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硬度计的原理及其内部材料的关系

2021-01-04 10:17:20 昆山禄凯精密仪器有限公司 阅读

硬度反映了材料弹塑性变形特性,是一项重要的力学性能指标。

与其他力学性能的测试方法相比,硬度试验具有下列优点:试样制备简单,可在各种不同尺寸的试样上进行试验,试验后试样基本不受破坏;设备简便,操作方便,测量速度快;硬度与强度之间有近似的换算关系,根据测出的硬度值就可以粗略地估算强度极限值。所以硬度试验在实际中得到广泛地应用。

硬度测定是指反一定的形状和尺寸的较硬物体(压头)以一定压力接触材料表面,测定材料在变形过程中所表面出来的抗力。有的硬度表示了材料抵抗塑性变形的能力(如不同载荷压入硬度测试法),有的硬度表示材料抵抗弹性变形的能力(如肖氏硬度)。通常压入载荷大于9.81N(1kgf)时测试的硬度叫宏观硬度,压力载荷小于9.81N(1kgf)时测试的硬度叫微观硬度。前者用于较在尺寸的试件,希反映材料宏观范围性能;后者用于小而薄的试件,希反映微小区域的性能,如显微组织中不同的相的硬度,材料表面的硬度等。

硬度计的种类很多,这里重点介绍最常用的洛氏、布氏、维氏和显微硬度测试法。

洛氏硬度测试法

一、洛氏硬度的测量原理

洛氏硬度测量法是最常用的硬度试验方法之一。它是用压头(金刚石圆锥或淬火钢球)在载荷(包括预载荷和主载荷)作用下,压入材料的塑性变形浓度来表示的。通常压入材料的深度越大,材料越软;压入的浓度越小,材料越硬。

洛氏硬度计的构造

洛氏硬度计种类很多,构造各不相同,但构造原理及主要部件都相同。

布氏硬度测试法

一、布氏硬度的测量原理

选择一事实上的载荷P,把直径为D的淬火钢球压入试件表面并保持一定时间,然后卸去载荷,测量钢球在试样表面压出的压痕直径d,计算出压痕面积,算出载荷P与压痕面积的比值,这个比值所表示的硬度就是布氏硬度,用符号HB表示。

布氏硬度的单位为kg/mm2,这是目前各国文献中常用的单位,通常只给出数值而不写单位,如HB200,若要换算成国际单位MPa,需要将硬度值乘以9.81。

布氏硬度的压头钢球直径有Φ2.5mm,Φ5mm,Φ10mm三种,载荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种。可根据材料的软硬不同选择配合使用。为了在不同直径的压头和不同载荷下进行测试时,同一种材料的布氏硬度值相同。压头的直径与载荷之间要满足相似原理。相似原理是指在均质材料中,只要压入角φ(即从压头圆心压痕两端的连线之间的夹角)不变,则不论压痕大小,金属的平均抗力相等。

二、布氏硬度的测试步骤

布氏硬度计使用的步骤如下:

1.根据试件材料选择合适的压头和载荷。

2.加预载。

3.加主载并保持一定的时间。

4.卸载。

5.将试样取下,用带刻度的低倍放大镜测压痕直径d。

6.查《压痕直径与布氏硬度对照表》得到布氏硬度值。

 布氏硬度测试中还应注意以下几个问题,即试验压痕直径的范围应为0.25D<d<0.6D,否则测量结果无效;由于压痕周围存在变形硬化现象(可达2~3倍的压痕直径),所以要求相邻两个硬度点的距离≥4d,软材料≥6d,试件厚度不小于压痕深度的10倍,压痕离试件边缘的距离应不小于压痕直径。

三、布氏硬度的特点

布氏硬度试验的优点是其硬度代表性全面,因压痕面积较大,能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均性能,而不受个别组成相及微小不均匀度的影响。因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料;试验数据稳定,数据重复性强

布氏硬度试验的缺点是其压头为淬火钢球。由于钢球本身的变形问题,致使不难试验太硬的材料。一般在HB450以上就不能使用;由地压痕较大,成品检验有困难;试验过程比洛氏硬度较为复杂,不能由硬度计上直接读数(需用带刻度的低倍放大镜测出压痕直径,然后通过查表得到布氏硬度值)。

维氏硬度测试法

为了避免钢球压头的永久变形,布氏硬度法只能用来测定硬度值小于HB450的材料,洛氏硬度法为了测定由软到硬的不同材料的硬度,采用了不同的压头和总载荷,有很多种标度,彼此间没有什么联系,也不能换算。为了实际应用中方便,取同一材料用不同标度测定,列出表格,只能供大致估算。为了从软到硬的不同材料有一个连续一致的硬度标度,制定了维氏硬度试验法。

一、维氏硬度的测量原理

维氏硬度的测量原理基本上和布氏硬度相同,所不同的是用金刚石正四棱锥压头。正四棱锥两对面的夹角为136°,底面为正方形

二、维氏硬度的测试

1、对试样的要求

要求试样经过抛光,试样硬度至少是压痕深度的10倍或者不小于压痕对角线的1.5倍,在满足这个条件的情况下尽可能选用较大载荷,可减少测量误差。

2、压痕对角线的测量

维氏硬度压痕对角线的长度是用附在硬度计上的显微测微器进行测量的。压痕对角线的测量精度可达10-3mm。应测出两条互相垂直的对角线的线度,取平均值作为压痕对角线的长度d。规定两条压痕对角线之差与较短对角线之比不大于2%。若材料各个方向上的硬度不均匀而使比值>2%者,需要在硬度值后面注明。

