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硬度

硬度,物理学专业术语,材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力,是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法,所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同,相互不能直接换算,但可通过试验加以对比。

硬度分为:①划痕硬度。主要用于比较不同矿物的软硬程度,方法是选一根一端硬一端软的棒,将被测材料沿棒划过,根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说,硬物体划出的划痕长,软物体划出的划痕短。②压入硬度。主要用于金属材料,方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料,以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同,压入硬度有多种,主要是布氏硬度洛氏硬度维氏硬度显微硬度等几种。③回跳硬度。主要用于金属材料,方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样,并以试样在冲击过程中储存(继而释放)应变能的多少(通过小锤的回跳高度测定)确定材料的硬度。

1722年,法国的R.-A.F.de列奥米尔首先提出了极粗糙的划痕硬度测定法。此法是以适当的力使被和材料在一根由一端硬渐变到另一端软的金属棒上划过,根据棒上出现划痕的位置确定被测材料的硬度。1822年,F.莫斯以十种矿物的划痕硬度作为标准,定出十个硬度等级,称为莫氏硬度。十种矿物的莫氏硬度级依次为:金刚石(10),刚玉(9),黄玉(8),石英(7),长石(6),磷灰石(5),萤石(4),方解石(3),石膏(2),滑石(1)。其中金刚石最硬,滑石最软。莫氏硬度标准是随意定出的,不能精确地用于确定材料的硬度,例如10级和9级之间的实际硬度差就远大于2级和1级之间的实际硬度差。但这种分级对于矿物学工作者野外作业是很有用的。

用一定的载荷将规定的压头压入被测材料,根据材料表面局部塑性变形的程度比较被测材料的软硬,材料越硬,塑性变形越小。压入硬度在工程技术中有广泛的用途。压头有多种,如一定直径的钢球、金刚石圆锥、金刚石四棱锥等。载荷范围为几克力至几吨力(即几十毫牛顿至几万牛顿)。压入硬度对载荷作用于被测材料表面的持续时间也有规定。主要的压入硬度有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等。

这种硬度测定法是美国的S.P.洛克韦尔于1919年提出的,它基本上克服了布氏测定法的上述不足。洛氏硬度所采用的压头是锥角为120°的金刚石圆锥或直径为1/16英寸(1英寸等于25.4毫米)的钢球,并用压痕深度作为标定硬度值的依据。测量时,总载荷分初载荷和主载荷(总载荷减去初载荷)两次施加,初载荷一般选用10千克力,加至总载荷后卸去主载荷,并以这时的压痕深度来衡量材料的硬度。洛氏硬度记为HR,所测数值写在HB后,洛氏硬度值计算公式为:

式中h表示塑性变形压痕深度(毫米);k是规定的常量;分母中的0.002(毫米)是每洛氏硬度单位对应的压痕深度。对应于金刚石圆锥压头的k=0.20(毫米),对应于钢球压头的k=0.26(毫米)。

为了适应极宽阔的测量范围,可采用改变载荷和更换压头两种办法。不同的载荷和压头组成不同的洛氏硬度标尺,常用的标尺有A、B、C三种。标尺B用于中等硬度的金属材料,如退火的低碳钢和中碳钢、黄铜、青铜和硬铝合金;压头为直径1/16英寸的钢球;载荷为100千克力。其标尺范围是由HRB0到HRB100,硬度高于HRB100时钢球可能被压扁。标尺C用于硬度高于HRB100的材料,如淬火钢、各种淬火和回火合金钢。压头为顶角120°的金刚石圆锥;载荷为150千克力。标尺C的使用范围是从HRC20到HRC70,标尺B和C是洛氏硬度的标准标尺。标尺A用于钨、硬质合金及其他硬材料,还用于淬硬的薄钢带。由于大载荷容易损坏金刚石压头,所以载荷改为60千克力。标尺A是所有洛氏硬度标尺中唯一能在退火黄铜直到硬质合金这样广阔的硬度范围内使用的标尺。

洛氏硬度试验采用三种试验力,三种压头,它们共有9种组合,对应于洛氏硬度的9个标尺。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。最常用标尺是HRC、HRB和HRF,其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属,但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。

