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  • 硬度

    矿物或材料抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力称为硬度。就金属硬度测试而言,硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力。

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    中文名: 硬度 英文名: Hardness
    释义: 材料局部抵抗硬物压入其表面能力 应用: 物理学专业术语

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    简介/硬度 编辑

    硬度
    硬度
    材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度,固体对外界物体入侵的局部抵抗能力,是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法,所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同,相互不能直接换算,但可通过试验加以对比。硬度分为:①划痕硬度。主要用于比较不同矿物的软硬程度,方法是选一根一端硬一端软的棒,将被测材料沿棒划过,根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说,硬物体划出的划痕长,软物体划出的划痕短。②压入硬度。主要用于金属材料,方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料,以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同,压入硬度有多种,主要是布氏硬度洛氏硬度维氏硬度显微硬度等几种。③回跳硬度。主要用于金属材料,方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样,并以试样在冲击过程中储存(继而释放)应变能的多少(通过小锤的回跳高度测定)确定材料的硬度。
    早在1822年,Friedrich mohs提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体,这是所谓的摩氏硬度计。按照他们的软硬程度分为十级:
    1)滑石 2)石膏 3)方解石 4)萤石 5)磷灰石 6)正长石 7)石英8)黄玉 9)刚玉 10)金刚石
    各级之间硬度的差异不是均等的,等级之间只表示硬度的相对大小。
    试验钢铁硬度的最普通方法是用锉刀在工件边缘上锉擦,由其表面所呈现的擦痕深浅以判定其硬度的高低。这种方法称为锉试法这种方法不太科学。用硬度试验机来试验比较准确,是现代试验硬度常用的方法。常用的硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等测试方法。
    硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标,它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力,也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念,而是材料弹性、塑性强度韧性等力学性能的综合指标。

    分类/硬度 编辑

    硬度
    硬度

    1、洛氏硬度
    是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB>450或者试样过小时,不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球,在一定载荷下压入被测材料表面,由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同,分三种不同的标度来表示:   
    HRA:是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。   
    HRB:是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球,求得的硬度,用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。   
    HRC:是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。[1]
    2、布氏硬度
    布氏硬度(HB)一般用于材料较软的时候,如有色金属热处理之前或退火后的钢铁。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度较高的材料,如热处理后的硬度等等。布氏硬度(HB)是以一定大小的试验载荷,将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面,保持规定时间,然后卸荷,测量被测表面压痕直径。布氏硬度值是载荷除以压痕球形表面积所得的商。一般为:以一定的载荷将一定大小的淬硬钢球压入材料表面,保持一段时间,去载后,负荷与其压痕面积之比值,即为布氏硬度值(HB),单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。测试载荷与测试钢球的直径需根据材料的实际性能再确定。[2]
    3、维氏硬度
    维氏硬度试验方法是英国史密斯(R.L.Smith)和塞德兰德(C.E.Sandland)于1925年提出的。英国的维克斯—阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)公司试制了第一台以此方法进行试验的硬度计。和布氏、洛氏硬度试验相比,维氏硬度试验测量范围较宽,从较软材料到超硬材料,几乎涵盖各种材料。[3]
    4、里氏硬度
    里氏硬度是以HL表示,里氏硬度测试技术是由瑞士狄尔马,里伯博士发明的,它是用一定质量的装有碳化钨球头的冲击体,在一定力的作用下冲击试件表面,然后反弹。由于材料硬度不同,撞击后的反弹速度也不同。在冲击装置上安装有永磁材料,当冲击体上下运动时,其外围线圈便感应出与速度成正比的电磁信号,再通过电子线路转换成里氏硬度值。[4]
    5、肖氏硬度
    简称HS。表示材料硬度的一种标准。由英国人肖尔(Albert F.Shore)首先提出。应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳。撞销是一只具有尖端的小锥,尖端上常镶有金刚钻。测试数值为1000x撞销返回速度/撞销初始速度(即为碰撞前后的速度比乘以1000)。
    6、巴氏硬度
    巴柯尔(Barcol)硬度(简称巴氏硬度), 最早由美国 Barber-Colman公司提出,是近代国际上广泛采用的一种硬度门类, 一定形状的硬钢压针,在标准弹簧试验力作用下,压入试样表面,用压针的压入深度确定材料硬度,定义每压入0.0076mm为一个巴氏硬度单位。巴氏硬度单位表示为HBa。
    7、努氏硬度
    努氏硬度是作为绝对数值而测得的硬度,主要在加工方面使用该数值。一般来说,金刚石的努氏硬度为7000~8000千克/平方毫米
    8、韦氏硬度
    定形状的硬钢压针,在标准弹簧试验力作用下压入试样表面,用压针的压入深度确定材料硬度,定义0.01mm的压入深度为一个韦氏硬度单位。韦氏硬度单位表示为HW。

