏硬度試驗(yàn)采用1200金剛石圓錐和
洛氏硬度標(biāo)尺技術(shù)條件
洛氏硬度標(biāo)尺 | 硬度符號(hào) | 壓頭類型 | 初試驗(yàn)力F0(N) | 主試驗(yàn)力F1(N) | 總試驗(yàn)力F0+ F1(N) | 適用范圍 |
A | HRA | 120°金剛石圓錐 | 98.07 | 490.3 | 588.4 | 20~88HRA |
B | HRB | | 98.07 | 882.6 | 980.7 | 20~100HRB |
C | HRC | 120°金剛石圓錐 | 98.07 | 1373 | 1471 | 20~70HRC |
D | HRD | 120°金剛石圓錐 | 98.07 | 882.6 | 980.7 | 40~77HRD |
E | HRE | | 98.07 | 882.6 | 980.7 | 70~100HRE |
F | HRF | | 98.07 | 490.3 | 588.4 | 60~100HRF |
G | HRG | | 98.07 | 1373 | 1471 | 30~94HRG |
H | HRH | | 98.07 | 490.3 | 588.4 | 80~100HRH |
K | HRK | | 98.07 | 1373 | 1471 | 40~100HRK |
表面洛氏硬度標(biāo)尺技術(shù)條件
表面洛氏硬度標(biāo)尺 | 硬度符號(hào) | 壓頭類型 | 初試驗(yàn)力F0(N) | 主試驗(yàn)力F1(N) | 總試驗(yàn)力F0+ F1(N) | 適用范圍 |
15N | HR15N | 120° | 29.42 | 117.7 | 147.1 | 70~94HR15N |
30N | HR30N | 264.8 | 294.2 | 42~86HR30N | ||
45N | HR45N | 411.9 | 441.3 | 20~77HR45N | ||
15T | HR15T |
| 29.42 | 117.7 | 147.1 | 67~93HR15T |
30T | HR30T | 264.8 | 294.2 | 29~82HR30T | ||
45T | HR45T | 411.9 | 441.3 | 10~72HR45T |
(取自國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1-2004 注:力值單位9.8N=1kg)
洛氏硬度計(jì)特點(diǎn)
洛氏硬度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,測(cè)量迅速,可在指示表上直接讀取硬度值,工作效率高,成為zui常用的硬度試驗(yàn)方法之一。由于試驗(yàn)力較小,壓痕也小,特別是表面洛氏硬度試驗(yàn)的壓痕更小,對(duì)大多數(shù)工件的使用無影響,可直接測(cè)試成品工件,初試驗(yàn)力的采用,使得試樣表面輕微的不平度對(duì)硬度值的影響較小,因此,此儀器非常適于在工廠使用,適于對(duì)成批加工的成品或半成品工件進(jìn)行逐件檢測(cè),
該試驗(yàn)方法測(cè)量操作的要求不高,非專業(yè)人員容易掌握。
3.維氏硬度計(jì)原理
3.1 維氏硬度計(jì)原理
采用正四棱錐體金剛石壓頭,在試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面,保持規(guī)定時(shí)間后,卸除試驗(yàn)力,測(cè)量試樣表面壓痕對(duì)角線長度,見圖3-1。
圖3-1維氏硬度試驗(yàn)原理圖
試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商就是維氏硬度值。維氏硬度值按式(3-1)計(jì)算:
HV = 常數(shù)×試驗(yàn)力/壓痕表面積 ≈
式中:HV ———— 維氏硬度符號(hào);
F ―――― 試驗(yàn)力,N;
d ———— 壓痕兩對(duì)角線d1、d2的算術(shù)平均值,mm
實(shí)用中是根據(jù)對(duì)角線長度d通過查表得到維氏硬度值。
國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定維氏硬度壓痕對(duì)角線長度范圍為0.020~
3.2 維氏硬度的表示方法
維氏硬度表示為HV,維氏硬度符號(hào)HV前面的數(shù)值為硬度值,后面為試驗(yàn)力值。標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)保持時(shí)間為10~15S。如果選用的時(shí)間超出這一范圍,在力值后面還要注上保持時(shí)間。例如:
600HV30—表示采用294.2N(
600HV30/20—表示采用294.2N(
3.3 維氏硬度試驗(yàn)的分類和試驗(yàn)力選擇
維氏硬度試驗(yàn)按試驗(yàn)力大小的不同,細(xì)分為三種試驗(yàn),即:維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)和顯微維氏硬度試驗(yàn)。見表3-1