维氏硬度不存在在洛氏硬度标度无法统一的问题,也不存在布氏硬度测试时负荷与压头直径比例关系的约束和压头变形问题。只要满足布氏法中迈耶尔指数关系中n=2时,p=ad2,只要载荷不太小,硬度值与所用载荷无关,即不同载荷下的维氏硬度值可以驻进行比较。

维氏硬度值测量精确可靠,在材料科学研究中被广泛应用。但是维氏硬度测量过程中需要测量对角线的长度,然后通过计算或查表才能得到硬度值。测量过程繁琐,工作效率低。在测量过程中,采用计算机控制测量过程,采集和处理数据,可能克服上述缺点并大大提高工作效率。

显微硬度测试法

一、显微硬度的测量原理

显微硬度的测量原理与维氏硬度一样,也是用压痕单位面积上所承受的载荷来表示的。只是试样需要抛光腐蚀制成金相显微试样,以便测量显微组织中各相的硬度。显微硬度一般用HM表示。

显微硬度测试用的压头有两种:一种是和维氏硬度压头一样的两面之间的夹角为136°的金刚石正四棱锥压头

显微硬度计的构造及其应用

显微硬度计是由显微镜和硬度计两部分组成。显微镜用来观察显微组织,确定测试部位,测定压痕对角线的长度;硬度测试装置则是将一事实上的载荷加在一事实上的压并没有上,压入所确定的测试部位。

影响显微硬度值的因素  

1、试样制备

显微试样制备过程中,会因磨削使表面塑性变形引起加工硬化,这会对显微硬度值有很大的影响(有时误差可达50%),低载荷下更为明显。因此试样在制备过程中,要尽量减少表面变形层,特别对软材料,最好采用电解抛光。

2、载荷

根据试样的实际情况,选择适当的荷载,在试样条件允许的情况下,尽量选择较大的载荷,以得到尽可能大的压痕。由于弹性变形的回复是材料的一种性能,对于任意大小的压痕其弹性回复量几乎一样,压痕越小弹性回复量占的比例就越大,显微硬度值也就越高。在同一试样中,选用不同的载荷测试得出的结果不完全相同,一般载荷越小,硬度值波动越大。所以对于同一试验最好始终选相同的载荷,以减少载荷变化对硬度值的影响。布科提出了下列四类加载范围,可供参考:

铝合金:1~5g

软铁镍:5~15g

硬钢:15~30g

碳化物:30~120g

3.加载速度和保载时间

加载速度过快,会使压痕加大,显微硬度值降低。一般载荷越小,加载速度的影响就越大,当载荷小于100g时,加载速度应为1~20μm/s。加载后保持载荷3~5s即可卸载进行测量。

使用硬度计应注意的事项

除了各种硬度计使用时特殊注意事项外,还有一些共同的应注意的问题,现列举如下:

1.硬度计本身会产生两种误差:一是其零件的变形、移动造成的误差;二是硬度参数超出规定标准所造成的误差。对第二种误差,在测量前需用标准块对硬度计进行校准。对洛氏硬度计校正结果,差值在±1之内合格。差值在±2之内的稳定数值,可以给出修正值。差值在±2范围之外时则必需对硬度计进行校正维修或换其他硬度测试法测定。

洛氏硬度各标度有一事实上的适用范围,要根据规定正确选用。例如,硬度高于HRB100时,应采用HRC标度进行测试;硬度低于HRC20时应用HRB标度进行测试。因为超出其规定的测试范围时,硬度计的精确度及灵敏度较差,硬度值不准确,不宜使用。

其他硬度测试法也都规定有相应的校正标准。

校准硬度计用的标准块不能两面使用,因标准面与背面硬度不一定一致。一般规定标准块自标定日起一年内有效。

2.在更换压头或砧座时,注意接触部位要擦干净。换好后,要用一定硬度的钢样测试几次,直到连续两次所得硬度值相同为止。目的是使压头或砧座与试验机接触部分压紧,接触良好,以免影响试验结果的准确性。

3.硬度计调整后,开始测量硬度时,第一个测试点不用。因怕试样与砧座接触不好,测得的值不准确。特第一点测试完,硬度计处于正常运行机制状态后再对试样进行正式测试,记录测得的硬度值。

4.在试件允许的情况下,一般选不同部位至少测试三个硬度值,取平均值,取平均值作为试件的硬度值。

5.对形状复杂的试件要采用相应形状的垫块,固定后方可测试。对圆试件一般要放在V形槽中测试。

6.加载前要检查加载手柄是否放在卸载位,加载时动作要轻稳,不要用力太猛。加载完毕加载手柄应放在卸载位置,以免仪器长期处于负荷状态,发生塑性变形,影响测量精确度。

硬度计

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