    9、水的硬度

    硬水软水的区分在于所含矿物质钙镁的含量来划分的,每升中所含有100mg以下的为软水,含有量超过200mg的属于硬水。

    奶粉冲泡中的使用
    软水因为硬度低对婴儿身体负担较轻,作为冲泡奶粉的用水被人们所看好。奶粉因为本身含有蛋白质和矿物等营养成分,加上高硬度的硬水的冲泡会加重对宝宝身体的负担。婴儿的内脏还未发育完全,矿物成分过量摄入可能会引起消化不良,所以矿物成分含量较低的软水更适合冲泡奶粉。

    测试种类/硬度 编辑

    1. HRA:(洛氏A)用于量测热处理硬质钢材、氮化物、渗碳冶炼物、轴承钢、工具钢及其它软硬材质的硬度测试。
    2. HK:(Knoop 努氏)用于量测较软材质的钢及非铁材料之硬度。
    3. HRC:(Rockwell C洛氏)用于量测热处理钢材、氮化物、渗碳冶炼物、轴承钢、工具钢等。
    4. HRB:(Rockwell B洛氏)用于量测较软材质的钢及非铁材料之硬度。
    5. HR30T:(Rockwell 30T洛氏) 用于量测较软材质的钢及非铁材料之硬度。
    6. HB5:(Brinell 布氏5)用于量测铝、软质铝合金、铸铁、铜、黄铜等。
    7. HB30:(Brinell 布氏30)用于热处理钢、退火深冷处理钢材、冲拉材料钢、深冲钢带料等。
    8. HV:(Vickers维氏)适用于量测各类材料。
    9. R:(Tensile module拉伸模数 N/mm2)用于热处理钢、退火深冷处理钢材、冲拉材料钢、深冲钢带料等。
    10. HR15N:(Rockwell 洛氏HR15N)用于量测热处理硬质钢材、氮化物、渗碳冶炼物、轴承钢、工具钢等。

