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材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對外界物體入侵的局部抵抗能力,是比較各種材料軟硬的指標。由於規定了不同的測試方法,所以有不同的硬度標準。各種硬度標準的力學含義不同,相互不能直接換算,但可通過試驗加以對比。早在1822年,Friedrich mohs提出用10種礦物來衡量世界上最硬的和最軟的物體,這是所謂的摩氏硬度計。硬度試驗是機械性能試驗中最簡單易行的一種試驗方法。為了能用硬度試驗代替某些機械性能試驗,生產上需要一個比較準確的硬度和強度的換算關係。

1 硬度 -簡介

硬度
硬度
 材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度, 固體對外界物體入侵的局部抵抗能力,是比較各種材料軟硬的指標。由於規定了不同的測試方法,所以有不同的硬度標準。各種硬度標準的力學含義不同,相互不能直接換算,但可通過試驗加以對比。硬度分為:①划痕硬度。主要用於比較不同礦物的軟硬程度,方法是選一根一端硬一端軟的棒,將被測材料沿棒劃過,根據出現划痕的位置確定被測材料的軟硬。定性地說,硬物體劃出的划痕長,軟物體劃出的划痕短。②壓入硬度。主要用於金屬材料,方法是用一定的載荷將規定的壓頭壓入被測材料,以材料表面局部塑性變形的大小比較被測材料的軟硬。由於壓頭、載荷以及載荷持續時間的不同,壓入硬度有多種,主要是布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等幾種。③回跳硬度。主要用於金屬材料,方法是使一特製的小錘從一定高度自由下落衝擊被測材料的試樣,並以試樣在衝擊過程中儲存(繼而釋放)應變能的多少(通過小錘的回跳高度測定)確定材料的硬度。
早在1822年,Friedrich mohs提出用10種礦物來衡量世界上最硬的和最軟的物體,這是所謂的摩氏硬度計。按照他們的軟硬程度分為十級:
1)滑石 2)石膏 3)方解石 4)螢石 5)磷灰石 6)正長石 7)石英8)黃玉 9)剛玉 10)金剛石
各級之間硬度的差異不是均等的,等級之間只表示硬度的相對大小。
試驗鋼鐵硬度的最普通方法是用銼刀在工件邊緣上銼擦,由其表面所呈現的擦痕深淺以判定其硬度的高低。這種方法稱為銼試法這種方法不太科學。用硬度試驗機來試驗比較準確,是現代試驗硬度常用的方法。常用的硬度測定方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等測試方法。
硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標,它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力,也可表述為材料抵抗殘餘變形和反破壞的能力。硬度不是一個簡單的物理概念,而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。

