硬度測(cè)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(yàn)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(cè)試方法，適用于不同特性的材料或場(chǎng)合。

測(cè)試特點(diǎn)

硬度測(cè)試是檢測(cè)材料性能的重要指標(biāo)之一，也是最快速最經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)方法之一。之所以能成為力學(xué)性能試驗(yàn)的常用方法， 是因?yàn)橛捕葴y(cè)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。常被作為監(jiān)督手段應(yīng)用于各行各業(yè)。例如在鋼鐵材料中，當(dāng)馬氏體形成時(shí)，由于溶入過(guò)飽和的碳原子而增大了晶格畸變，增加了錯(cuò)位密度，從而顯著降低了塑性變形能力，這就是馬氏體高硬度的原因。顯然含碳量越高這種畸變程度就越大，則硬度也越高，不同含碳量的鋼在淬火后，硬度值與馬氏體量及其含碳量間在很大范圍內(nèi)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，淬火鋼回火后的硬度取決于回火溫度及保溫時(shí)間?；鼗饻囟仍礁?，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，硬度越低。因此可以利用硬度試驗(yàn)來(lái)研究鋼的相變和作為檢測(cè)鋼鐵熱處理效應(yīng)的手段。

測(cè)試方法

金屬洛氏

測(cè)試原理

將壓頭（金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球）分兩個(gè)步驟壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，測(cè)量在初試驗(yàn)力下的殘余壓痕深度h，根據(jù)h值及常數(shù)N和S計(jì)算洛氏硬度。

術(shù)語(yǔ)及定義

洛氏硬度=N-h/S；

初始試驗(yàn)力-------試驗(yàn)時(shí)預(yù)加載試驗(yàn)力。

主試驗(yàn)力-------使測(cè)量樣品產(chǎn)生殘余壓痕的加載。

總試驗(yàn)力-------初始試驗(yàn)力加上主試驗(yàn)力。

金屬布氏

測(cè)試原理

對(duì)一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕的直徑。布氏硬度與試驗(yàn)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。

術(shù)語(yǔ)及定義

試驗(yàn)力——試驗(yàn)時(shí)所用的負(fù)載。

壓痕平均直徑——兩相互垂直方向測(cè)量的壓痕直徑的算術(shù)平均值。

球直徑——壓頭中硬質(zhì)合金球的直徑。

金屬維氏

測(cè)試原理

將頂部?jī)上鄬?duì)面具有規(guī)定角度的正四棱錐體金剛石壓頭用試驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕對(duì)角線長(zhǎng)。維氏硬度值是試驗(yàn)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。

術(shù)語(yǔ)及定義

試驗(yàn)力------試驗(yàn)時(shí)所用的負(fù)載。

壓痕對(duì)角線------卸載后，壓頭在被測(cè)樣品表面留下的方形或菱形壓痕的對(duì)角線。

壓頭夾角------壓頭頂部?jī)上鄬?duì)面的夾角。

顯微維氏

術(shù)語(yǔ)及定義

試驗(yàn)力——試驗(yàn)時(shí)所用的負(fù)載。

壓痕對(duì)角線——卸載后，壓頭在被測(cè)樣品表面留下的方形或菱形壓痕的對(duì)角線。

壓頭夾角——壓頭頂部?jī)上鄬?duì)面的夾角。

影響因素
測(cè)量工作使用的儀器設(shè)備很多，每種儀器設(shè)備在使用時(shí)都有許多不利因素影響其測(cè)量值的準(zhǔn)確性。本文僅對(duì)兩種常規(guī)儀器洛氏硬度計(jì)、布氏硬度計(jì))在使用時(shí)，容易被檢測(cè)人員忽略的一些較常見(jiàn)的影響因素進(jìn)行針對(duì)性分析，并提出了解決辦法。

粗糙度

粗糙度的影響及解決辦法

我們知道，用臺(tái)式 超級(jí)恒溫水浴測(cè)量布氏硬度時(shí)，的壓頭是鋼球壓頭，在一定的壓力下壓入被測(cè)表面而得到一個(gè)圓形壓痕，再用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量圓形壓痕的直徑，然后在布氏硬度表中查找相應(yīng)的硬度值，即被測(cè)試樣的硬度值，而被測(cè)表面的粗糙度直接影響硬度測(cè)量值的準(zhǔn)確性。當(dāng)被測(cè)表面粗糙度值大于Ra=0.8μm時(shí)，隨著粗糙度值的增大，被測(cè)表面對(duì)壓頭的抗力愈小，其塑性變形愈大，圓形壓痕就愈大，相應(yīng)的硬度值也就愈小，致使測(cè)量值偏低于其真實(shí)值。試驗(yàn)證明，測(cè)量偏差在10HB以上(注：用臺(tái)式硬度計(jì)測(cè)量洛氏硬度時(shí)，粗糙度的影響較小，本文就不進(jìn)行分析了)。

當(dāng)我們用便攜式微電腦超聲硬度計(jì)測(cè)量硬度時(shí)，粗糙度的影響較用臺(tái)式硬度計(jì)就更大了。當(dāng)被測(cè)表面粗糙度值大于Ra=0.8μm時(shí)，隨著粗糙度值的增大，硬度計(jì)的金剛石角錐體壓頭與被測(cè)表面的接觸面積就會(huì)增大。這種接觸包括壓痕接觸和非壓痕接觸。