表3-1維氏硬度試驗(yàn)的三種方法
試驗(yàn)力范圍/N | 硬度符號(hào) | 試驗(yàn)名稱 |
F≥49.03 | ≥HV5 | 維氏硬度試驗(yàn) |
1.961≤F<49.03 | HV0.2~<HV5 | 小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn) |
0.09807≤F<1.961 | HV0.01~<HV0.2 | 顯微維氏硬度試驗(yàn) |
維氏硬度試驗(yàn)可選用的試驗(yàn)力值很多,見表3-2。
表3-2推薦的維氏硬度試驗(yàn)力
維氏硬度試驗(yàn) | 小負(fù)荷維氏試驗(yàn)試驗(yàn) | 顯微維氏硬度試驗(yàn) | |||
硬度符號(hào) | 試驗(yàn)力/N | 硬度符號(hào) | 試驗(yàn)力/N | 硬度符號(hào) | 試驗(yàn)力/N |
HV5 | 49.03 | HV0.2 | 1.961 | HV0.01 | 0.09807 |
HV10 | 98.07 | HV0.3 | 2.942 | HV0.015 | 0.1471 |
HV20 | 196.1 | HV0.5 | 4.903 | HV0.02 | 0.1961 |
HV30 | 294.2 | HV1 | 9.807 | HV0.025 | 0.2452 |
HV50 | 490.3 | HV2 | 19.61 | HV0.05 | 0.4903 |
HV100 | 980.7 | HV3 | 29.42 | HV0.1 | 0.9807 |
注:1.維氏硬度試驗(yàn)可使用大于980.7N的試驗(yàn)力; |
試驗(yàn)力的選擇要根據(jù)試樣種類、試樣厚度和預(yù)期的硬度范圍而定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,試樣或試驗(yàn)層的厚度至少為壓痕對(duì)角線長度的1.5倍。試驗(yàn)后試樣背面不應(yīng)出現(xiàn)可見的變形痕跡。
3.4 維氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)
維氏硬度試驗(yàn)的壓痕是正方形,輕廓清晰,對(duì)角線測(cè)量準(zhǔn)確,因此,維氏硬度試驗(yàn)是常用硬度試驗(yàn)方法中精度zui高的,同時(shí)它的重復(fù)性也很好,這一點(diǎn)比布氏硬度計(jì)*。
維氏硬度試驗(yàn)測(cè)量范圍寬廣,可以測(cè)量目前工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料,從很軟的材料(幾個(gè)維氏硬度單位)到很硬的材料(3000個(gè)維氏硬度單位)都可測(cè)量。
維氏硬度試驗(yàn)zui大的優(yōu)點(diǎn)在于其硬度值與試驗(yàn)力的大小無關(guān),只要是硬度均勻的材料,可以任意選擇試驗(yàn)力,其硬度值不變。這就相當(dāng)于在一個(gè)很寬廣的硬度范圍內(nèi)具有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)尺。這一點(diǎn)又比洛氏硬度試驗(yàn)來得*。
3.5 維氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)
維氏硬度試驗(yàn)效率低,要求較高的試驗(yàn)技術(shù),對(duì)于試樣表面的光潔度要求較高,通常需要制作專門的試樣,操作麻煩費(fèi)時(shí),通常只在實(shí)驗(yàn)室中使用。
3.6 維氏硬度計(jì)的應(yīng)用
維氏硬度試驗(yàn)主要用于材料研究和科學(xué)試驗(yàn)方面小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)主要用于測(cè)試小型精密零件的硬度,表面硬化層硬度和有效硬化層深度,鍍層的表面硬度,薄片材料和細(xì)線材的硬度,刀刃附近的硬度,牙科材料的硬度等,由于試驗(yàn)力很小,壓痕也很小,試樣外觀和使用性能都可以不受影響。顯微維氏硬氏試驗(yàn)主要用于金屬學(xué)和金相學(xué)研究。用于測(cè)定金屬組織中各組成相的硬度,用于研究難熔化合物脆性等。顯微維氏硬度試驗(yàn)還用于極小或極薄零件的測(cè)試,零件厚度可薄至3μm。
里氏硬度計(jì)原理
用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面,用沖頭在距離試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度之比計(jì)算出的數(shù)值就是里氏硬度。里氏硬度計(jì)實(shí)際上是肖氏硬度計(jì)的改進(jìn)型,它們測(cè)定的都是沖擊體在試樣表面經(jīng)試樣塑性變形消耗能量后的剩余能量。
里氏硬度的計(jì)算公式如下:
HL=1000×UR/UA
式中:HL ————里氏硬度符號(hào)
UA ————球頭的沖擊速度,m/s;