2 硬度 -分類

硬度
硬度

 1、洛氏硬度
是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值指標。以0.002毫米作為一個硬度單位。當HB>450或者試樣過小時,不能採用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球,在一定載荷下壓入被測材料表面,由壓痕的深度求出材料的硬度。根據試驗材料硬度的不同,分三種不同的標度來表示:   
HRA:是採用60kg載荷和鑽石錐壓入器求得的硬度,用於硬度極高的材料(如硬質合金等)。   
HRB:是採用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球,求得的硬度,用於硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。   
HRC:是採用150kg載荷和鑽石錐壓入器求得的硬度,用於硬度很高的材料(如淬火鋼等)。
2、布氏硬度
布氏硬度(HB)一般用於材料較軟的時候,如有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵。洛氏硬度(HRC)一般用於硬度較高的材料,如熱處理后的硬度等等。布氏硬度(HB)是以一定大小的試驗載荷,將一定直徑的淬硬鋼球或硬質合金球壓入被測金屬表面,保持規定時間,然後卸荷,測量被測表面壓痕直徑。布氏硬度值是載荷除以壓痕球形表面積所得的商。一般為:以一定的載荷將一定大小的淬硬鋼球壓入材料表面,保持一段時間,去載后,負荷與其壓痕面積之比值,即為布氏硬度值(HB),單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。   測試載荷與測試鋼球的直徑需根據材料的實際性能再確定。
3、維氏硬度
維氏硬度試驗方法是英國史密斯(R.L.Smith)和塞德蘭德(C.E.Sandland)於1925年提出的。英國的維克斯—阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)公司試製了第一台以此方法進行試驗的硬度計。和布氏、洛氏硬度試驗相比,維氏硬度試驗測量範圍較寬,從較軟材料到超硬材料,幾乎涵蓋各種材料。
4、里氏硬度
里氏硬度是以HL表示,里氏硬度測試技術是由瑞士狄爾馬,里伯博士發明的,它是用一定質量的裝有碳化鎢球頭的衝擊體,在一定力的作用下衝擊試件表面,然後反彈。由於材料硬度不同,撞擊后的反彈速度也不同。在衝擊裝置上安裝有永磁材料,當衝擊體上下運動時,其外圍線圈便感應出與速度成正比的電磁信號,再通過電子線路轉換成里氏硬度值。
5、肖氏硬度
簡稱HS。表示材料硬度的一種標準。由英國人肖爾(Albert F.Shore)首先提出。應用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發生回跳。撞銷是一隻具有尖端的小錐,尖端上常鑲有金剛鑽。測試數值為1000x撞銷返回速度/撞銷初始速度(即為碰撞前後的速度比乘以1000)。
6、巴氏硬度
巴柯爾(Barcol)硬度(簡稱巴氏硬度), 最早由美國 Barber-Colman公司提出,是近代國際上廣泛採用的一種硬度門類, 一定形狀的硬鋼壓針,在標準彈簧試驗力作用下,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0.0076mm為一個巴氏硬度單位。巴氏硬度單位表示為HBa。
7、努氏硬度
努氏硬度是作為絕對數值而測得的硬度,主要在加工方面使用該數值。一般來說,金剛石的努氏硬度為7000~8000千克/平方毫米
8、韋氏硬度
定形狀的硬鋼壓針,在標準彈簧試驗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的壓入深度為一個韋氏硬度單位。韋氏硬度單位表示為HW。

3 硬度 -測試種類

1. HRA:(洛氏A)用於量測熱處理硬質鋼材、氮化物、滲碳冶鍊物、軸承鋼、工具鋼及其它軟硬材質的硬度測試。
2. HK:(Knoop 努氏)用於量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。
3. HRC:(Rockwell C洛氏)用於量測熱處理鋼材、氮化物、滲碳冶鍊物、軸承鋼、工具鋼等。
4. HRB:(Rockwell B洛氏)用於量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。
5. HR30T:(Rockwell 30T洛氏) 用於量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。
6. HB5:(Brinell 布氏5)用於量測鋁、軟質鋁合金、鑄鐵、銅、黃銅等。
7. HB30:(Brinell 布氏30)用於熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。
8. HV:(Vickers維氏)適用於量測各類材料。
9. R:(Tensile module拉伸模數 N/mm2)用於熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。
10. HR15N:(Rockwell 洛氏HR15N)用於量測熱處理硬質鋼材、氮化物、滲碳冶鍊物、軸承鋼、工具鋼等。

