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硬度測試
閱讀：271 發(fā)布時間：2022-11-16硬度測試
硬度測試是檢測材料性能的重要指標(biāo)之一，也是速的試驗(yàn)方法之一。之所以能成為力學(xué)性能試驗(yàn)的常用方法，是因?yàn)橛捕葴y試能反映出材料在化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和處理工藝上的差異。常被作為監(jiān)督手段應(yīng)用于各行各業(yè)。例如在鋼鐵材料中，當(dāng)馬氏體形成時，由于溶入過飽和的碳原子而增大了晶格畸變，增加了錯位密度，從而顯著降低了塑性變形能力，這就是馬氏體高硬度的原因。顯然含碳量越高這種畸變程度就越大，則硬度也越高，不同含碳量的鋼在淬火后，硬度值與馬氏體量及其含碳量間在很大范圍內(nèi)有很好的對應(yīng)關(guān)系，淬火鋼回火后的硬度取決于回火溫度及保溫時間?；鼗饻囟仍礁撸貢r間越長，硬度越低。因此可以利用硬度試驗(yàn)來研究鋼的相變和作為檢測鋼鐵熱處理效應(yīng)的手段。
各種硬度測試方法
1. 塑料洛氏硬度測試
測試原理
在規(guī)定的加荷時間內(nèi)，在受試材料上面的鋼球上施加一個恒定的初負(fù)荷，隨后施加主負(fù)荷，然后在恢復(fù)到相同的初負(fù)荷。測量結(jié)果是由鋼球壓入材料的總深度，減去卸去主負(fù)荷后規(guī)定時間內(nèi)的彈性恢復(fù)以及初負(fù)荷引起的壓入深度。
術(shù)語及定義
洛氏硬度標(biāo)尺每一分度表示壓頭垂直移動0.002mm。洛氏硬度值由下式求出：
HR=130-e/0.002
HR—洛氏硬度值
e－主負(fù)荷卸除后的壓入深度
2. 邵氏硬度測試
測試程序
邵氏A型硬度測試方式：
使用邵氏A型硬度機(jī)測試，測試時需注意按照標(biāo)準(zhǔn)。
按照標(biāo)準(zhǔn)，測試環(huán)境須在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(23±2℃，50±5% R.H) 進(jìn)行，且測試前試片須在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下放置40小時以上。測試時，將試片置于硬度試驗(yàn)機(jī)平臺上。調(diào)整使壓針頭與試樣表面的距離至25.4±2.5mm，然后，施加合適力度（不沖擊被測物）使壓針頭壓在試樣上。待壓下，與測試物接觸1秒內(nèi)，立即讀取刻度值到整數(shù)字并記錄其結(jié)果。（根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，讀數(shù)時間有不同）
為了讓數(shù)值準(zhǔn)確，需量取5處且每處相距6mm以上。（部分標(biāo)準(zhǔn)取平均值作為硬度，部分取中間值）
若試驗(yàn)結(jié)果低于10或高于90則不適用此硬度試驗(yàn)機(jī)。大于90時改用邵D型硬度計(jì)。
邵氏D型硬度計(jì)：
測試方法和A型一致，但若試驗(yàn)結(jié)果低于20或高于90則不適用此硬度試驗(yàn)機(jī)。低于20時，改用邵A型硬度計(jì)。
簡單來講，邵氏A測試比較軟的材料（如橡膠），邵氏D測試比較硬的材料（如塑料）。
3.金屬洛氏硬度
測試原理
將壓頭（金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球）分兩個步驟壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除主試驗(yàn)力，測量在初試驗(yàn)力下的殘余壓痕深度h，根據(jù)h值及常數(shù)N和S計(jì)算洛氏硬度。
術(shù)語及定義
洛氏硬度=N-h/S
術(shù)語及定義Terms and Definition
初始試驗(yàn)力-------試驗(yàn)時預(yù)加載試驗(yàn)力。
主試驗(yàn)力-------使測量樣品產(chǎn)生殘余壓痕的加載。
