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硬度的测试

什么是硬度 确定一种物质的硬度有种类繁多的方法。介绍几种较常见的方法： 硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA，HRB，HRC)、维氏硬度(HV)，其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而里氏硬度（HL）、肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。 硬度的测试方法有：划痕法（莫氏）、压入法（布氏、洛氏、维氏）、动力法（里氏）。 下面介绍各种硬度测试法。 （1）莫氏硬度 这是一个最古老的测量硬度是1824年由德国矿物学家莫斯(Frederich Mohs)首先提出。应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕。用测得的划痕的深度来表示硬度：滑石(talc)1（硬度最小），石膏(gypsum)2，方解石(calcite)3，萤石(fluorite)4，磷灰石(apatite)5，正长石(feldspar;orthoclase;periclase)6，石英(quartz)7，黄玉(topaz)8，刚玉(corundum)9，金刚石(diamond)10。莫氏硬度也用于表示其他固体物料的硬度。但莫氏硬度试验不适合准确衡量，如钢或陶瓷工业材料的硬度 对于工程材料，各种手段已经发展了多年，提供精确的硬度测量。有了许多应用加载测试力和测量深度或由此产生的压痕尺寸，硬度就可宏观，微观和纳米尺度来衡量。 （2）布氏硬度 布式硬度(HB，是最早用来测试材料硬度)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。布式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(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)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)。 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。 布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。但HB应用范围较广。 （3）洛氏硬度 洛式硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。 另外： 1. HRC含意是洛式硬度C标尺， 2. HRC适用范围HRC 20－－67，相当于HB225－－650 若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。 若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB。 表面洛氏硬度试验 ： 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。 洛氏硬度（HRC）和布氏硬度（HB）具体区别和换算 1、钢材的硬度 ：金属硬度(Hardness)的代号为H。按硬度试验方法的不同， ●常规表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）硬度等，其中以HB及HRC较为常用。 ●HB应用范围较广，HRC适用于表面高硬度材料，如热处理硬度等。两者区别在于硬度计之测头不同，布氏硬度计之测头为钢球，而洛氏硬度计之测头为金刚石。 ●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)。 ●HL手提式硬度计，测量方便，利用冲击球头冲击硬度表面后，产生弹跳；利用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度，公式：里氏硬度HL=1000×VB（回弹速度）/ VA（冲击速度）。 便携式里氏硬度计用里氏（HL）测量后可以转化为：布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、肖氏（HS）硬度。或用里氏原理直接用布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）、肖氏（HS）测量硬度值。 2、HB - 布氏硬度； 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。 布式硬度(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。布式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(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)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)。 3、洛式硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。分三种不同的标度来表示：HRA、HAB、HRC。 布式硬度上限值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.洛式硬度压痕很小，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。 布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。 6.洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。） 布式硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。 7.洛式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。 布式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≈1/10HB。 硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。 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。 （4）维氏硬度和努氏（knoop）试验 维氏和努氏硬度试验（努普显微压痕硬度试验）是在布氏修改和测试用于测量薄膜涂层或渗碳零件表面硬度的硬度。有了这些测试中，金字塔是一个小钻石压入样品在外力作用下，这一点比布氏在测试中使用的少。之间的维氏和努氏试验的差异仅仅是金字塔形状的钻石压头。测试使用的维氏压头，方形金字塔是脆性材料容易出现裂纹。因此，努氏试验使用的是菱形为基础的（对角线比7.114:1）锥体压痕，制定了生产时间，但是较浅的压痕。出于同样的载荷，努氏压痕约2.8倍以上维克斯缩进。 外加载荷从10g中使用到1000克。这种低负荷量创建一个小的缩进，必须在显微镜下测量。氮化钛硬质涂层像的测量，必须采取非常高倍率（即1000倍），因为这么小的缩进。表面通常需要打磨。的印象的对角线测量，这些价值观是用于获取硬度号码（VHN接），从查找表或图表通常。维克斯测试可以用来描述非常坚硬材料，但硬度是在一个非常小的地区衡量。 这些值表示希望2500 HK25（或HV25）的含义，在25克的力载荷2500努普硬度。本努氏和维氏硬度值略有不同，但对于硬质涂层，该值是足够接近的测量误差范围内，可以互换使用。 肖氏硬度 - Shore Scleroscope hardness Shore Scleroscope（肖氏硬度，又称“邵氏硬度”）和回弹硬度测试 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。 （5）巴氏（Barcol）硬度计 1. 原理 巴氏硬度计（巴柯尔硬度计）是一种压痕式硬度计，它以特定压头在标准弹簧的压力作用下压入试样表面，以压痕的深浅表征试样硬度的高低。巴氏硬度计有100个分度，每个分度单位代表压入0.0076mm的深度。压入越深，读数越高，材料越硬。 巴氏硬度公式为： HBa=100-L/0.0076 式中:HBa—巴氏硬度符号； L —压痕深度（mm）； 0.0076—单位硬度值代表的压痕深度（mm）。 2. 特点 * 简单轻便。仪器小巧轻便，可单手操作，在任何场合，只要伸手可及，均可测试。 * 测量范围宽。典型产品934—1型既可测试很软的纯铝，又可测试很硬的超硬合金，有效测量范围相当于布氏硬度25~135HBW。 * 应用面广。巴氏硬度计有多种型号，可分别测试铝及铝合金、锌、铅、锡、玻璃钢、塑料、橡胶、皮革、木材等。 * 无需支撑。只接触试样一侧即可测试，无需移动或支撑试样，适于测试超大、超厚工件或组装件。 * 换算方便。可方便地通过查表将测量值换算成布氏、维氏、洛氏、韦氏等硬度值。 3. 应用 * 巴氏硬度计主要用于测试铝及铝合金。测试铝型材、板材、管材、棒材及铝合金铸件、锻件、机械加工零件，测试超厚铝合金材料及组装后的铝合金制品（例如铝合金门窗、幕墙、消防梯等）。相关标准：ASTM B648《巴柯尔硬度计测量铝合金硬度的试验方法》。 * 巴氏硬度计的另一主要应用是用于测试玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）和硬塑料。大部分玻璃钢制品的产品标准中都要求测试巴氏硬度。相关标准：GB/T3854—2005《增强塑料巴柯尔硬度试验方法》、ASTM D2583—07《巴氏硬度计测量硬塑料压痕硬度的试验方法》。 * 巴氏硬度计的改进型935—1、936—1可用于测试很软的金属、软塑料、皮革、橡胶、木材等。 附录： GB/T18449.1-2001金属努氏硬度试验 本试验方法（国家）标准由全国钢标准化技术委员会归口,属于金属力学性能试验方法标准技术编制范围。 努氏硬度试验是显微硬度试验中的一种,本试验方法在很小的试验力下对材料硬度进行测定,轻微的试验力所产生的压痕很小,压痕深度很浅。根据这个特点,本试验方法可用于测定尺寸很小的零件硬度,例如仪表零件、齿轮、轴尖、细丝等;可测定薄件或薄层的硬度,如刃口、镀层、扩散层等。另一重要用途是测定脆性物体如玻璃、宝石、矿物等材料的硬度,并可作为金相学、金属学和金属物理方面的研究。为了准确反映上述材料硬度特性,对此试验方法进行标准化十分必要。国际标准化组织前几年已建立了本 试验方法标准,在金属努氏硬度试验方面目前有如下四个国际标准: ISO4545-1993金属材料 努氏硬度试验 ISO4546-1993金属材料 努氏硬度计的检验 ISO4547-1993金属材料 努氏硬度计用标准块的标定 ISO10250-1994金属材料 平面努氏硬度值表 我国新制定金属努氏硬度试验标准后,与相应的国际标准均有对应关系,在试验方法方面,GB/T18449.1-2001与ISO4545-1993及ISO10250-1994等效;在硬度计方面GB/T18449.2-2001金属努氏硬度试验 第2部分:硬度计的检验与ISO4546-1993等同;在标准硬度块方面,GBPT18449.3-2001金属努氏硬度试验 第3部分:标准硬度块的标定与ISO4547-1993等同,这样就使我国金属努氏硬度试验标准全面与相应国际标准接轨。 ⒈试验原理 努氏硬度试验原理与显微维氏硬度试验原理基本相同。即将金刚石压头压入试样表面,保持一定时间后去除试验力,测量压痕对角线长度。两种试验方法的区别是:显微维氏硬度试验使用正四棱锥体金刚石压头,而努氏硬度试验使用菱形锥体金刚石压头;显微维氏硬度值是试验力除以压痕表面积所得的商,而努氏硬度值是试验力除以压痕投影面积所得的商。 