4 硬度 -測定方法

硬度
硬度
 一、實驗內容
1、金屬布氏硬度實驗。
2、金屬洛氏硬度實驗。
3、金屬維氏硬度實驗和顯微維氏硬度實驗。
二、實驗目的及要求
該實驗的目的是使學生熟悉金屬布氏、洛氏、維氏硬度計的使用方法,鞏固硬度試驗方法的理論知識,掌握各種硬度計的結構原理、操作方法及注意事項。要求學生具有踏實的理論知識,同時也具有嚴謹、一絲不苟的作風。
三、實驗條件及要求
(一)實驗條件
布氏硬度計、洛氏硬度計、維氏硬度計和顯維硬度計,讀數放大鏡,標準硬度塊。推薦試樣用材:灰鑄鐵、硬質合金、經滲氮后的 38CrMoAl、經滲碳淬火后的20 鋼、經調質處理的45 鋼、淬火低溫回火的T12 鋼、黃銅。
(二)要求
製備試樣過程中不得使試樣因冷、熱加工影響試驗面原來的硬度。試驗面應為光滑的平面,不應有氧化皮及污物,試驗面的粗糙度因試驗方法不同而不同:測布氏硬度、洛氏硬度時,Ra≤0.8μm;測維氏硬度時,Ra≤0.2μm;測小負荷維氏硬度和顯維硬度時,Ra≤0.1μm、如果測定相的硬度時,試驗面應進行拋光和腐蝕製成金相試樣。試驗時,應保證試驗力垂直作用於試驗面上,保證試驗面不產生變形、撓曲和振動。試驗應在10~35℃溫度範圍內進行。不同硬度試驗對試樣及試驗操作尚有具體要求。
四、實驗相關知識點
1、硬度試驗原理。
2、對試樣的要求。
3、硬度試驗方法的選擇。
4、各種硬度計的結構原理、操作方法及注意事項。
5、試驗數據的獲得。
6、不同硬度試驗方法的關係。
五、實驗實施步驟
(一)金屬布氏硬度試驗
金屬布氏硬度值是單位壓痕表面積所承受的外力。
1、試驗規範的選擇
布氏硬度試驗時應根據測試材料的硬度和試樣厚度選擇試驗規範,即壓頭材料與直徑、F/D2 值、試驗力F 及試驗力保持時間t。
1)壓頭材料與直徑的選擇 壓頭有淬火鋼球和硬質合金球兩種。淬火鋼球適用於測量450HBS 以下材料(如熱軋或正火、退火鋼材,灰鑄鐵,有色金屬及其合金等)的硬度,硬質合金壓頭適用於測量450HBS 以上材料(如調質鋼、淬火鋼)的硬度。球體直徑D 的選擇按GB231-2003《金屬布氏硬度試驗方法》有五種,即10mm、5mm、2.5mm、2mm 和1mm。壓頭直徑可根據試樣厚度選擇,見壓頭直徑、壓痕平均直徑與試樣最小厚度關係表。選擇壓頭直徑時,在試樣厚度允許的條件下盡量選用10mm 球體作壓頭,以便得到較大的壓痕,使所測的硬度值具有代表性和重複性,從而更充分地反映出金屬的平均硬度。
2)F/D2、試驗力F 及試驗力的選擇 F/D2 比值有七種:30、15、10、5、2.5、1.25和1,其值主要根據試驗材料的種類及其硬度範圍來選擇。球體直徑D 和F/D2 比值確定后,試驗力F 也就確定了。試驗須保證壓痕直徑d 在(0.24~0.6)D 範圍內,試樣厚度為壓痕深度10 倍以上。
3)試驗力保持時間t 的選擇 試驗力保持時間t 主要根據試樣材料的硬度來選擇。黑色金屬:t=10~15s;有色金屬:t=(30±2)s;<35HBS 的材料:t=(60±2)s。
2、布氏硬度試驗過程
1)試驗前,應使用與試樣硬度相近的二等標準布氏硬度塊對硬度計進行校對,即在硬度塊上不同部位測試五個點的硬度,取其平均值,其值不超過標準硬度塊硬度值的±3%方可進行試驗,否則應對硬度計進行調整、修理。
