金相与硬度测试

布氏硬度实验规范
金属类型
布氏硬度 （HB)
140-450
试样厚度 （mm)
6-3 4-2 小于2 大于6 6-3 小于3
P与D相互 钢球直径 关系 D(mm)
P=30D2
10 5 2.5 10 5 2.5
载荷P(kgf)
3000 750 187.5 3000 750 187.5
在和保持 时间（sec)
（二） 硬度测量原理


1. 布氏硬度
布氏硬度的测量原理是用一定载荷P(kgf)，把直径为D（mm）的 淬火钢球或硬质合金头压入被测金属的表面，保持一定时间后卸载， 根据金属压痕的表面积F（mm2),除载荷所得的商值即为布氏硬度， 其符号用HB表示，代表单位压痕面积上所承受的压力，一般不标出 单位。
材料分析技术
《金相与硬度测试》
一 硬度



（一）基本概念
1. 硬度定义
硬度是衡量金属材料软硬的一种性能指标。


2 常用硬度测量方法和分类
硬度测量基本可分为压入法和划痕法。压入法中，根据加载速度不 同又可分为静载压入法和动载压入法（弹性回跳法）。在静载压入 法中根据载荷、压头和表示方方法不同，又可分为布氏硬度、洛氏 硬度、维氏硬度和显微硬度等多种。压入法比较简单，能测量所有 金属材料的硬度，不损坏零件，而且在一定条件下和材料抗拉强度 等性能指标有一定关系，可由硬度值推断其他强度指标，实际工作 中使用最多。
（三） 实验设备和试验步骤

1. HB-3000型布氏硬度计
概述
适用范围 主要规格及技术参数
使用方法
实验规范
操作注意事项
2
数字式洛氏硬度计
技术规格1
技术规格（续） 2
指示面板
面板功能
面板功能2 （续）
面板功能3 （续）
面板功能4 （续）
面板功能（续）
硬度测量方法
b b 未淬硬钢： b b
碳钢
b 24.5HS（肖氏硬度） 6 2 5 . 03 10 （ / 100 HRC) b
HRC 27
b 1.633 ( HB 40) 6 2 灰铸铁 4 . 7883 10 （ / 100 HRC) b
硬度测量方法（续）
硬度测量方法（续）
硬度测量作流程图
测量注意事项
测量注意事项（续）
测量注意事项（续）
测量注意事项（续）
3 HVS-1000型显微硬度计

简介
主要技术参数
操作面板功能介绍
操作面板功能介绍
硬度计的使用
硬度计的使用
硬度计的使用
（2）试样的镶嵌


对于小试样，一般进行镶嵌处理。为了磨制方便， 试样形状一般为圆柱状或长方形。试样镶嵌一般在试 样镶嵌机上进行，如图所示。镶嵌材料多采用塑料， 分热凝性、热塑性两种。前者为胶木粉，不透明，一 般为黑色。质硬，耐蚀性差。后者 为半透明或透明状，耐蚀性好，但较 软。 镶嵌一般在镶嵌机的镶嵌模中进 行，首先将试样放入模中，然后加入 镶嵌材料，加热，同时加压，保持一 定时间后，去除压力，将试样顶出。 也可用环氧树脂加凝固剂镶嵌。

由图可知，
d D sin
P HB 2 D

j
2
2
2 j 1 1 sin 2
此式说明，若压入角不变，为了使同一种材料二者所得HB 不变，则要求P/D2保持常数，这就是由压痕相似性原理导出的P 和D选配原则，硬度实验时必须执行。国家标准规定布氏硬度实 验时， P/D2的比值为30，10，2.5三种，根据金属材料种类、试 样硬度范围和厚度的不同，按照下表规范选择钢球直径P、载荷 P及载荷保持时间。
P=10D2
30
P=2.5D2
60
布氏硬度试验的有效性、标注、优缺点和适用范围