    测定方法/硬度 编辑

    硬度
    硬度
    一、实验内容
    1、金属布氏硬度实验。
    2、金属洛氏硬度实验。
    3、金属维氏硬度实验和显微维氏硬度实验。
    二、实验目的及要求
    该实验的目的是使学生熟悉金属布氏、洛氏、维氏硬度计的使用方法,巩固硬度试验方法的理论知识,掌握各种硬度计的结构原理、操作方法及注意事项。要求学生具有踏实的理论知识,同时也具有严谨、一丝不苟的作风。
    三、实验条件及要求
    (一)实验条件
    布氏硬度计、洛氏硬度计、维氏硬度计和显维硬度计,读数放大镜,标准硬度块。推荐试样用材:灰铸铁、硬质合金、经渗氮后的 38CrMoAl、经渗碳淬火后的20 钢、经调质处理的45 钢、淬火低温回火的T12 钢、黄铜。
    (二)要求
    制备试样过程中不得使试样因冷、热加工影响试验面原来的硬度。试验面应为光滑的平面,不应有氧化皮及污物,试验面的粗糙度因试验方法不同而不同:测布氏硬度、洛氏硬度时,Ra≤0.8μm;测维氏硬度时,Ra≤0.2μm;测小负荷维氏硬度和显维硬度时,Ra≤0.1μm、如果测定相的硬度时,试验面应进行抛光和腐蚀制成金相试样。试验时,应保证试验力垂直作用于试验面上,保证试验面不产生变形、挠曲和振动。试验应在10~35℃温度范围内进行。不同硬度试验对试样及试验操作尚有具体要求。
    四、实验相关知识点
    1、硬度试验原理。
    2、对试样的要求。
    3、硬度试验方法的选择。
    4、各种硬度计的结构原理、操作方法及注意事项。
    5、试验数据的获得。
    6、不同硬度试验方法的关系。
    五、实验实施步骤
    (一)金属布氏硬度试验
    金属布氏硬度值是单位压痕表面积所承受的外力。
    1、试验规范的选择
    布氏硬度试验时应根据测试材料的硬度和试样厚度选择试验规范,即压头材料与直径、F/D2 值、试验力F 及试验力保持时间t。
    1)压头材料与直径的选择 压头有淬火钢球和硬质合金球两种。淬火钢球适用于测量450HBS 以下材料(如热轧或正火、退火钢材,灰铸铁,有色金属及其合金等)的硬度,硬质合金压头适用于测量450HBS 以上材料(如调质钢淬火钢)的硬度。球体直径D 的选择按GB231-2003《金属布氏硬度试验方法》有五种,即10mm、5mm、2.5mm、2mm 和1mm。压头直径可根据试样厚度选择,见压头直径、压痕平均直径与试样最小厚度关系表。选择压头直径时,在试样厚度允许的条件下尽量选用10mm 球体作压头,以便得到较大的压痕,使所测的硬度值具有代表性和重复性,从而更充分地反映出金属的平均硬度。
    2)F/D2、试验力F 及试验力的选择 F/D2 比值有七种:30、15、10、5、2.5、1.25和1,其值主要根据试验材料的种类及其硬度范围来选择。球体直径D 和F/D2 比值确定后,试验力F 也就确定了。试验须保证压痕直径d 在(0.24~0.6)D 范围内,试样厚度为压痕深度10 倍以上。
    3)试验力保持时间t 的选择 试验力保持时间t 主要根据试样材料的硬度来选择。黑色金属:t=10~15s;有色金属:t=(30±2)s;<35HBS 的材料:t=(60±2)s。
    2、布氏硬度试验过程
    1)试验前,应使用与试样硬度相近的二等标准布氏硬度块对硬度计进行校对,即在硬度块上不同部位测试五个点的硬度,取其平均值,其值不超过标准硬度块硬度值的±3%方可进行试验,否则应对硬度计进行调整、修理。
    2)接通电源,打开电源开关。将试样安放在试验机工作台上,转动手轮使工作台慢慢上升,使试样与压头紧密接触,直至手轮与螺母产生相对滑动。同时应保证试验过程中试验力作用方向与试验面垂直,试样不发生倾斜、移动、振动。启动按钮开关,在施力指示灯亮的同时迅速拧紧压紧螺钉,使圆盘随曲柄一起回转,直至自动反向转动为止,施力指示灯熄灭。从施力指示灯亮到熄灭的时间为试验力保持时间,转动手轮取下试样。