2)接通電源,打開電源開關。將試樣安放在試驗機工作台上,轉動手輪使工作台慢慢上升,使試樣與壓頭緊密接觸,直至手輪與螺母產生相對滑動。同時應保證試驗過程中試驗力作用方向與試驗面垂直,試樣不發生傾斜、移動、振動。啟動按鈕開關,在施力指示燈亮的同時迅速擰緊壓緊螺釘,使圓盤隨曲柄一起迴轉,直至自動反向轉動為止,施力指示燈熄滅。從施力指示燈亮到熄滅的時間為試驗力保持時間,轉動手輪取下試樣。
3)用讀數顯微鏡在兩個互相垂直的方向測量出試樣表面的壓痕直徑d1 。
4)重複以上操作,至少測三個點,取壓痕直徑的算術平均值作為壓痕直徑d。
5)根據壓痕直徑d 計算或查表求得布氏硬度值。測量布氏硬度時,應保證:試樣厚度至少為壓痕深度的10 倍,試驗后支撐面應無可見變形痕迹;壓痕中心至試樣邊緣的距離應不小於壓痕平均直徑的2.5 倍;兩相鄰壓痕中心距離不小於壓痕平均直徑的4 倍;當試樣硬度小於35HBS 時,上述距離分別為壓痕平均直徑的3 倍和6 倍。
(二)金屬洛氏硬度試驗
1、金屬洛氏硬度試驗方法
金屬洛氏硬度試驗常用的三種標尺HRA、HRB、HRC 的壓頭有兩種:頂角為120º的金剛石圓錐體和Ф1.588mm(1/16″)的淬火鋼球。所施加的外力有兩類:初試驗力(98.1N)和主試驗力。初試驗力是為了使壓頭與試驗表面緊密接觸,避免因試樣表面不平整而影響試驗結果的準確性,主試驗力使試樣表面產生所需壓痕。試驗時先施加初試驗力,然後施加主試
驗力。卸除主試驗力后,將會在試樣表面上留下主試驗力引起的塑性變形而產生的壓痕。如壓痕深度為h,則洛氏硬度值為:HR=k-(h/0.002)=k-e, k 值因壓頭不同而異:金剛石圓錐體壓頭時,k=100;淬火鋼球壓頭。K=130。
2、金屬洛氏硬度試驗過程
1)試驗前,應對硬度計進行校對,方法與布氏硬度計的校對方法相同。要求平均硬度值不超過標準塊硬度值的±1%~1.5%時,方可進行試驗,否則,應對硬度計進行調整、修理。
2)將試樣穩定地放置在試驗機工作台上,旋轉硬度計手輪使工作台和試樣一起上升,試樣表面與壓頭接觸後繼續轉動手輪,度盤指針開始轉動,說明已開始施加初試驗力,至98.1N(10kgf,指針達到規定標誌)時,停止轉動手輪。3)調整錶盤使指針指向零點(測HRB 時對準「30」 )時后,在4~8s 內施加完主應力。
4)試驗力的保持時間以指針基本停止移動為準開始計算時間,其時間推薦如下:施加試驗力后不隨試樣繼續變形的試樣,保持時間為≤2s;加試驗力后隨時間慢慢變形的試樣,保持時間為6~8s;加試驗力后隨時間有明顯變形的試樣,保持時間為20~25s。
5)在2s 內平穩地卸除主試驗力,保持初試驗力。
6)從相應的標尺刻度上讀出硬度值,精確度應為0.5 刻度。
7)重複以上操作,對每個試樣的試驗次數不得少於4 次(第一次不計)。
8)採用讀數範圍作為硬度值或採用讀數的算術平均值作為硬度值。測量試樣的洛氏硬度值時,每次更換壓頭、載物台或支座后的最初兩次試驗結果不能採用。保證相鄰壓痕中心距及壓痕中心至邊緣距離均不小於3mm。
(三)金屬維氏硬度試驗
1、金屬維氏硬度試驗方法
金屬維氏硬度試驗方法與布氏硬度試驗方法基本相同,也是根據壓痕單位表面積所承受的試驗力來表示硬度值,不同之處是維氏硬度試驗所用壓頭是兩對面夾角為136º的金剛石正四稜錐體。對試樣施力后,將在試樣表層壓出一個正四稜錐形的壓痕,保持規定時間卸除試驗力后,測量壓痕表面正方形(實際情況下可能為菱形等形狀)的對角線長度d1、d2,取其算術平均值d(d=( d1+d2)/2),由d 值可通過計算或查表可得維氏硬度值。