表面洛氏硬度试验采用三种试验力,两种压头,它们有6种组合,对应于表面洛氏硬度的6个标尺。表面洛氏硬度试验是对洛氏硬度试验的一种补充,在采用洛氏硬度试验时,当遇到材料较薄,试样较小,表面硬化层较浅或测试表面镀覆层时,就应改用表面洛氏硬度试验。这时采用与洛氏硬度试验相同的压头,采用只有洛氏硬度试验几分之一大小的试验力,就可以在上述试样上得到有效的硬度试验结果。表面洛氏硬度的N标尺适用于类似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD测试的材料;T标尺适用于类似洛氏硬度的HRB、HRF和HRG测试的材料。

HRC标尺的使用范围是20~70HRC,当硬度值小于20HRC时,因为压头的圆锥部分压入太多,灵敏度下降,这时应改用HRB标尺。尽管HRC标尺被规定的上限值为70HRC,但是当试样硬度大于67HRC时,压头尖端承受的压力过大,金刚石容易损坏,压头寿命会大大缩短,因此一般应改用HRA标尺。

HRA标尺的使用范围是20-88HRA,由美国标准ASTME140可以获得以下换算关系:

27HRA≈30HRB

60HRA≈100HRB≈20HRC

85.6HRA≈68HRC

可见,HRA标尺的测试范围涵盖了从软钢(HRB)、硬钢(HRC)到硬质合金的硬度范围。然而,事实上HRA标尺很少用于测试软钢,主要用于测试薄硬钢板、深层渗碳钢和硬质合金。在硬质合金方面,由于技术进步,有些材料硬度已达到93-94HRA,这已超出标准规定。工程上超出HRA高端的测量范围已成为惯例。HRA标尺有一个特殊用途。在使用洛氏硬度计测试钢试样时,如果不知试样是软钢还是硬钢,可先用HRA标尺试测一下,当硬度值小于60HRA时可改用HRB标尺,当硬度值大于60HRA时可改用HRC标尺。

HRB标尺的使用范围是20~100HRB,当硬度值低于20HRB时,由于钢球的压入深度过大,金属蠕变加剧,试样在试验力作用下的变形时间延长,测试值准确度降低,此时应改用HRF标尺。当硬度值大于100HRB时,因为钢球压入深度过浅,灵敏度降低,精度下降,此时应改用HRC标尺。在使用HRB标尺测试钢试样时,一个特别值得注意的地方是:当预先不知道试样是软钢还是硬钢时,决不可使用HRB标尺做测试,因为用钢球压头误测了淬火钢,钢球就可能会变形,钢球压头就会损坏,这是钢球压头损坏的主要原因。遇到这种情况时应先用金刚石压头,用HRA标尺测试一下,再决定是用HRB还是用HRC。

HRF标尺的使用范围是60~100HRF。HRF标尺是国外使用较多的一个标尺,它是测试纯铜和较软的铜合金材料很好的检测手段。但是在我国,也存在标准硬度块短缺的问题,它的应用也受到了限制。

HRG标尺适用于HRB值接近100的材料,对于铍青铜、磷青铜、可锻铸铁这些硬度范围介于HRB标尺的高端和HRC标尺低端的材料,如果改用HRG标尺,就可以大大改善测试的灵敏度,提高测试精度。

其他

1.HRC含意是洛氏硬度C标尺,

2.HRC和HB在生产中的应用都很广泛

3.HRC适用范围HRC20--67,相当于HB225--650

若硬度高于此范围则用洛氏硬度A标尺HRA。

若硬度低于此范围则用洛氏硬度B标尺HRB。

布氏硬度上限值HB650,不能高于此值。

4.洛氏硬度计C标尺之压头为顶角120度的金刚石圆锥,试验载荷为一确定值,中国标准是150公斤力。

布氏硬度计之压头为淬硬钢球(HBS)或硬质合金球(HBW),试验载荷随球直径不同而不同,从3000到31.25公斤力。

5.洛氏硬度压痕很小,测量值有局部性,须测数点求平均值,适用成品和薄片,归于无损检测一类。

布氏硬度压痕较大,测量值准,不适用成品和薄片,一般不归于无损检测一类。

6.洛氏硬度的硬度值是一无名数,没有单位。(因此习惯称洛氏硬度为多少度是不正确的。)