    3)用读数显微镜在两个互相垂直的方向测量出试样表面的压痕直径d1 。
    4)重复以上操作,至少测三个点,取压痕直径的算术平均值作为压痕直径d。
    5)根据压痕直径d 计算或查表求得布氏硬度值。测量布氏硬度时,应保证:试样厚度至少为压痕深度的10 倍,试验后支撑面应无可见变形痕迹;压痕中心至试样边缘的距离应不小于压痕平均直径的2.5 倍;两相邻压痕中心距离不小于压痕平均直径的4 倍;当试样硬度小于35HBS 时,上述距离分别为压痕平均直径的3 倍和6 倍。
    (二)金属洛氏硬度试验
    1、金属洛氏硬度试验方法
    金属洛氏硬度试验常用的三种标尺HRA、HRB、HRC 的压头有两种:顶角为120º的金刚石圆锥体和Ф1.588mm(1/16″)的淬火钢球。所施加的外力有两类:初试验力(98.1N)和主试验力。初试验力是为了使压头与试验表面紧密接触,避免因试样表面不平整而影响试验结果的准确性,主试验力使试样表面产生所需压痕。试验时先施加初试验力,然后施加主试
    验力。卸除主试验力后,将会在试样表面上留下主试验力引起的塑性变形而产生的压痕。如压痕深度为h,则洛氏硬度值为:HR=k-(h/0.002)=k-e, k 值因压头不同而异:金刚石圆锥体压头时,k=100;淬火钢球压头。K=130。
    2、金属洛氏硬度试验过程
    1)试验前,应对硬度计进行校对,方法与布氏硬度计的校对方法相同。要求平均硬度值不超过标准块硬度值的±1%~1.5%时,方可进行试验,否则,应对硬度计进行调整、修理。
    2)将试样稳定地放置在试验机工作台上,旋转硬度计手轮使工作台和试样一起上升,试样表面与压头接触后继续转动手轮,度盘指针开始转动,说明已开始施加初试验力,至98.1N(10kgf,指针达到规定标志)时,停止转动手轮。3)调整表盘使指针指向零点(测HRB 时对准“30” )时后,在4~8s 内施加完主应力。
    4)试验力的保持时间以指针基本停止移动为准开始计算时间,其时间推荐如下:施加试验力后不随试样继续变形的试样,保持时间为≤2s;加试验力后随时间慢慢变形的试样,保持时间为6~8s;加试验力后随时间有明显变形的试样,保持时间为20~25s。
    5)在2s 内平稳地卸除主试验力,保持初试验力。
    6)从相应的标尺刻度上读出硬度值,精确度应为0.5 刻度。
    7)重复以上操作,对每个试样的试验次数不得少于4 次(第一次不计)。
    8)采用读数范围作为硬度值或采用读数的算术平均值作为硬度值。测量试样的洛氏硬度值时,每次更换压头、载物台或支座后的最初两次试验结果不能采用。保证相邻压痕中心距及压痕中心至边缘距离均不小于3mm。
    (三)金属维氏硬度试验
    1、金属维氏硬度试验方法
    金属维氏硬度试验方法与布氏硬度试验方法基本相同,也是根据压痕单位表面积所承受的试验力来表示硬度值,不同之处是维氏硬度试验所用压头是两对面夹角为136º的金刚石正四棱锥体。对试样施力后,将在试样表层压出一个正四棱锥形的压痕,保持规定时间卸除试验力后,测量压痕表面正方形(实际情况下可能为菱形等形状)的对角线长度d1、d2,取其算术平均值d(d=( d1+d2)/2),由d 值可通过计算或查表可得维氏硬度值。
    1)试验方法及试验力的选择
    维氏硬度试验常用试验力范围为49.03~980.7N。使用时应根据材料的预期硬度、试样厚度、试验目的进行选择。尽可能选用较大试验力,以减小压痕尺寸的测量误差。
    2)试验力保持时间的选择 试验力保持时间因材料不同而异:黑色金属为10~15s;有色金属为(30±2)s。
    2、金属维氏硬度试验过程
    1)试验前的准备工作
    估计或验证试样或试验层厚度至少为压痕对角线平均长度的1.5 倍。对硬度计进行检查。在没有安装试样的状态下启动硬度计,检查各部位的运转情况,然后用二等标准硬度块检查硬度计的示值精度是否在允许范围内(±3%硬度块示值),如果超差时,应排除故障后方能进行实验。试验力的选择应根据试样厚度、预计硬度值及硬化层深度来选择。为得到精确的试验