努氏硬度试验方法标准中对试验原理描述如下:将顶部两相对面具有规定角度的菱形锥体金刚石压头用试验力压入试样表面,经规定保护时间后卸除试验力,测量试样表面压痕长对角线的长度。 由于努氏硬度试验中测量压痕长对角线长度,因而比显微维氏硬度压痕测量误差要小,而且在相同试验力下,努氏硬度压痕比显微维氏压痕要浅,更适于厚度很薄的材料硬度的测定。此外,由于努氏硬度压头为菱面锥体,压入试样后,经规定保持时间将试验力去除后弹性回复主要产生于短对角线方向,长对角线方向的弹性回复很微弱,可以忽略不计,因而可测得无弹性回复影响的显微硬度,故努氏硬度值是依据未经弹性回复的压痕投影面积计算的,这就具有与显微维氏硬度不同的物理意义。 ⒉硬度符号 努氏硬度用符号HK表示,与其他硬度表示顺序一样,在HK之前是硬度值,在HK后面有表示试验力的数值和试验力保持时间的数值。当试验力保持时间是常规的10～15s时,此表示可以省略,如不在此范围,则应表示出来。例如:640HK0.1表示努氏硬度值为640,所采用的试验力为0.9807N（0.9807N是由原单位制0.1kgf换算过来的,为了使硬度符号简明直观,力值仍标示以kgf为单位的数值,即0.1kgf）。由于试验力保持时间是10～15s,则上述符号不标注,如试验力保持时间是20s,则表示为640HK0.1/20。 ⒊试验装置 对于努氏硬度计的要求,用单项指标衡量,包括对试验力,压头,压痕测量装置的检查,用综合指标衡量,包括对硬度计的重复性误差和示值误差的检查。当检验前三项基本功能时,称为直接检验法,当检验后两项综合性能时,称为间接检验法。间接检验法可以独立对使用中的硬度计定期检查。 在直接校验中,试验力,压头,压痕测量装置应满足如下要求: ⑴试验力 HK0.1-HK1的试验力最大误差为±1%;对大于HK0.01而小于HK0.2的试验力为±1.5%;对小于或等于HK0.01的试验力为±2.0%。 对于硬度计工作范围内所使用的每一个试验力（表2）应在接近试验过程中主轴行程极限不少于两个位置上测量。 ①压头应是具有菱形基面的金刚石棱锥体,四个面应抛光且无表面缺陷。 ②压头相对棱间α角为172.5°±0.1°,β角为130°±0.1°。 ③金刚石锥体轴线与压头柄轴线间的夹角应不超过0.5°,相对面间任一交线长度应小于1μm。 ⑶压痕测量装置 本标准对压痕测量装置的要求在GBPT18449.2-2001中已有规定,即: ①压痕测量装置应能将压痕对角线长度估测至±0.2μm以内; ②测量装置的最大允许误差为±1.0%或0.4μm,以较大者为准。 ⑷硬度计综合指标 根据GBPT18449.2-2001的规定,检查硬度计的标准硬度块分为三个范围: ≤225HK 400HK～600HK >700HK 检验硬度计时,在每一硬度块上压出5个压痕,将各对角线值d1d2?d5按递增顺序排列,其重复性误差用d5-d1确定,当d5-d1小于0.05d时,表明硬度计合格,d=d1+?d5/5。 硬度计的示值误差用H-H确定,式中H=H1+?H5/5,H1-H5是d1～d5相对应的硬度值,H是标准块硬度值, 努氏硬度计示值误差应符合表2规定。 ⒋试验方法 试验方法部分规定了试验时环境温度范围,选择的试验力级别,试样的支承,试验力的施加及保持时间,以及压痕之间的距离,这些规定均与国际标准ISO4545相同。 关于在平面上试验用的努氏硬度值表,国际标准在ISO10250中单独给出。我国标准是在金属努氏硬度试验方法中以附录（标准的附录）的形式列出的。其结构内容完全相同。 ⑴试验力的施加 与其他硬度试验方法标准规定一样,努氏硬度试验中施加试验力之前,试样应稳固地放置在刚性和经过清洁的支承台上,使得在施加试验力过程中试样不产生任何位移。为保证试验力正确的施加,试样的放置应使试样表面与压头轴线相垂直。为使试验数据具有可比性,施加全部试验力的时间应不超过10s,并控制压头下降速度在15μmPs～70μmPs之间。试验力的保持时间在10s～15s之内,对于特殊材料,可延长试验力保持时间,为保证试验条件的一致性,试验力保持时间的误差应在±2s之内。 ⑵压痕间距 由于努氏硬度压头压出的是菱形压痕,考虑到压痕边缘周围的应变硬化区尺寸,标准中对压痕间距的规定均以压痕短对角线的倍数为准,标准中规定,任一压痕边界距试样边缘的距离对于钢、铜及铜合金至少为压痕短对角线长度的2.5倍;对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕对角线长度的3倍。两相邻压 痕之间的距离,对于钢、铜及铜合金至少应为压痕短对角线的3倍;对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕短对角线长度的6倍。 ⑶平面努氏硬度值表 在标准的附录A中,列出了平面努氏硬度值表,本表适用于压痕长对角线在0.020～0.200mm范围的试验。努氏硬度值均按公式HK=1.451FPd2计算出。在国际标准中将努氏硬度计算表单独列为一个标准,即ISO10250-1994,考虑到本表与试验方法有直接关系,故在制定本国家标准时,将硬度计算表作为GBPT18449.1的一部分,以标准附本标准引用了GBPT18449.2-2001中对努氏硬度压头的规定:录形式出现。 ⑷ 努氏硬度值的换算与比较 与其他硬度之间的换算一样,目前尚无普遍适用的方法将努氏硬度精确地换算成其它硬度值,这是由于对每种硬度试验而言硬度值是用特定的原理和计算方法导出的,因此硬度本身是一个不确定的物理量。如果必须将努氏硬度换算成其他硬度值,则要通过对比试验建立可靠的换算基础。 本标准中规定,努氏硬度试验结果的比较应在试验力相同的条件下进行,这与维氏硬度试验标准规定相同。本规定主要是考虑到试样的实际情况,实际试验材料往往在表面下不同深度处或某一厚度范围反映出不同的硬度值,用不同试验力试验的结果往往有不同程度的差异,为使试验室之间和各种来源的试验数据具有可比性,标准中作了此规定。