總試驗(yàn)力-------初始試驗(yàn)力加上主試驗(yàn)力。
測試程序
洛氏硬度應(yīng)選擇在較小的溫度變化范圍內(nèi)進(jìn)行，因?yàn)闇囟茸兓赡軙υ囼?yàn)結(jié)果有影響。所以試驗(yàn)一般規(guī)定在10～35℃的室溫進(jìn)行。試樣應(yīng)平穩(wěn)地放置在剛性支承物上，并使壓頭軸線與試樣表面垂直。避免試樣產(chǎn)生位移。使壓頭與試樣表面接觸，在無沖擊和振動的情況下施加試驗(yàn)力，初試驗(yàn)力保持不應(yīng)超過3秒。將測在不小于1s且不大于8s的時間內(nèi)，從初試驗(yàn)力增加到總試驗(yàn)力，并保持4s±2s，然后卸除主試驗(yàn)力，保持初試驗(yàn)力，經(jīng)過短暫穩(wěn)定后，進(jìn)行讀數(shù)。為了讀書準(zhǔn)確，在試驗(yàn)過程中，硬度計(jì)應(yīng)避免受到任何沖擊和震動。
在多處取值時，兩相鄰壓痕中心間距離至少應(yīng)為壓痕直徑的4倍，但不得小于2mm。任一壓痕中心距試樣邊緣距離至少應(yīng)為壓痕直徑的2.5倍，但不得小于1mm。
4.金屬布氏硬度
測試原理
對一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面壓痕的直徑。布氏硬度與試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商成正比。壓痕被看作是具有一定半徑的球形，其半徑是壓頭球直徑的二分之一。
布氏硬度測試示意圖
術(shù)語及定義
試驗(yàn)力——試驗(yàn)時所用的負(fù)載。
壓痕平均直徑——兩相互垂直方向測量的壓痕直徑的算術(shù)平均值。
球直徑——壓頭中硬質(zhì)合金球的直徑。
測試程序
一般試驗(yàn)在10～35℃的室溫進(jìn)行即可，如果有對溫度要求嚴(yán)格的試驗(yàn)（視乎材料對溫度的敏感性），試驗(yàn)溫度應(yīng)為23℃±5℃。
試驗(yàn)力的選擇應(yīng)保證壓痕直徑在0.24D～0.6D之間。試驗(yàn)力－壓頭球直徑的平方的比率鞋（1.02F/D2比值）應(yīng)根據(jù)材料和硬度值選擇。
為了保證在盡可能大的有代表性的試樣區(qū)域試驗(yàn)，應(yīng)盡可能選取大直徑的壓頭；當(dāng)試樣尺寸允許時，應(yīng)優(yōu)先使用直徑為10mm的球壓頭進(jìn)行試驗(yàn)。
使壓頭與試樣表面垂直接觸，垂直于試驗(yàn)面施加試驗(yàn)力，加力過程中不應(yīng)有沖擊和震動，直至將試驗(yàn)力施加至規(guī)定值。
試驗(yàn)力保持時間為10～15秒。對特殊材料，試驗(yàn)力保持時間可以延長，但誤差應(yīng)在±2秒。
任一壓痕中心距試樣邊緣距離，至少為壓痕平均直徑的2.5倍。相鄰壓痕中心間的距離至少為壓痕直徑的3倍。應(yīng)在兩相互垂直方向測量壓痕直徑，用兩個讀數(shù)的平均值計(jì)算布氏硬度。（或按GB/T 231.4查得布氏硬度值）
布氏硬度試驗(yàn)范圍上限不大于650HBW 。
5.金屬維氏硬度
測試原理
將頂部兩相對面具有規(guī)定角度的正四棱錐體金剛石壓頭用試驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面壓痕對角線長。維氏硬度值是試驗(yàn)力除以壓痕表面積所得的商，壓痕被視為具有正方形基面并與壓頭角度相同的理想形狀。
術(shù)語及定義
試驗(yàn)力------試驗(yàn)時所用的負(fù)載。
壓痕對角線------卸載后，壓頭在被測樣品表面留下的方形或菱形壓痕的對角線。
壓頭夾角------壓頭頂部兩相對面的夾角。
測試程序
試驗(yàn)一般在10～35℃的室溫進(jìn)行。對溫度要求嚴(yán)格的試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度應(yīng)為23℃±5℃。根據(jù)試樣厚度和硬度選擇試驗(yàn)力。使壓頭與試樣表面垂直接觸，垂直于試驗(yàn)面施加試驗(yàn)力，加力過程中不應(yīng)有沖擊和震動，直至將試驗(yàn)力施加至規(guī)定值。試驗(yàn)力保持時間為10～15秒。對特殊材料，試驗(yàn)力保持時間可以延長，直至試樣不再發(fā)生塑性變形，但誤差應(yīng)在±2秒。
