金属材料的硬度及其试验方法

4.2.1压头： 锥面夹角为136º的 金刚石正四棱锥体
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4.2.2试验原理：
以一定的试验力将压头压入 试样表面，保持规定时间卸载后， 在试样表面留下一个四方锥形的 压痕，测量压痕两对角线长度， 以此计算出硬度值。
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2.硬度试验的作用和特点
硬度试验能成为力学性能试验中常见的一种方法，是因为 硬度试验的结果能敏感的反映出材料在化学成分、组织结构和 处理工艺上的差异。 硬度试验方法的特点是经试验后的轧辊表面上的试验痕迹很 小，在大多数情况下对于轧辊使用无影响，可以视为无损检验。 硬度试验所用设备简单，易于掌握。 硬度试验有很高的工作效率。
I. 金属材料硬度的定义
II. 硬度试验的作用和特点
III. 常用硬度试验方法的分类
IV. 压入式硬度测试
V. 回弹式硬度测试
VI. 各种硬度测试的对比
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1.金属材料硬度的定义
硬质合金钢球 HBW
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4.1.2试验原理： 用一定直径的压头（球体）， 以相应试验力压入待测表面，保 持规定时间卸载后，测量材料表 面压痕直径，以此计算出硬度值。
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HB =F / S =F /πDh =0.102×F /πDh =0.102× F/ πD (D—
)
……………… (1) ……………… (2) ……………… (3) ……………… (4)
式中：F S D h d
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3.常用硬度试验方法的分类
自1722年雷奥姆尔(Reaumvr)首次应用了矿物对金属进行刻 划的初始硬度试验以来，人们提出过几百种测量金属硬度的方 法。 常用硬度试验方法一般有如下分类：
3.1 按负荷施加速度分类为静力（压入）试验法和动力（回弹） 试验法。
常是动态和具有冲击性的，包括肖氏 硬度、里氏硬度、锤击布氏硬度等。
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缺点：
压痕面积较大，测量费时。
应用：
常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、 退火正火钢材的硬度。 不适于测量成品零件或薄件的硬度。
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4.2维氏硬度
维氏硬度试验法是在1924年 由史密斯（R.L.Smith)和桑德兰德 （G.E.Sandlnd)合作首先提出的。 以后由英国维克斯-阿姆斯特朗 （Vickers-Armstrongs）公司在 1925年第一个制造出这种硬度计， 因而被习惯称为维氏硬度。
工业上采用现场轧辊 维氏硬度计检测轧辊辊身 硬度示意图
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5.回弹式硬度测试
5.1肖氏硬度 肖氏硬度 - Shore scleroscope hardness 简 称HS。表示材料硬度的一种标准。由1906年美国人 肖尔(Albert F.Shore)首先提出。 应用弹性回跳法将冲击体从一定高度落到所试 材料的表面上而发生回跳。冲击体是一只具有尖端 的小锥，尖端上常镶有金刚石。用测得的击体回跳 的高度来表示硬度。 肖氏硬度按硬度计结构分为HSC及HSD两种， HSC为弹跳高度直读式、HSD为表盘指针式 由于不同国家的肖氏硬度计结构、冲击体大小不同， 检测的数值也存在差异。
4.2.3特点： 优点： 适用范围广，从极软到极硬材料都可测量；测 量精度高，可比性强；能测较薄工件。 测量操作较麻烦，测量效率低。
缺点：
应用：
广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。
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4.压入式硬度测试
4.1布氏硬度 布氏硬度试验方法最初是在1899-1900年间由瑞典工程 师布利奈尔(J.A.Brinell)在研究热处理对轧钢组织的影响时 提出来的。由于布氏硬度其压痕较大，因而受组织偏析及 成分偏析影响较小，试验结果分散度较小，重复性好，能 比较客观的反映出材料宏观硬度。成为被广泛应用的试验 方法之一。 4.1.1压头： 淬火钢球 HBS
金属材料是发展工业、农业、科学技术和提高人民生活水平 所必需的物质。评价金属材料的好坏，可从其物理性能、化学性 能和机械性能以及各种性能之间配合情况来判断，而机械性能中 的硬度是经常被测定的一种指标。硬度试验又是最迅速最经济的 一种试验方法。一般来说通常认为硬度是：材料在一定条件下抵 抗另一本身不发生残余变形物体压入的能力。它是一个不仅决定 于所研究材料本身的宏观与微观条件，而且也决定于测量条件的 量。也可以说硬度是代表着在一定的压头和力的作用下，所反映 出的弹性、塑型、塑性变形强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能 等一系列不同物理量的综合性能指标。
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3.4按试验原理分类 有：布氏、洛氏、维氏、克努普氏、肖氏、 显微、涡流、磁力、超声、划痕硬度等。
从硬度试验方法分类中可以看出，仅常用的硬度就有好多种。 这些方法不仅在原理上有区别。而且在同一种方法中，还有不同 的负荷、压头和标尺。如何根据待测试材料的种类、工艺状态、 几何尺寸等特点来选择一种合适的硬度试验方法和试验条件，需 要认真考虑。 硬度试验方法的正确选用，一般来讲应注意以下几个原则： 采用较大的负荷进行试验，以保证试验结果有较小的相对误 差。 在实验和研究工作中，如果同一材料，由于处理条件不同， 其硬度差异较大，这时一般不宜变换试验方法。为求得统一的标 尺比较，可以选择用维氏硬度试验比较。
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试验力，N； 压痕表面积，mm； 球压头直径，mm； 压痕深度， mm； 压痕直径，mm
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4.1.3 特点：
优点：
测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。
型式 质量 落下距离
C 2.5g 254mm
D 36.2g 19mm
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5.2里氏硬度计 里氏硬度计是一种测试器材，其原理 是随着单片技术的发展，1978年，瑞士人 Leeb博士首次提出了一种全新的测硬方法， 它的基本原理是具有一定质量的冲击体在 一定的试验力作用下冲击试样表面，测量 冲击体距试样表面1mm处的冲击速度与回 跳速度，利用电磁原理，感应与速度成正 比的电压。
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同时不同的硬度材料应该选用不同的测试方法才较合理。如 低硬度材料（HB＜450）调质钢、各种铸铁以及各种有色金属及 其合金，用布氏硬度测量比较合理。而对于高硬度材料HB＞450 的选用洛氏、维氏试验较为合理。洛氏、维氏压头材料均为金 刚石，具有极高的硬度和弹性模量（1050~1200GPa）不会因为 轧辊硬度高而发生变形。 对于大型轧辊，由于尺寸规格限制，则多选用肖氏、里氏 或锤击布氏硬度计。
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各国家的硬度计制定主要项目标准 ASTM E448规定
型式 质量 落下距离
C 2.3g 251.2mm
D 36g 17.9mm
GB/T4341 、JIS B7727 、KS B 5525
HSD=140×(h2/h1)
h1:落下高度 h2:反弹高度
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5.1.3 特点：
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，轧辊表面粗糙度等 因素的影响，其测试结果的比较只限于弹性模量相同的材料。它 对轧辊的尺寸和重量都有一定要求，不适于较小的轧辊，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。 特别适用于冶金、重型机械行业中的中大型工件，例如大型锻钢 冷轧工作辊、中间辊支承辊、锻钢热轧辊以及各类铸钢、铸铁轧 辊等。