有效性检验： 试验后压痕直径应在0.25D<d<0.6D的 范围内，否则试验无效，应考虑换用其他载荷重做试 验。 表式方法： 用D=10mm，P=1000kgf，载荷保持时间 10sec, 所测硬度值为280，则用HB280表示。在其他试 验条件下，符号HB应以相应的指数注明钢球直井，载 荷大小及保持时间。如HB5/250/30,表示D=5, P=250kgf, 载荷保持时间为30sec。 优点： 硬度值代表性全面，因压痕大，能反映较大 范围内金属各组成相影响的综合性能，而不受个别组 成相及微小不均匀度的影响，适用于测定灰口铸铁， 轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料；实验数据稳定， 重复性好，与强度有一定换算关系。 缺点：由于压头为淬火钢球，由于钢球自身的变形问 题，适用于HB<450的硬度范围。







金属越硬，压痕深度越小；金属越软，压痕深度越大。若直接以深度 h作为硬度值，会出现材料越软，h值反而越大的情况。为了适应人们 认为硬度越高，材料越硬的习惯相一致，认为规定以常数K减去h值 作为落实硬度值的指标，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用 符号HR表示： K h HR 0.002 使用金刚石压头，K=0.2mm，褐色表盘刻度所示，使用钢球压头， K=0.26mm,红色表盘刻度所示。

洛氏硬度的优缺点

3. 维氏硬度
P 1.8544P 2 HV ( kgf / mm ) 2 F d


载荷P可从0.5-120kgf范围内根据试样大小、薄厚和其他条件进行选择， 但常用的载荷为是0.5，1，5，10，30kgf。 压痕对角线是用附在硬度计上的显微计测量的。测量时应测出两对角线 长度，求其算术平均值作为压痕对角线长度d。测出d后，就可以用计算 或从不同载荷下计算好的对照表查得试样的维氏硬度值。
硬度计的使用
注意事项
注意事项
注意事项
三. 金相分析



1. 金相试片的制备 1） 概述 金相显微分析试验是金属与合金组织的主要方法之 一。他的一般过程是将金属与合金（或工件）限制成 一定尺寸的式样，在经磨制成一定尺寸的试样，在经 磨制、抛光、腐蚀，之后在金相显微镜下进行组织分 析。 金相试片植被的好坏，直接影响组织的观察结果 结果正确与否。如果试片制备质量不高或不符合要求， 就不可能得出理想的结果，有时可能因出现假象而得 出错误的判断。因此学会制备金相试片，使材料工作 者必须掌握的基本功之一。
（3）试样的磨制





磨制的目的是获得平整、光洁的检验面，为以后的抛光作准备。 a 粗磨（磨平） 试样磨制前应先用砂轮或锉刀平整检验面，并将其磨面的棱 角去处。磨制时，应使试样的 磨面与砂轮侧面平行，缓慢地与砂 轮接触，并均匀地施加适当的压力。为了不破坏检验面地组织， 应不时在水中冷却。 b 细磨 粗磨后仍保留很深的划痕，为取出这些划痕，必须进行细磨。 可分为手工细磨和机械细磨。 手工细磨是将粗磨后的试样在从粗到细的砂纸上逐道细磨。待 上一道磨制划痕完全消除后，才能进行下道磨制工序。更换砂纸 时，须将磨制面清理干净，避免使沙粒带入下道工序。下道磨制 方向应与上道磨制方向垂直。如此进行下去，直到达到抛光前应 有的光洁度。砂纸各个厂家不同，编号不同，一般采用隔号选择。 如100＃，200＃，400＃，600#, 800#, 1000#或100＃，300＃， 1(2) ＃，3(4)#,5(6)#, 7#等。根据实验室条件选择。
10
黑色 金属
小于140
P=10D2 P=30D2
10
大于130 有色
6-3 4-2 小于2
9-3 6-3 小于3 大于6 6-3 小于3
10 5 2.5
10 5 2.5 10 5 2.5
3000 750 187.5
3000 750 187.5 3000 750 187.5
30
36-130
金属 8-35


2. 洛氏硬度
洛氏硬度是目前使用最为广泛的实验方法，和布氏硬度一样， 也是一种压入硬度实验方法，但它不是测量压痕面积，而是测量 压痕深度，以深度大小表示材料的硬度值。 洛氏硬度的压头采用锥角为120o 的金刚石圆锥或直径为1.588mm （1/6 inch)的钢球。载荷分两次 加，先加初载P1，然后加主载荷 P2，其总载荷为P=P1+P2. 图中0-0为金刚石压头没有和试样 接触位置，1-1为压头受到初载P1 后压入试样深度为h0的位置，2-2 为受到主载荷P2后压入试样深度 为h1的位置，3-3为压头卸掉主载 荷仍保留初载P1下的位置，由于弹性恢复，压头位置提高了h2。 此时压头受主载荷作用压入深度为h，用h值来衡量材料的硬度。


