金屬材料物理性能測試-硬度測試

所謂硬度，就是材料抵抗更硬物壓入其表面的能力。根據(jù)試驗方法和適應(yīng)范圍的不同，硬度單位可分為布氏硬度、維氏硬度、洛氏硬度、顯微維氏硬度等許多種，不同的單位有不同的測試方法，適用于不同特性的材料或場合。

　硬度測試是檢測材料性能的重要指標(biāo)之一，也是最快速最經(jīng)濟的試驗方法之一。之所以能成為力學(xué)性能試驗的常用方法，是因為硬度測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。

　　硬度的測試方法及分類

　　硬度試驗是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗，根據(jù)受力方式，可分為壓人法和劃痕法。在壓入法中，按照加力速度不同又可分為靜態(tài)力試驗法和動態(tài)力試驗法。通常所采用的布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等均屬于靜態(tài)力試驗法，肖氏硬度、里氏硬度和錘擊布氏硬度等屬于動態(tài)力試驗法。

　　其中肖氏硬度也稱為回跳法，所以又可以分為：壓入法、彈性回跳法和劃痕法。

　　同一類方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一種材料進(jìn)行標(biāo)定。

　　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，卸除主試驗力，測量在初試驗力下的殘余壓痕深度h，根據(jù)h值及常數(shù)N和S計算洛氏硬度。

　　最常用的三種標(biāo)尺為A、B、C，即HRA、HRB、HRC，要根據(jù)實驗材料硬度的不同，選用不同硬度范圍的標(biāo)尺來表示：

　　HRA是采用60Kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度較高的材料。例如：鋼材薄板、硬質(zhì)合金。

　　HRB是采用100Kg載荷和直徑1.5875mm淬硬的鋼球求得的硬度，用于硬度較低的材料。例如：軟鋼、有色金屬、退火鋼等。

　　HRC是采用150Kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度較高的材料。例如：淬火鋼、鑄鐵等。

　　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力壓入試樣表面，保持規(guī)定時后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長。維氏硬度值是試驗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。

　　維氏硬度計測量范圍寬廣，可以測量工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料（幾個維氏硬度單位）到很硬的材料（3000個維氏硬度單位）都可測量。

　　維氏硬度測試樣品的要求大致如下：

　　試樣外表要求

　　維氏硬度試樣表面應(yīng)光滑平整，不能有氧化皮及雜物，不能有油污。

　　試樣制備的要求

　　維氏硬度試樣制備過程中，應(yīng)盡量減少過熱或者冷作硬化等因素對表面硬度的影響。

　　此外，對于小截面或者外形不規(guī)則的試樣，如球形、錐形，需要對試樣進(jìn)行鑲嵌或者使用專用平臺。

　　布氏硬度

　　測試原理：對一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕的直徑。布氏硬度與試驗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。

　　壓頭：淬火鋼球或硬質(zhì)合金鋼球。

　　載荷、壓頭直徑、保持時間是布氏硬度試驗三要素。

　　布氏硬度值單位為公斤力/mm2（N/mm2）；布氏硬度上限值為HB650，不能高于此值。

　　布氏硬度（HB）一般用于材料較軟的時候，如有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵。

　　布氏硬度范圍為8~650HBW。

　　布氏硬度的符號用HBS或HBW表示。

　　HBS表示壓頭為淬硬鋼球，用于測定布氏硬度值在450以下的材料，如軟鋼、灰鑄鐵和有色金屬等。

　　HBW表示壓頭為硬質(zhì)合金，用于測定布氏硬度值在650以下的材料。

　　顯微硬度

　　顯微硬度是指一般指加載小于0.2kgf的硬度試驗，分為顯微維氏硬度和顯微努氏硬度。

　　顯微硬度測定極小范圍內(nèi)的硬度，幾乎不損壞試樣，例如某個晶粒、組成相或夾雜物的硬度，顯微硬度可測陶瓷、玻璃、瑪瑙等脆性材料的硬度，且靈敏度高，適合評定細(xì)線材的加工硬化程度。

　　顯微硬度應(yīng)用

　?。?）金屬材料和金相的研究：廣泛用于測定金屬及合金中各組成相的硬度，剖析其對合金性能的供獻(xiàn)，為合金的正確設(shè)計提供依據(jù)。

　?。?）金屬表面層性能的研究：擴散層性能的研究，例如滲碳層，氮化層，金屬擴散層等；（表面加工硬化層性能的研究。如金屬表層受機械加工，熱加工的影響。

　?。?）晶粒內(nèi)部不均勻性的研究；

　?。?）極細(xì)薄金屬制成品硬度的測量。

　　肖氏硬度

　　原理：將規(guī)定形狀的金剛石沖頭從固定的高度h0落在試樣表面上，沖頭彈起一定高度h，用h與h0的比值計算肖氏硬度值（材料的硬度與回調(diào)高度成正比）。與前面三種靜態(tài)壓入法硬度不同，肖氏硬度是一種動態(tài)力試驗法。

　　試樣要求：試樣的質(zhì)量應(yīng)至少在0.1kg以上，厚度一般應(yīng)在10mm以上；試樣的試驗面積應(yīng)盡可能大；表面應(yīng)無氧化皮及外來污物，不應(yīng)帶有磁性。

　　表示方法：HS前數(shù)字表示硬度數(shù)值，HS后表示硬度標(biāo)尺類型。45HSC-表示C型硬度計測定的硬度值為45；45HSD—表示D型硬度計測定的硬度值為45。

　　檢測標(biāo)準(zhǔn)：

　　GB/T 231-1984金屬布氏硬度試驗方法

　　ASTME18-2015金屬材料洛氏硬度試驗方法標(biāo)

　　GB T4340.1-2009金屬維氏硬度試驗第1部分：試驗方法

　　ISO 6507-1：2005金屬維氏硬度試驗第一部分：試驗方法

　　ASTME384-16材料顯微硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法

　　ASTME10-2015金屬材料布氏硬度試驗方法