布氏硬度的硬度值有单位,且和抗拉强度有一定的近似关系。

7.洛氏硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示,操作方便,快捷直观,适用于大量生产中。

布氏硬度需要用显微镜测量压痕直径,然后查表或计算,操作较繁琐。

8.在一定条件下,HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为:1HRC≈10HB。

布氏硬度是瑞典工程师J.A.布里涅耳于1900年提出的。它在工程技术特别是机械和冶金工业中广泛使用。布氏硬度的测量方法是用规定大小的载荷P,把直径为D的钢球压入被测材料表面,持续规定的时间后卸载,用载荷值(千克力,1千克力等于9.80665牛顿)和压痕面积(平方毫米)之比定义硬度值。布氏硬度HB的计算式为:

式中d为压痕的直径。

1908年德国的E.迈耶尔指出,若要使不同直径的钢球在同一材料上测得同样的硬度,就需要改变载荷值,使压痕保持几何相似,相似条件为:

式中P1、D1和P2、D2分别为两组测量条件中的载荷值和钢球直径。

若D=10毫米,P=3000千克力,载荷持续时间10秒,则硬度数可直接写在布氏硬度符号后面,例如HB250。若是其他测定条件,则应将条件用小号字写在布氏硬度符号后面,例如,HB5/250/30100表示在D=5毫米、P=250千克力、载荷持续时间为30秒的条件下测得布氏硬度数为100。布氏硬度测定法只能在硬度不高于HB450的情况下使用。因为太硬的材料会使钢球明显变形。布氏硬度测定法比较费时。为了在测定时得到清晰的压痕,试样必须经过表面准备和打磨等处理。在制作完毕的机械零件上作布氏硬度测定,会由于压痕过大影响零件的正常装配和使用性能。因此布氏硬度测定法不适于检测大批量生产的零件。

布氏硬度(HB)一般用于材料较软的时候,如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度较高的材料,如热处理后的硬度等等。

布氏硬度(HB)是以一定大小的试验载荷,将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面,保持规定时间,然后卸荷,测量被测表面压痕直径。布氏硬度值是载荷除以压痕球形表面积所得的商。一般为:以一定的载荷将一定大小的淬硬钢球压入材料表面,保持一段时间,去载后,负荷与其压痕面积之比值,即为布氏硬度值(HB),单位为公斤力/mm2(N/mm2)。

测试载荷与测试钢球的直径需根据材料的实际性能再确定。

标注方法举例

150HBW10/1000/30表示压头直径为10mm的硬质合金球,在1000kgf试验力的作用下,保持30s时测得的布氏硬度值为150

维氏硬度试验方法是英国史密斯(R.L.Smith)和塞德兰德(C.E.Sandland)于1925年提出的。英国的维克斯阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)公司试制了第一台以此方法进行试验的硬度计。和布氏、洛氏硬度试验相比,维氏硬度试验测量范围较,从较软材料到超硬材料,几乎涵盖各种材料。

维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同,也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头是金刚石的正四棱锥体。试验时,在一定载荷的作用下,试样表面上压出一个四方锥形的压痕,测量压痕对角线长度,除以计算压痕的表面积,载荷除以表面积的数值就是试样的硬度值,用符号HV表示。主要用于确定钢的表面渗氮硬化程度。维氏硬度测量法所用的压头是金刚石正四棱锥(图1),它的两相对面间的夹角为136°,载荷有5、10,20、30、50、100千克力等几种,用压出的四棱锥压痕表面积除载荷所得的值作为维氏硬度值,记为HV,即

式中P为载荷;S为压痕对角线长度(毫米);

用于测定上述硬度的仪器以英国维克斯-阿姆斯特朗公司制造的应用较广,故得名为维氏硬度。

主要用于确定很薄的材料、细金属丝、小型精密零件(如钟表和仪表零件)的硬度,测定淬硬表面的硬度变化率,研究小面积内硬度的变化以及在金相学中研究金属中不同相体的硬度等。测量方法与维氏硬度基本相同,但载荷很小,以克力计数;压痕的特征尺寸也很小,需要用读数显微镜测出,故得名。1939年,英国国家标准局决定采用F.努普、C.G.彼得斯和W.B.埃默森提出的菱形金刚石四棱锥压头(称为努普压头,见图2)。其压痕长对角线L和短对角线长度W之比大约为7:1,压痕深度约为L的1/30,故在压痕较浅的情况下也能较精确地测出长对角线的长度。用努普压头测定的显微硬度数又称努普硬度数。在显微硬度测定中也允许使用普通的136°金刚石正四棱锥压头 [1]