應(yīng)測量壓痕兩條對角線長度，用其算術(shù)平均值或通過查表得到硬度值。
放大系統(tǒng)應(yīng)能將對角線放大到視場的25%～75%。
6. 顯微維氏硬度
術(shù)語及定義
試驗(yàn)力——試驗(yàn)時所用的負(fù)載。
壓痕對角線——卸載后，壓頭在被測樣品表面留下的方形或菱形壓痕的對角線。
壓頭夾角——壓頭頂部兩相對面的夾角。
測試程序
試驗(yàn)一般在10～35℃的室溫進(jìn)行。對溫度要求嚴(yán)格的試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度應(yīng)為23℃±5℃。根據(jù)試樣厚度和硬度選擇試驗(yàn)力。使壓頭與試樣表面垂直接觸，垂直于試驗(yàn)面施加試驗(yàn)力，加力過程中不應(yīng)有沖擊和震動，直至將試驗(yàn)力施加至規(guī)定值。保持試驗(yàn)力的時間為10～15秒。對特殊材料，試驗(yàn)力保持時間可以延長，但誤差應(yīng)在±2秒。
硬度測量的影響及解決辦法
測量工作使用的儀器設(shè)備很多，每種儀器設(shè)備在使用時都有許多不利因素影響其測量值的準(zhǔn)確性。本文僅對兩種常規(guī)儀器洛氏硬度計(jì)、布氏硬度計(jì))在使用時，容易被檢測人員忽略的一些較常見的影響因素進(jìn)行針對性分析，并提出了解決辦法。
一、粗糙度的影響及解決辦法
我們知道，用臺式超級恒溫水浴測量布氏硬度時，的壓頭是鋼球壓頭，在一定的壓力下壓入被測表面而得到一個圓形壓痕，再用讀數(shù)顯微鏡測量圓形壓痕的直徑，然后在布氏硬度表中查找相應(yīng)的硬度值，即被測試樣的硬度值，而被測表面的粗糙度直接影響硬度測量值的準(zhǔn)確性。當(dāng)被測表面粗糙度值大于Ra=0.8μm時，隨著粗糙度值的增大，被測表面對壓頭的抗力愈小，其塑性變形愈大，圓形壓痕就愈大，相應(yīng)的硬度值也就愈小，致使測量值偏低于其真實(shí)值。試驗(yàn)證明，測量偏差在10HB以上(注：用臺式硬度計(jì)測量洛氏硬度時，粗糙度的影響較小，本文就不進(jìn)行分析了)。
當(dāng)我們用便攜式微電腦超聲硬度計(jì)測量硬度時，粗糙度的影響較用臺式硬度計(jì)就更大了。當(dāng)被測表面粗糙度值大于Ra=0.8μm時，隨著粗糙度值的增大，硬度計(jì)的金剛石角錐體壓頭與被測表面的接觸面積就會增大。這種接觸包括壓痕接觸和非壓痕接觸。
壓痕接觸即壓頭自身壓入被測表面后壓頭與壓痕的接觸，接觸面積也是極微小的；而非壓痕接觸是指硬度計(jì)壓頭的錐面與被測表面輪廓峰斜面的接觸。非壓痕接觸對硬度測量是不利的。因?yàn)?，微電腦超聲硬度計(jì)工作原理是借助于桿的超聲振動測量硬度的。在均勻的接觸壓力下，使桿的諧振頻率隨試樣的硬度高低而改變。若試樣的硬度愈低，壓痕接觸面積愈大，被測表面對傳感器桿壓頭的阻尼愈大，傳感器桿壓頭振動幅度就愈小，諧振頻率也就愈高。也就是說，恒溫水箱壓痕接觸面積愈大，超聲硬度計(jì)的示值愈低。而非壓痕接觸大大地增加了壓頭與被測表面的接觸面積，致使示值偏低于真實(shí)值。試驗(yàn)證明，洛氏硬度測量偏差在10HRC左右；布氏硬度測量偏差在20HB左右。
解決辦法：在測量試樣硬度時，我們必須注意被測表面粗糙度是否符合的檢測條件。在正常使用的條件下，必須保證試樣的被測表面粗糙度值小于或等于Ra=0.8μm，若試樣的被測表面粗糙度值大于Ra=0.8μm，可以通過機(jī)械方法(上磨床)或手工方法，對被測表面進(jìn)行研磨修整，使試樣的被測表面粗糙度達(dá)到檢側(cè)條件。將粗糙度影響程度降到，這樣我們才能獲得準(zhǔn)確的測量值。
二、擠壓層的影響及解決辦法