1)試驗方法及試驗力的選擇
維氏硬度試驗常用試驗力範圍為49.03~980.7N。使用時應根據材料的預期硬度、試樣厚度、試驗目的進行選擇。儘可能選用較大試驗力,以減小壓痕尺寸的測量誤差。
2)試驗力保持時間的選擇 試驗力保持時間因材料不同而異:黑色金屬為10~15s;有色金屬為(30±2)s。
2、金屬維氏硬度試驗過程
1)試驗前的準備工作
估計或驗證試樣或試驗層厚度至少為壓痕對角線平均長度的1.5 倍。對硬度計進行檢查。在沒有安裝試樣的狀態下啟動硬度計,檢查各部位的運轉情況,然後用二等標準硬度塊檢查硬度計的示值精度是否在允許範圍內(±3%硬度塊示值),如果超差時,應排除故障後方能進行實驗。試驗力的選擇應根據試樣厚度、預計硬度值及硬化層深度來選擇。為得到精確的試驗
結果,應盡量選用較大的試驗力,但試樣硬度大於500HV 時,不允許選用大於490.3(50kgf)的試驗力,以免損壞壓頭。當測定金屬表面處理后的硬度時,表面處理層越薄,應選擇越小的試驗力。如不知道表面層硬度時,可選擇不同級別的試驗力由小級別到大級別進行嘗試性試驗,直到兩級試驗力測出的硬度值基本相等為止,並選用小一級試驗力進行正常實驗。
2)維氏硬度試驗過程
選擇試驗力;接通電源,打開電源開關;根據所需試驗力,轉動手柄使所需試驗力數字對準標記;將試樣放在工作台上,試驗力施加時間為2~8s,此時指示燈亮,試驗力保持一段時間(黑色金屬為10~15s;有色金屬為(30±2)s),卸除試驗力,指示燈熄滅;轉動手輪使實驗表面脫離金剛石壓頭(約7mm);轉動轉盤手柄使物鏡對準壓痕,轉動手輪至能在測微目鏡中看到清晰的壓痕為止;測量壓痕兩對角線長度,取其算術平均值即為壓痕對角線長度;根據壓痕對角線長度和所用試驗力在維氏硬度換算表中查出硬度值;重複上述步驟,每個試樣至少測量三個點,且兩相鄰壓痕中心距和任一壓痕中心距試樣邊緣距離是:黑色金屬,≥2.5d;有色金屬,≥5d;同時同一壓痕對角線d1、d2,之差不超過短對角線長度的2%。
3)顯微維氏硬度試樣過程
製備試樣;調節顯微硬度計底座下面的螺釘,使圓水泡居中,將儀器的工作台處於水平位置;根據材料的情況選擇合適的試驗力和保持時間;接通電源,打開開關;將試樣放在工作台上,使之在顯微鏡的物鏡下,轉動升降手柄,調整焦距,並轉動縱、橫向微分筒,在視場里找出待測區域;通過手柄移動工作台至壓頭下(移動時試樣不要活動);施加試驗力,試驗力的施加時間不大於10s,保持10~15s;卸除試驗力,將工作台輕輕移至顯微鏡的物鏡下(移動時不要讓試樣活動);測量壓痕對角線長度,調整縱、橫微分筒和測微目鏡的鼓輪,使壓痕的稜角和目鏡中十字交叉線中心精確地重合,讀出所測數值,然後轉動鼓輪使十字交叉線中心對準壓痕的對面稜角(有時楞邊不是一直線,而是一曲線時,應以稜角頂點為準),讀出所測數值。兩值之差即為壓痕對角線長度,根據放大倍數求出壓痕對角線實際長度;根據試驗力、對角線長度在顯微維氏硬度換算表中查出硬度值;重複上述步驟,每個試樣一般不少於3 個測試點,測對角線長度時測量精度應達到0.4%或0.2μm,相鄰兩壓痕中心距離和壓痕中心至試樣邊緣應大於2.5d(d 以大壓痕的對角線計算)。
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