材料硬度试验方法分析

一、硬度是材料机械性能的一种整体的重要综合指标。

硬度值不仅与材料的弹性极限、弹性模量、屈服极限、脆性、乃至于材料结晶状态、原子间键结合力和原子结构等都有关系, 硬度测定的特点是不损坏工件、操作方便、迅速、效率高。

1.静压入试验 —— 用以测定材料对*变形的抗 力。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度

2.划痕试验 —— 测定材料对破裂的抗力。观察一种材料是否能被另一种材料划痕， 马氏划痕硬度、莫氏划痕硬度

3.犁槽试验 —— 将一钝头元件（通常为金刚石）以一定的载荷和相似条件下划过表面，以划痕宽度作为硬度的度量标准。Bierbaum硬度试验

4.回跳试验 —— 或称弹性回跳法，测定材料对弹性变形的抗力。使一标准质量和尺寸的物体由试验表面弹回，取回跳高度作为硬度标准。肖氏硬度

5.阻尼试验 —— 也称摇摆试验，测定材料对*变形的抗力。摇摆法硬度

6.磨损试验 —— 将试样压在一正在转动的圆盘上，以磨耗率作为硬度的度量标准

7.冲蚀试验 —— 在标准条件下将磨料冲射到试验表面上，以在一定时间内损失的材料重量作为硬度的度量标准

定义：抵抗*压痕的能力。

原理：在一定的时间间隔里，将硬质压头压入所要测试的金属表面，然后测量压痕的深度       

      或大小。

优点：材料的硬度和其他物理特性之间存在着某种关系，是一种非破坏性试验。

分类：宏观硬度 通常载荷在1KG 以上

      显微硬度 通常载荷小于1KG（1g-500g）

      纳米硬度 通常在更小的载荷范围

二、布氏硬度试验 （国标GB231-63） 测量

        将一定直径（10mm、 5mm、 2.5mm）的钢球在一定载荷下压入金属, 保持一定时间后卸载, 测量压痕直径, 按下列公式计算硬度值 HB:

P —— 负荷 （kgf）

S —— 压痕的球形表面积（mm2）

D —— 钢球直径（mm）

 d —— 压痕直径（mm）

 h —— 压痕深度（mm）

 压痕直径是在两个相互垂直方向上测量的平均值。

对钢铁材料， 通常负荷采用 3000kg，保持时间 10 ~ 15 s;对软金属， 负荷可降至500kg。

 通常硬度和负荷的关系为：

            3000kg       BHN 96 - 600

            1500kg       BHN 48 - 300

             500kg       BHN 16 - 100

 试样厚度一般不小于压痕深度的10倍, 试验后压痕直径的大小应在

            0.25D < d < 0.6D, 否则试验结果无效.

   布氏硬度标记例:

 HB2.5/187.5/10=190 表示 2.5mm钢球 187.5kg载荷保持10s.

                 HB350 表示 10mm钢球 3000kg载荷保持10s.

影响因素: 压头材料、钢球直径、钢球表面质量、负荷大小、负荷保持时间、直径测量

                  试样表面光洁度

三、洛氏硬度试验（国家标准GB230-63）

测量：以金刚石圆锥或钢球作压头压入金属表面, 先后两次施加载荷: 初负荷（通常10kg）及总负荷（初负荷加主负荷） 60、100、150kg, 由两次负荷压痕深度之差, 求得洛氏硬度.

    洛氏硬度按所选压头和负荷不同分为15种, 以HRA、HRC、HRBzui为常用

计算公式

  h0 ---- 初负荷作用下的压痕深度 mm.

   h1 ---- 加上主负荷并卸除, 而保留初负荷时的压痕深度

影响因素: 金刚石圆锥压头角度、金刚石圆锥压头顶端的球面半径、钢球压头直径

        初负荷﹑总负荷﹑负荷施加速度、测深装置的影响、总负荷保持时间的影响.

测量：采用136o 金刚石正方形角锥体压头。硬度值为所施加的负荷除以压痕的表面积

 P ----- 所施加的负荷 （kgf）

 d ----- 压痕对角线的平均值 （mm）

 影响因素: 金刚石压头相对两面夹角、负荷大小及施加速度﹑显微镜刻度误差﹑压痕测量误差.

显微硬度试验是研究材料表面﹑端面等微观性能的重要方法, 在摩擦学研究中得到广泛的应用. 例如在测量微区硬度﹑涂层硬度﹑硬化层及扩散层的厚度等方面.

四、维氏显微硬度试验（GB4342 - 84）

采用136o 金刚石正方形角锥体压头。硬度值为所施加的负荷除以压痕的表面积。其原理与维氏硬度原理相同, 所不同的是试验所施加的负荷较小, 压痕测量也更加.。

通常其压痕深度约为对角线长度的1/7。

P ----- 所施加的负荷 （gf）

d ----- 压痕对角线的平均值 （mm）

θ---- 金刚石相对面的夹角 （136o）

五、显微硬度试验分析

显微硬度试验是研究材料表面﹑端面等微观性能的重要方法, 在摩擦学研究中得到广泛的应用. 例如在测量微区硬度﹑涂层硬度﹑硬化层及扩散层的厚度等方面

努普（Knoop）显微硬度试验（1939年）

采用136o 金刚石长棱形压头, 两长棱夹角172.3o, 两短棱夹角130o。硬度值为所施加的负荷除以压痕的投影面积。其原理与维氏硬度原理相同, 所不同的是试验所施加的负荷较小, 压痕测量也更加.

P ----- 所施加的负荷 （gf）

 d ----- 压痕对角线长度 （mm）

别尔阔维契压头（三角形锥体压头）

此种压头是为了消除四楞锥体压头易于产生的顶端横刃而提出的， 楞与楞之间的夹角为76o54’以使该压头所获得的压痕深度与四楞锥体压头在同一负荷下所得的压痕深度相同。

硬度值是负荷与所得压痕表面积的比, 计算公式为

      F ----- 所施加的负荷 （N）

      a ----- 压痕边长 （mm）

      l ----- 压痕顶点到对边的距离 （mm ） l=0.866a

多用于测量非脆性的高硬度材料, 其压痕深度h为其边长a的0.135倍。

硬度的应用

硬度与屈服极限的关系: 对于多晶体的塑性材料 σ≈ 0.3HV.

研究摩擦磨损引起的表面性质的变化

表面涂层的性能

涂层厚度测量

  材料晶粒内部的机械性能的变化

研究材料的各向异性

作为半导体材料高纯度和均匀度的标准

医学上的应用: 鉴别牙质的病变（健康牙齿表面珐琅质硬度达HV400, 内部象       牙质HV50~70左右.

研究硬度和材料流变的关系

研究陶瓷的力学效应和硬度的关系

硬度与剪切强度之间的关系

参考文献

[美] J.H.韦斯特布鲁克, H. 康拉德, 硬度试验科学及其   

应用, 李承欧等 译, 中国计量出版社, 1987.8.

[美] V.E.莱萨特, A.德贝利斯，硬度试验手册, 廖日嶽 

金文博 译 计量出版社, 1985.5.

金属机械性能试验法汇编, 1975.

杨迪、李福欣编著， 显微硬度试验，中国计量出版社,