显微硬度的符号以HM表示,若用努普压头,则努普硬度数为:

式中P以千克力为单位;L表示菱形压痕的长对角线长度(毫米);CP是一个常数,其值与L和压痕投影面积之比有关。若用136°正四棱锥压头,则

式中P为载荷,常用的载荷有2、5、10、50、100、200克力等几种;S为正方形压痕的对角线长度,以微米为单位,由显微硬度计上的读数显微镜测出。

里氏硬度是以HL表示,里氏硬度测试技术是由瑞士狄尔马,里伯博士发明的,它是用一定质量的装有碳化钨球头的冲击体,在一定力的作用下冲击试件表面,然后反弹。由于材料硬度不同,撞击后的反弹速度也不同。在冲击装置上安装有永磁材料,当冲击体上下运动时,其外围线圈便感应出与速度成正比的电磁信号,再通过电子线路转换成里氏硬度值。

标注方法举例

640HV

也称回跳硬度,简称HS。表示材料硬度的一种标准。由英国人肖尔(AlbertF.Shore)于1906年研究淬火钢的硬度测定法时提出的。

肖氏硬度测定法的测量原理是:用重量为1/12盎司力(1盎司力等于0.2780牛顿)的带有金刚石圆头或钢球的小锤,从10英寸的高度自由落下,使小锤以一定的动能冲击试样表面。小锤的部分动能转变成试样表面塑性变形功而被消耗;另一部分转变为弹性应变能被试样储藏。试样弹性变形恢复时释放出能量,使小锤回跳一定高度。被测物越硬则弹性极限越高,储藏的弹性应变能越多,小锤回跳得越高。回跳硬度的符号是HS,它以小锤回跳高度进行分度。回跳硬度数只能在弹性模量相同的材料之间进行比较,否则就会得出橡皮比钢更硬的结论。压入硬度的测量属于静力测定法,而回跳硬度的测量则属于动力测定法。

柯尔(Barcol)硬度(简称巴氏硬度),最早由美国Barber-Colman公司提出,是近代国际上广泛采用的一种硬度门类,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。

努氏硬度是作为绝对数值而测得的硬度,主要在加工方面使用该数值。一般来说,金刚石的努氏硬度为7000~8000千克/平方毫米

一定形状的硬钢压,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0.01mm的压入深度为一个韦氏硬度单位。韦氏硬度单位表示为HW。

实践证明,金属材料的各种硬度值之间,硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的,材料的强度越高,塑性变形抗力越高,硬度值也就越高。

压入法(布氏、洛氏、维氏)测量硬度,硬度值表示材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形的能力。

回跳法(肖氏、里氏)测量硬度,硬度值代表金属弹性变形功能的大小。

刻划法测量硬度,硬度值表示金属抵抗表面局部破裂的能力。

硬度测定范围:

HS<100

HBW 3 ~ 660

HRC 20~70 , HRA 20~88, HRB 20~100

HR15N 70~94,HR30N 42~86,HR45N 20~77

HR15T 67~93,HR30T 29~82,HR45T 10~72

HV<4000

另外,天然水中的钙镁含量也用硬度表示.我国规定的硬度是:1L水中含的钙盐,镁盐折合成CaO和MgO的总量相当于10mgCaO(将MgO也换算成CaO)时,其硬度是1°.

水的硬度水质的重要指标,通常分为五类:

1. HRA:(洛氏A)用于量测热处理硬质钢材、氮化物、渗碳冶炼物、轴承钢、工具钢及其它软硬材质的硬度测试

2. HK:(Knoop 努氏)用于量测较软材质的钢及非铁材料之硬度。

3. HRC:(Rockwell C洛氏)用于量测热处理钢材、氮化物、渗碳冶炼物、轴承钢、工具钢等。

4. HRB:(Rockwell B洛氏)用于量测较软材质的钢及非铁材料之硬度。

5. HR30T:(Rockwell 30T洛氏) 用于量测较软材质的钢及非铁材料之硬度。

6. HB5:(Brinell 布氏5)用于量测铝、软质铝合金铸铁黄铜等。

7. HB30:(Brinell 布氏30)用于热处理钢、退火深冷处理钢材、冲拉材料钢、深冲钢带料等。

8. HV:(Vickers维氏)适用于量测各类材料。

9. R:(Tensile module拉伸模数 N/mm2)用于热处理钢、退火深冷处理钢材、冲拉材料钢、深冲钢带料等。

10. HR15N:(Rockwell 洛氏HR15N)用于量测热处理硬质钢材、氮化物、渗碳冶炼物、轴承钢工具钢等。

洛氏硬度

采用测量压入深度的方式,硬度值可直接读出,操作简单快捷,工作效率高。然而由于金刚石压头的生产及测量机构精度不佳。

特点:

1.测量迅速简便,效率高;

2.试验力小,压痕小;

3.可测定各种材料的硬度;

4.可测定较薄工件的硬度;

5.可测成品;

6.测量精度低,需要多次测量取平均值。

维氏硬度

代号:HV

简介:维氏硬度 英文词条名:Vickers-hardness 表示材料硬度的一种标准。由英国科学家维克斯首先提出。以49.03~980.7N(5kg~10kg)的负荷,将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后,用测量压痕对角线长度,再按公式来计算硬度的大小。它适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。维氏硬度尚有小负荷维氏硬度,试验负荷1.961~<49.03N,它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定;显微维氏硬度,试验负荷<1.961N,适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。

HV-适用于显微镜分析。维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面,用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值,即为维氏硬度值(HV)。

维氏硬度计算公式为:

P为载荷,如10kg。 d为压痕对角线长度(mm)。 HV10

维氏硬度计测量范围宽广,可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料,从很软的材料(几个维氏硬度单位)到很硬的材料(3000个维氏硬度单位)都可测量。

测试样图:

陶瓷抛光样品压痕光学显微镜照片(对角线d)

布氏硬度

具有较大的压头和较大的试验力,得到压痕较大,因而能测出试样较大范围的性能。与抗拉强度有着近似的换算关系。测量结果较为准确。对材料表面破坏较大,不适合测量成品。测量过程复杂费事。适合测量灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料,适用于原料及半成品硬度测量。

对于测量精度,维氏大于布氏,布氏大于洛氏。

特点:

1.试验力大,压痕大,准确性高;

2.测量效率低;

3.不宜测量太小或太薄的试样;

4.不宜测高硬度材料;

5.不宜测成品。

显微硬度

压痕极小,可以归为无损检测一类;适用于测量诸如钟表较微小的零件,及表面渗碳、氮化等表面硬化层的硬度。除了正四棱锥金刚石压头之外,还有三角形角锥体、双锥形、船底形、双柱形压头,适用于测量特殊材料和形状的硬度。

努氏硬度

努氏硬度测量精度比维氏硬度还要高,而且同样试验力下,比维氏硬度压入深度较浅,适合测量薄层硬度。再加上努氏压头作用下压痕周围脆裂倾向性小,适合测量高硬度金属陶瓷材料,人造宝石及玻璃、矿石等脆性材料。

肖氏硬度

肖氏硬度 - Shore scleroscope hardness .

操作简单,测量迅速,试验力小,基本不损坏工件,适合现场测量大型工件,广泛应用于轧辊及机床、大齿轮、螺旋桨等大型工件。肖氏硬度是轧辊重要指标之一。

简称HS。表示材料硬度的一种标准。由英国人肖尔(Albert F.Shore)首先提出。

应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳。撞销是一只具有尖端的小锥,尖端上常镶有金刚钻。用测得的撞销回跳的高度来表示硬度。

肖氏硬度试验是一种动态力试验,与布、洛、维等静态力试验法相比,准确度稍差,受测试时的垂直性,试样表面光洁度等因素的影响,数据分散性较大,其测试结果的比较只限于弹性模量相同的材料。它对试样的厚度和重量都有一定要求,不适于较薄和较小试样,但是它是一种轻便的手提式仪器,便于现场测试,其结构简单,便于操作,测试效率高。

肖氏硬度计适用于测定黑色金属和有色金属的肖氏硬度值。肖氏硬度计便于携带,特别适用于冶金、重型机械行业中的中大型工件,例如大型构件、铸件、锻件、曲轴、轧辊、特大型齿轮、机床导轨等工件。在橡胶、塑料行业中常称作邵氏硬度

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