UR ————球頭的反彈速度,m/s。
4.里氏硬度計(jì)特點(diǎn)
里氏硬度計(jì)儀器輕巧,測(cè)試簡(jiǎn)便,快速,讀數(shù)方便,適于檢測(cè)硬度范圍很寬的金屬材料,并且可以從不同方向進(jìn)行測(cè)試,非常適于在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大型工件、組裝件進(jìn)行硬度測(cè)試,里氏硬度計(jì)比肖氏硬度計(jì)有了很大的技術(shù)進(jìn)步。
里氏硬度計(jì)的缺點(diǎn)是這種試驗(yàn)方法在上還沒有被普遍接受,迄今還沒有被標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)采納,試驗(yàn)數(shù)據(jù)在上還缺乏來自獨(dú)立的第三方或組織方面的監(jiān)督與復(fù)核。
里氏硬度試驗(yàn)要求試樣有一定的質(zhì)量和厚度,不適于測(cè)試小工件。
里氏硬度計(jì)主要用于在現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試大型的、組裝的、不便移動(dòng)的、不允許切割試樣的工件,用于測(cè)試大型模具、大型鍛造件、鑄造件,可以靈活地測(cè)試大型工件不同部位的硬度,里氏硬度計(jì)是大型工件硬度測(cè)試上非常有效實(shí)用的檢測(cè)手段,在國內(nèi)里氏硬度計(jì)有取代肖氏硬度計(jì)的趨勢(shì)。
里氏硬度計(jì)不能測(cè)試表面硬化工件,通過耦合的辦法測(cè)試小零件往往是不可靠的,目前有被誤導(dǎo)測(cè)試小零件的傾向。對(duì)于中、小零件應(yīng)盡量采用上通用的靜態(tài)硬度測(cè)試方法。里氏硬度計(jì)試驗(yàn)與肖氏硬度試驗(yàn)相同,里氏硬度試驗(yàn)結(jié)果的比較也是于彈性模量相同或相近的材料。
一定形狀的硬鋼壓針,在標(biāo)準(zhǔn)彈簧試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面,用壓針的壓入深度確定材料硬度,定義0.01mm的壓入深度為一個(gè)韋氏硬度單位。韋氏硬度單位表示為HW。
韋氏硬度計(jì)的特點(diǎn)
韋氏硬度計(jì)是小型便攜式儀器,它體積小、重量輕、可單手操作,可快速、方便、無損地測(cè)試材料硬度,它不必取樣,對(duì)操作技能要求不高,非常適于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)材料進(jìn)行快速硬度檢測(cè)。
韋氏硬度計(jì)的缺點(diǎn)是靈敏度較差,量程較窄,全量程只有20個(gè)刻度,因此通常一臺(tái)儀器只能測(cè)試1~2種金屬材料。
韋氏硬度計(jì)的應(yīng)用
韋氏硬度計(jì)采用兩種不同形狀的壓針,兩種不同的試驗(yàn)力,它們的組合構(gòu)成三種不同型號(hào)的儀器,分別用于測(cè)試鋁合金、軟銅、硬銅、超硬鋁合金和軟鋼。韋氏硬度計(jì)適于測(cè)試具有兩個(gè)平行面的材料,例如管材、板材和型材,材料厚度zui大可達(dá)到
韋氏硬度計(jì)非常適于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)成批產(chǎn)品進(jìn)行逐件檢測(cè),盡管它的靈敏度不高,但是作為生產(chǎn)控制與合格判定儀器已經(jīng)能夠滿足要求,正是由于這個(gè)原因,韋氏硬度計(jì)在鋁加工行業(yè)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。
6.巴氏硬度計(jì)
巴氏硬度計(jì)的原理
一定形狀的硬鋼壓針,在標(biāo)準(zhǔn)彈簧試驗(yàn)力作用下,壓入試樣表面,用壓針的壓入深度確定材料硬度,定義每壓入
巴氏硬度計(jì)的特點(diǎn)
巴氏硬度計(jì)是一種可單手操作的便攜式儀器,它體積小,重量輕,可快速、方便、無損地測(cè)試材料硬度,它不必取樣,對(duì)操作技能要求不高,非常適于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和倉庫對(duì)材料進(jìn)行快速檢驗(yàn)。
巴氏硬度計(jì)有100個(gè)刻度,精度比韋氏硬度計(jì)高,它的使用不受材料厚度的限制,可以測(cè)試更厚的材料,巴氏硬度計(jì)有一個(gè)支腳,測(cè)量時(shí)要使之與壓針處于同一水平面內(nèi),以保證壓針垂直壓下,為了墊平這個(gè)支腳,在測(cè)試小尺寸工件時(shí)會(huì)有些不便。
巴氏硬度計(jì)的應(yīng)用
巴氏硬度計(jì)是韋氏硬度計(jì)的良好補(bǔ)充,它主要用于測(cè)試鋁及鋁合金,也可以測(cè)試其他軟金屬及玻璃鋼。它可測(cè)試韋氏硬度計(jì)無法測(cè)試的超大材料、超厚材料、棒材、大型鍛件、鑄件、組裝件、純鋁及低硬度鋁合金。
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