3 硬度的物理意义
硬度值的物理意义随着实验方法的不同而不同。对压入法，硬度 表示材料表面抵抗另一种物体压入时所引起的变形功；压入法表示 材料抵抗表面断裂的能力；回跳法硬度值表示材料金属弹性变形功 的大小；因此硬度值实际上不是一个单纯的物理量，它是表征着材 料的弹性、塑性、变形强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合 的一种综合性指标。一般认为硬度是金属表面地抗拒不压入变形和 刻划破裂的能力。
维氏硬度的优缺点


优点： 1）不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的 约束， 2）不存在变形问题 3）由于角锥压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确 可靠。 4）不存在洛氏硬度的硬度级无法统一的缺点，而且较洛 氏硬度能够更好的测量极薄试样的硬度。 缺点 硬度值需要测量对角线，然后查表获得，生产效率不如 洛氏硬度，不适宜于大批量的常规检验。
2） 金相试片的制备方法和步骤 金相试片的制备包括试样的切取、镶嵌、磨制、抛 光、腐蚀五个步骤。 （1）试样的切取 试样的切取应考虑试样被检验面的选择。被检 验面组织的形态、分布、数量、大小等，必须充分代 表被测金属或工件的特点。试样从工件或钢铁或有色 材料上截取时，应保证不使检验面的组织因切取操作 而发生任何变化。试样切取可采用车、刨、鋸等方法， 也可采用气割、砂轮切割和电火花切割。如果采用气 割、砂轮切割和电火花切割必须水冷，减少热影响层 的深度。脆性材料也可采用落锤和其他方法击碎后使 用。
P HM 1854 .4 2 (kgf / mm 2 ) d
5. 硬度和抗拉强度的换算关系


实践证明，硬度实验室机械性能试验中最简单的一种实验 方法。材料的硬度和强度之间存在一定的关系，根据硬度 可近似估计材料的强度，但精确的强度需要仔细的测量。 几种常用的经验公式
3.55HB 3.38HB 2.587 104 /(130 HRB) 2.46 104 /(130 HRB) HB 175 HB 175 HRB 90 100 HB 90

40 HRC 27 HRC 40 HRC 40
铸钢
b (3 4) HB 4 8 . 45 10 （ / 100- HRC) b



铬锰硅钢 b=3.5HB 铬钼钢 b=3.3HB 硬铝 b=3.7HB 黄铜 b=5.3HB 纯铜 b=4.8HB 根据洛氏硬度 b=-801.24+50.08HRC
P P N / mm2 HBS (W ) 0.102 F Dh

在实际实验时，由于测量压痕直径d比h方便，因此将上式h换算成d的表 达式
2 2 h D2 d 2 D 1
HBS (W ) 0.102
D D D 2 d 2
2P




式中，HBS、HBW分别代表用钢球和金刚石压头测得的硬度，d是唯一 变量，试验是只要测出压痕直径d（mm),可通过计算，或查布氏硬度表 即可得到HB值。 由于金属软硬不同，工件薄厚、大小不同，不能仅采用一种标准载 荷和钢球直径D，需要在生产实验时，能使用不同大小负荷P和钢球直 径D。对同一种材料采用不同载荷和钢球直井，能否得到同一硬度值， 关键在于压痕的几何形状相似性。如图所示，要保证级和相似性，必须 保证钢球压入角j相等。
4. 显微硬度

显微硬度试验实质上就是小负荷的维氏硬度试验，其 原理与维氏硬度相同，所不同的实载荷以克力（gf)， 压痕长度以微米计量。主要用来测定各种组成相的硬 度。显微硬度符号用HM表示。

式中P为克力（gf), d为微米（mm ）。 显微硬度一般使用载荷为2、5、10、50、100、200克 力。由于压痕较小，试样必须制备成金相样品，在磨 制和抛光是应注意不能产生较厚的金属扰乱层和表面 强化层，以免影响试验结果。在可能的范围内尽可能 使用加大载荷，以减少因磨制试样所产生的硬化层的 影响。