擠壓層即經(jīng)車床精車加工出來的試件表面上的一層薄薄的硬層。試件在被精車加工時，車刀同時對試件表面有一個擠壓(滾壓)作用，使精車面表層的金屬晶粒變形細(xì)化，較試件深層的金屬晶粒更細(xì)密，從而產(chǎn)生了一層薄薄的硬層。硬層厚度一般在0.3毫米左右。這一硬層致使硬度測量值偏高于真空值，對用臺式硬度計(jì)和微電腦超聲硬度計(jì)測量硬度的準(zhǔn)確性有不同程度的影響。
當(dāng)我們用臺式硬度計(jì)測量洛氏硬度時，硬度計(jì)壓頭是金剛石錐體，壓頭(錐頂直徑為0.4毫米)與被測表面的接觸面積較小。加載時，壓頭很容易穿透擠壓層，因此硬度的測量偏差較小。試驗(yàn)證明，測量偏差一般在5HRC以內(nèi)。用臺式硬度計(jì)測量布氏硬度時，硬度計(jì)壓頭是鋼球壓頭，壓頭與被測表面的接觸面積較大。加載時，壓頭必須克服擠壓層的較大阻力才能壓入被測表面，這就使壓頭的壓入量不夠，所壓得的圓形壓痕也隨之變小，致使相應(yīng)的硬度值偏高于其真實(shí)值。而且硬度的測量偏差較大。試驗(yàn)證明，硬度的測量偏差在20HB左右。另外，無論測量洛氏硬度還是布氏硬度，隨著試件自身硬度的增大，硬度的測量偏差就會減小。
擠壓層對用微電腦超聲<硬度計(jì)</A>測量硬度的準(zhǔn)確性影響。用超聲硬度計(jì)測量硬度對試件的損傷極小，基本是無損檢測。在10N試驗(yàn)負(fù)荷下，壓痕深度一般在4μm至50μm左右。而擠壓層的厚度一般在0.3毫米左右。因此，超聲硬度計(jì)的角錐體壓頭根本不能穿透擠壓層，測得的硬度值僅是擠壓層的硬度，而不是試件本身真實(shí)的硬度。擠壓層硬度高出試件真實(shí)硬度很多，如果我們忽略了這一不利因素，就會造成了很大的測量偏差。試驗(yàn)證明，洛氏硬度的測量偏差一般在5-10HRC；布氏硬度的測量偏差一般在幾十個HB解決辦法：如果我們在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)精車的試件，在測量其硬度前，必須把被測表面測量位置的擠壓層處理掉；也可以把整個被測表面的擠壓層處理掉?？梢酝ㄟ^機(jī)械方法(上磨床)或手工方法去掉擠壓層。還要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，如果我們用手工方法處理擠壓層，被測表面粗糙度有可能被破壞。如果這樣，還必須對被測表面進(jìn)行研磨修整，使試件的被測表面粗糙度達(dá)到檢測條件。這樣我們才能獲得真實(shí)可靠的測量值。
各國硬度測量標(biāo)準(zhǔn)匯編
1. GB/T231.1-2009《金屬布氏硬度試驗(yàn)第1部分：實(shí)驗(yàn)方法》
2. GB/T231.2-2009《金屬布氏硬度試驗(yàn)第2部分：硬度計(jì)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》
3. GB/T231.3-2009《金屬布氏硬度試驗(yàn)第3部分：標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定》
4. JJG150-2005《金屬布氏硬度計(jì)檢定規(guī)程》
5. JJG147-2005《標(biāo)準(zhǔn)金屬布氏硬度塊檢定規(guī)程》
6. GB/T230.1-2003 《金屬洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺)》
7. GB/T230.2-2002 《金屬洛氏硬度試驗(yàn)第2部分：硬度計(jì)(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》
8. GB/T230.3-2002 《金屬洛氏硬度試驗(yàn)第3部分：標(biāo)準(zhǔn)硬度塊(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺)的標(biāo)定》
9. JJG112-2003 《金屬洛氏硬度計(jì)(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺)檢定規(guī)程》
10. GB/T4340.1-1999 《金屬維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》
