硬度是评定金属材料力学性能常用的指标之一。
对于金属材料的硬度,至今在国内外还没有一个包括所有试验方法的统一而明确的定义。就已经标准化的、被国内外普通采用的金属硬度试验方法而言,金属材料硬度的定义是:材料抵抗另一较硬材料压入的能力。硬度检测是评价金属力学性能迅速、经济、简单的一种试验方法。硬度检测的主要目的就是测定材料的适用性,或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。对于被检测材料而言,硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异,因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法,这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种测试方法是长用的,它们是金属硬度检测的主要测试方法。而洛氏硬度试验又是应用多的,它被广泛用于产品的检测,据统计,目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计。另一类试验方法是动态试验法,这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的及不可移动工件的硬度检测。
图1布氏硬度试验原理
HB =F / S ……………… (1-1)
=F / πDh ……………… (1-2)
=……………… (1-3)
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
布氏硬度检测的优点是其硬度代表性好,由于通常采用的是10 mm直径球压头,3000kg试验力,其压痕面积较大,能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值,而不受个别组成相及微小不均匀度的影响,因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。它的试验数据稳定,重现性好,精度高于洛氏,低于维氏。此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。
布氏硬度试验的缺点是压痕较大,成品检验有困难,试验过程比洛氏硬度试验复杂,测量操作和压痕测量都比较费时,并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差,因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验,一般要求由专门的实验员操作。
由于布氏硬度试验能够反映出试样较大范围内的综合性能,因此布氏硬度与材料的其他机械性能关系密切,尤其是与抗拉强度存在近似的换算关系:
σb=K·HB ……………… (1-6)
式中:σb—抗拉强度值,MN/m2;
K—常数,不同材料有不同的数值。
通过测试布氏硬度可以间接得到材料的抗拉强度。这一点在生产实际中具有重大意义。可以通过测量硬度的方法得到近似的强度值,这样既可以提高工作效率,又可以节省材料。
部分金属材料的换算关系如1-3表所示。
材料 | 布氏硬度值 | 近似换算关系 |
钢 | 125~175 >175 | σb≈0.343HB×10MN/m2 σb≈0.363HB×10MN/m2 |
铸铝合金 | | σb≈0.26HB×10MN/m2 |
退火黄铜、青铜 | | σb≈0.55HB×10MN/m2 |
冷加工后的黄铜、青铜 | | σb≈0.40HB×10MN/m2 |
洛氏硬度标尺 | 硬度符号 | 压头类型 | 初试验力F0(N) | 主试验力F1(N) | 总试验力F0+ F1(N) | 适用范围 |
A | HRA | 120°金刚石圆锥 | 98.07 | 490.3 | 588.4 | 20~88HRA |
B | HRB | 1.5875mm钢球 | 98.07 | 882.6 | 980.7 | 20~100HRB |
C | HRC | 120°金刚石圆锥 | 98.07 | 1373 | 1471 | 20~70HRC |
D | HRD | 120°金刚石圆锥 | 98.07 | 882.6 | 980.7 | 40~77HRD |
E | HRE | 3.175mm钢球 | 98.07 | 882.6 | 980.7 | 70~100HRE |
F | HRF | 1.5875mm钢球 | 98.07 | 490.3 | 588.4 | 60~100HRF |
G | HRG | 1.5875mm钢球 | 98.07 | 1373 | 1471 | 30~94HRG |
H | HRH | 3.175mm钢球 | 98.07 | 490.3 | 588.4 | 80~100HRH |
K | HRK | 3.175mm钢球 | 98.07 | 1373 | 1471 | 40~100HRK |
表面洛氏硬度标尺 | 硬度符号 | 压头类型 | 初试验力F0(N) | 主试验力F1(N) | 总试验力F0+ F1(N) | 适用范围 |
15N | HR15N | 120° 金刚石圆锥 | 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 | 1.5875mm 钢球 | 29.42 | 117.7 | 147.1 | 67~93HR15T |
30T | HR30T | 264.8 | 294.2 | 29~82HR30T | ||
45T | HR45T | 411.9 | 441.3 | 10~72HR45T |
3.维氏硬度计原理
采用正四棱锥体金刚石压头,在试验力作用下压入试样表面,保持规定时间后,卸除试验力,测量试样表面压痕对角线长度,见图3-1。
图3-1维氏硬度试验原理图
试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。维氏硬度值按式(3-1)计算:
HV = 常数×试验力/压痕表面积 ≈0.1891 F/d2 …………(3-1)
式中:HV ———— 维氏硬度符号;
F ―――― 试验力,N;
d ———— 压痕两对角线d1、d2的算术平均值,mm
实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。
国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.020~1.400mm
3.2 维氏硬度的表示方法
维氏硬度表示为HV,维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值,后面为试验力值。标准的试验保持时间为10~15S。如果选用的时间超出这一范围,在力值后面还要注上保持时间。例如:
600HV30—表示采用294.2N(30kg)的试验力,保持时间10~15S时得到的硬度值为600。
600HV30/20—表示采用294.2N(30kg)的试验力,保持时间20S时得到的硬度值为600。
3.3 维氏硬度试验的分类和试验力选择
维氏硬度试验按试验力大小的不同,细分为三种试验,即:维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验。见表3-1
表3-1维氏硬度试验的三种方法
试验力范围/N | 硬度符号 | 试验名称 |
F≥49.03 | ≥HV5 | 维氏硬度试验 |
1.961≤F<49.03 | HV0.2~ | 小负荷维氏硬度试验 |
0.09807≤F<1.961 | HV0.01~ | 显微维氏硬度试验 |
表3-2推荐的维氏硬度试验力
维氏硬度试验 | 小负荷维氏试验试验 | 显微维氏硬度试验 | |||
硬度符号 | 试验力/N | 硬度符号 | 试验力/N | 硬度符号 | 试验力/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.维氏硬度试验可使用大于980.7N的试验力; 2.显微维氏试验力为推荐值。 |
巴氏硬度计的原理
一定形状的硬钢压针,在标准弹簧试验力作用下,压入试样表面,用压针的压入深度确定材料硬度,定义每压入0.0076mm为一个巴氏硬度单位。巴氏硬度单位表示为HBa。
巴氏硬度计是一种可单手操作的便携式仪器,它体积小,重量轻,可快速、方便、无损地测试材料硬度,它不必取样,对操作技能要求不高,非常适于在生产现场和仓库对材料进行快速检验。
巴氏硬度计有100个刻度,精度比韦氏硬度计高,它的使用不受材料厚度的限制,可以测试更厚的材料,巴氏硬度计有一个支脚,测量时要使之与压针处于同一水平面内,以保证压针垂直压下,为了垫平这个支脚,在测试小尺寸工件时会有些不便。
巴氏硬度计的应用
巴氏硬度计是韦氏硬度计的良好补充,它主要用于测试铝及铝合金,也可以测试其他软金属及玻璃钢。它可测试韦氏硬度计无法测试的超大材料、超厚材料、棒材、大型锻件、铸件、组装件、纯铝及低硬度铝合金。
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