材料硬度試驗方法分析

一、硬度是材料機械性能的一種整體的重要綜合指標。

硬度值不僅與材料的彈性極限、彈性模量、屈服極限、脆性、乃至于材料結晶狀態、原子間鍵結合力和原子結構等都有關系, 硬度測定的特點是不損壞工件、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準。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。使一標準質量和尺寸的物體由試驗表面彈回，取回跳高度作為硬度標準。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動的圓盤上，以磨耗率作為硬度的度量標準

7.沖蝕試驗 —— 在標準條件下將磨料沖射到試驗表面上，以在一定時間內損失的材料重量作為硬度的度量標準

定義：抵抗*壓痕的能力。

原理：在一定的時間間隔里，將硬質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。

優點：材料的硬度和其他物理特性之間存在著某種關系，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， 通常負荷采用 3000kg，保持時間 10 ~ 15 s;對軟金屬， 負荷可降至500kg。

 通常硬度和負荷的關系為：

            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在

            0.25D < d < 0.6D, 否則試驗結果無效.

   布氏硬度標記例:

 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、鋼球表面質量、負荷大小、負荷保持時間、直徑測量

                  試樣表面光潔度

三、洛氏硬度試驗（國家標準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: 初負荷（通常10kg）及總負荷（初負荷加主負荷） 60、100、150kg, 由兩次負荷壓痕深度之差, 求得洛氏硬度.

    洛氏硬度按所選壓頭和負荷不同分為15種, 以HRA、HRC、HRBzui為常用

計算公式

  h0 ---- 初負荷作用下的壓痕深度 mm.

   h1 ---- 加上主負荷并卸除, 而保留初負荷時的壓痕深度

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

        初負荷﹑總負荷﹑負荷施加速度、測深裝置的影響、總負荷保持時間的影響.

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荷除以壓痕的表面積

 P ----- 所施加的負荷 （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, 在摩擦學研究中得到廣泛的應用. 例如在測量微區硬度﹑涂層硬度﹑硬化層及擴散層的厚度等方面.

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, 在摩擦學研究中得到廣泛的應用. 例如在測量微區硬度﹑涂層硬度﹑硬化層及擴散層的厚度等方面

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荷較小, 壓痕測量也更加.

P ----- 所施加的負荷 （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荷下所得的壓痕深度相同。

硬度值是負荷與所得壓痕表面積的比, 計算公式為

      F ----- 所施加的負荷 （N）

      a ----- 壓痕邊長 （mm）

      l ----- 壓痕頂點到對邊的距離 （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。

硬度的應用

硬度與屈服極限的關系: 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的變化

表面涂層的性能

涂層厚度測量

  材料晶粒內部的機械性能的變化

研究材料的各向異性

作為半導體材料高純度和均勻度的標準

醫學上的應用: 鑒別牙質的病變（健康牙齒表面琺瑯質硬度達HV400, 內部象       牙質HV50~70左右.

研究硬度和材料流變的關系

研究陶瓷的力學效應和硬度的關系

硬度與剪切強度之間的關系

參考文獻

[美] J.H.韋斯特布魯克, H. 康拉德, 硬度試驗科學及其   

應用, 李承歐等 譯, 中國計量出版社, 1987.8.

[美] V.E.萊薩特, A.德貝利斯，硬度試驗手冊, 廖日嶽 

金文博 譯 計量出版社, 1985.5.

金屬機械性能試驗法匯編, 1975.

楊迪、李福欣編著， 顯微硬度試驗，中國計量出版社,