11. GB/T4340.2-1999 《金屬維氏硬度試驗(yàn)第2部分：硬度計(jì)的檢驗(yàn)》
12. GB/T4340.3-1999 《金屬維氏硬度試驗(yàn)第3部分：標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定》
13. JB/T 9329-1999 《儀器儀表運(yùn)輸、運(yùn)輸貯存基本環(huán)境條件及試驗(yàn)方法》
14. JJF1059《測量不確定度評定與表示(JJF 1059 Guide to the expression of uncertainty measurement ,ISO)》
15. GB/T13634 《試驗(yàn)機(jī)檢驗(yàn)用測力儀的校準(zhǔn)》
16. GB/ T2611-1992 《試驗(yàn)機(jī)通用技術(shù)要求》
17. JJG144-1992 《標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程》
18. ISO6506-1:1999,Metallic materials—Brinell hardness test—Part 1:Test method
19. ISO6506-2:1999,Metallic materials—Brinell hardness test—Part 2:Verification and calibration of testing machines
20. ISO6506-3:1999,Metallic materials—Brinell hardness test—Part 3:Calibration of reference blocks
21. ISO6507-1:1997,Metallic materials—Vickers hardness test—Part 1:Test method
22. ISO6507-2:1997,Metallic materials—Vickers hardness test—Part 2:Verification and calibration of testing machines
23. ISO6507-3:1997,Metallic materials—Vickers hardness test—Part 3:Calibration of reference blocks
24. ISO6508-1:1999,Metallic materials—Rockwell hardness test—Part 1:Test method(sacles A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T)
25. ISO6508-2:1999,Metallic materials—Rockwell hardness test—Part 2:Verification and calibration of testing machines(sacles A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T)
26. ISO6508-3:1999,Metallic materials—Rockwell hardness test—Part 3:Calibration of reference blocks(sacles A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T)
27. ASTM E10 Test method for Brinell hardness of Metallic materials
28. ASTM E18-03 Test methods for Rockwell hardness and Rockwell Superficial hardness of Metallic materials
29. ASTM E92 Test method for Vickers hardness of Metallic materials