壓痕接觸即壓頭自身壓入被測(cè)表面后壓頭與壓痕的接觸，接觸面積也是極微小的；而非壓痕接觸是指硬度計(jì)壓頭的錐面與被測(cè)表面輪廓峰斜面的接觸。非壓痕接觸對(duì)硬度測(cè)量是不利的。因?yàn)?，微電腦超聲硬度計(jì)工作原理是借助于桿的超聲振動(dòng)測(cè)量硬度的。在均勻的接觸壓力下，使桿的諧振頻率隨試樣的硬度高低而改變。若試樣的硬度愈低，壓痕接觸面積愈大，被測(cè)表面對(duì)傳感器桿壓頭的阻尼愈大，傳感器桿壓頭振動(dòng)幅度就愈小，諧振頻率也就愈高。也就是說(shuō)， 恒溫水箱壓痕接觸面積愈大，超聲硬度計(jì)的示值愈低。而非壓痕接觸大大地增加了壓頭與被測(cè)表面的接觸面積，致使示值偏低于真實(shí)值。試驗(yàn)證明，洛氏硬度測(cè)量偏差在10HRC左右；布氏硬度測(cè)量偏差在20HB左右。

解決辦法在測(cè)量試樣硬度時(shí)，我們必須注意被測(cè)表面粗糙度是否符合的檢測(cè)條件。在正常使用的條件下，必須保證試樣的被測(cè)表面粗糙度值小于或等于Ra=0.8μm，若試樣的被測(cè)表面粗糙度值大于Ra=0.8μm，可以通過(guò)機(jī)械方法(上磨床)或手工方法，對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行研磨修整，使試樣的被測(cè)表面粗糙度達(dá)到檢側(cè)條件。將粗糙度影響程度降到最低，這樣我們才能獲得準(zhǔn)確的測(cè)量值。

擠壓層

擠壓層的影響及解決辦法

擠壓層即經(jīng)車(chē)床精車(chē)加工出來(lái)的試件表面上的一層薄薄的硬層。試件在被精車(chē)加工時(shí)，車(chē)刀同時(shí)對(duì)試件表面有一個(gè)擠壓(滾壓)作用，使精車(chē)面表層的金屬晶粒變形細(xì)化，較試件深層的金屬晶粒更細(xì)密，從而產(chǎn)生了一層薄薄的硬層。硬層厚度一般在0.3毫米左右。這一硬層致使硬度測(cè)量值偏高于真空值，對(duì)用臺(tái)式硬度計(jì)和微電腦超聲硬度計(jì)測(cè)量硬度的準(zhǔn)確性有不同程度的影響。

當(dāng)我們用臺(tái)式硬度計(jì)測(cè)量洛氏硬度時(shí)，硬度計(jì)壓頭是金剛石錐體，壓頭(錐頂直徑為0.4毫米)與被測(cè)表面的接觸面積較小。加載時(shí)，壓頭很容易穿透擠壓層，因此硬度的測(cè)量偏差較小。試驗(yàn)證明，測(cè)量偏差一般在5HRC以內(nèi)。用臺(tái)式硬度計(jì)測(cè)量布氏硬度時(shí)，硬度計(jì)壓頭是鋼球壓頭，壓頭與被測(cè)表面的接觸面積較大。加載時(shí)，壓頭必須克服擠壓層的較大阻力才能壓入被測(cè)表面，這就使壓頭的壓入量不夠，所壓得的圓形壓痕也隨之變小，致使相應(yīng)的硬度值偏高于其真實(shí)值。而且硬度的測(cè)量偏差較大。試驗(yàn)證明，硬度的測(cè)量偏差在20HB左右。另外，無(wú)論測(cè)量洛氏硬度還是布氏硬度，隨著試件自身硬度的增大，硬度的測(cè)量偏差就會(huì)減小。

擠壓層對(duì)用微電腦超聲<硬度計(jì)< a="">測(cè)量硬度的準(zhǔn)確性影響最大。用超聲硬度計(jì)測(cè)量硬度對(duì)試件的損傷極小，基本是無(wú)損檢測(cè)。在10N試驗(yàn)負(fù)荷下，壓痕深度一般在4μm至50μm左右。而擠壓層的厚度一般在0.3毫米左右。因此，超聲硬度計(jì)的角錐體壓頭根本不能穿透擠壓層，測(cè)得的硬度值僅是擠壓層的硬度，而不是試件本身真實(shí)的硬度。擠壓層硬度高出試件真實(shí)硬度很多，如果我們忽略了這一不利因素，就會(huì)造成了很大的測(cè)量偏差。試驗(yàn)證明，洛氏硬度的測(cè)量偏差一般在5-10HRC；布氏硬度的測(cè)量偏差一般在幾十個(gè)HB解決辦法：如果我們?cè)跈z測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)精車(chē)的試件，在測(cè)量其硬度前，必須把被測(cè)表面測(cè)量位置的擠壓層處理掉；也可以把整個(gè)被測(cè)表面的擠壓層處理掉?？梢酝ㄟ^(guò)機(jī)械方法(上磨床)或手工方法去掉擠壓層。還要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，如果我們用手工方法處理擠壓層，被測(cè)表面粗糙度有可能被破壞。如果這樣，還必須對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行研磨修整，使試件的被測(cè)表面粗糙度達(dá)到檢測(cè)條件。這樣我們才能獲得真實(shí)可靠的測(cè)量值。