材料硬度試驗方法分析
一、硬度是材料機(jī)械性能的一種整體的重要綜合指標(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 —— 用以測定材料對*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 —— 測定材料對破裂的抗力。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 —— 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
4.回跳試驗 —— 或稱彈性回跳法,測定材料對彈性變形的抗力。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 —— 也稱搖擺試驗,測定材料對*變形的抗力。搖擺法硬度
6.磨損試驗 —— 將試樣壓在一正在轉(zhuǎn)動的圓盤上,以磨耗率作為硬度的度量標(biāo)準(zhǔn)
7.沖蝕試驗 —— 在標(biāo)準(zhǔn)條件下將磨料沖射到試驗表面上,以在一定時間內(nèi)損失的材料重量作為硬度的度量標(biāo)準(zhǔn)
定義:抵抗*壓痕的能力。
原理:在一定的時間間隔里,將硬質(zhì)壓頭壓入所要測試的金屬表面,然后測量壓痕的深度
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。
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 (國標(biāo)GB231-63) 測量
將一定直徑(10mm、 5mm、 2.5mm)的鋼球在一定載荷下壓入金屬, 保持一定時間后卸載, 測量壓痕直徑, 按下列公式計算硬度值 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)
壓痕直徑是在兩個相互垂直方向上測量的平均值。
對鋼鐵材料, 通常負(fù)荷采用 3000kg,保持時間 10 ~ 15 s;對軟金屬, 負(fù)荷可降至500kg。
通常硬度和負(fù)荷的關(guān)系為:
3000kg BHN 96 - 600
1500kg BHN 48 - 300
500kg BHN 16 - 100
試樣厚度一般不小于壓痕深度的10倍, 試驗后壓痕直徑的大小應(yīng)在
0.25D < d < 0.6D, 否則試驗結(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)荷保持時間、直徑測量
試樣表面光潔度
三、洛氏硬度試驗(國家標(biāo)準(zhǔn)GB230-63)
測量: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、HRBzui為常用
洛氏硬度 | HRA | HRC | HRB |
采用壓頭 | 金剛石圓錐(120O) | 金剛石圓錐(120O) | 1.588mm鋼球 |
總負(fù)荷 | 60kg | 150kg | 100kg |
常用范圍 | 70 - 85 | 20 – 67 | 25 – 100 |
大致相當(dāng)于維氏硬度 | 390 – 900 | 240 - 900 | 60 – 240 |
應(yīng)用 | 薄板、硬質(zhì)合金`表面淬火等 | 淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等 | 低中碳鋼、退火鋼、銅合金、硬鋁合金等 |
計算公式
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、測深裝置的影響、總負(fù)荷保持時間的影響.
測量: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 ----- 壓痕對角線的平均值 (mm)
影響因素: 金剛石壓頭相對兩面夾角、負(fù)荷大小及施加速度﹑顯微鏡刻度誤差﹑壓痕測量誤差.
顯微硬度試驗是研究材料表面﹑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(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, 所不同的是試驗所施加的負(fù)荷較小, 壓痕測量也更加.。
通常其壓痕深度約為對角線長度的1/7。
P ----- 所施加的負(fù)荷 (gf)
d ----- 壓痕對角線的平均值 (mm)
θ---- 金剛石相對面的夾角 (136o)
五、顯微硬度試驗分析
顯微硬度試驗是研究材料表面﹑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(1939年)
采用136o 金剛石長棱形壓頭, 兩長棱夾角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, 所不同的是試驗所施加的負(fù)荷較小, 壓痕測量也更加.
P ----- 所施加的負(fù)荷 (gf)
d ----- 壓痕對角線長度 (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, 計算公式為
F ----- 所施加的負(fù)荷 (N)
a ----- 壓痕邊長 (mm)
l ----- 壓痕頂點(diǎn)到對邊的距離 (mm ) l=0.866a
多用于測量非脆性的高硬度材料, 其壓痕深度h為其邊長a的0.135倍。
硬度的應(yīng)用
硬度與屈服極限的關(guān)系: 對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)
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金文博 譯 計量出版社, 1985.5.
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楊迪、李福欣編著, 顯微硬度試驗,中國計量出版社,