    结果,应尽量选用较大的试验力,但试样硬度大于500HV 时,不允许选用大于490.3(50kgf)的试验力,以免损坏压头。当测定金属表面处理后的硬度时,表面处理层越薄,应选择越小的试验力。如不知道表面层硬度时,可选择不同级别的试验力由小级别到大级别进行尝试性试验,直到两级试验力测出的硬度值基本相等为止,并选用小一级试验力进行正常实验。
    2)维氏硬度试验过程
    选择试验力;接通电源,打开电源开关;根据所需试验力,转动手柄使所需试验力数字对准标记;将试样放在工作台上,试验力施加时间为2~8s,此时指示灯亮,试验力保持一段时间(黑色金属为10~15s;有色金属为(30±2)s),卸除试验力,指示灯熄灭;转动手轮使实验表面脱离金刚石压头(约7mm);转动转盘手柄使物镜对准压痕,转动手轮至能在测微目镜中看到清晰的压痕为止;测量压痕两对角线长度,取其算术平均值即为压痕对角线长度;根据压痕对角线长度和所用试验力在维氏硬度换算表中查出硬度值;重复上述步骤,每个试样至少测量三个点,且两相邻压痕中心距和任一压痕中心距试样边缘距离是:黑色金属,≥2.5d;有色金属,≥5d;同时同一压痕对角线d1、d2,之差不超过短对角线长度的2%。
    3)显微维氏硬度试样过程
    制备试样;调节显微硬度计底座下面的螺钉,使圆水泡居中,将仪器的工作台处于水平位置;根据材料的情况选择合适的试验力和保持时间;接通电源,打开开关;将试样放在工作台上,使之在显微镜的物镜下,转动升降手柄,调整焦距,并转动纵、横向微分筒,在视场里找出待测区域;通过手柄移动工作台至压头下(移动时试样不要活动);施加试验力,试验力的施加时间不大于10s,保持10~15s;卸除试验力,将工作台轻轻移至显微镜的物镜下(移动时不要让试样活动);测量压痕对角线长度,调整纵、横微分筒和测微目镜的鼓轮,使压痕的棱角和目镜中十字交叉线中心精确地重合,读出所测数值,然后转动鼓轮使十字交叉线中心对准压痕的对面棱角(有时楞边不是一直线,而是一曲线时,应以棱角顶点为准),读出所测数值。两值之差即为压痕对角线长度,根据放大倍数求出压痕对角线实际长度;根据试验力、对角线长度在显微维氏硬度换算表中查出硬度值;重复上述步骤,每个试样一般不少于3 个测试点,测对角线长度时测量精度应达到0.4%或0.2μm,相邻两压痕中心距离和压痕中心至试样边缘应大于2.5d(d 以大压痕的对角线计算)。

    硬度测定/硬度 编辑

    实践证明,金属材料的各种硬度值之间,硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的,材料的强度越高,塑性变形抗力越高,硬度值也就越高。
    压入法(布氏、洛氏、维氏)测量硬度,硬度值表示材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形的能力。
    回跳法(肖氏、里氏)测量硬度,硬度值代表金属弹性变形功能的大小。
    刻划法测量硬度,硬度值表示金属抵抗表面局部破裂的能力。
    另外,天然水中的钙镁含量也用硬度表示.我国规定的硬度是:1L水中含的钙盐,镁盐折合成CaO和MgO的总量相当于10mgCaO(将MgO也换算成CaO)时,其硬度是1°.
    水的硬度是水质的重要指标,通常分为五类:
    很软水软水中硬水硬水很硬水
    0°~4°4°~8°8°~16°16°~30°>30°
    1.肖氏硬度(HS)=布氏硬度(BHN)/10+12
    2.肖氏硬度(HS)=洛氏硬度(HRC)+15
    3.洛氏硬度(HRC)=布氏硬度(BHN)/10-3
    硬度测定范围:
    HS<100
    HBW3~660
    HRC20~70,HRA20~88,HRB20~100
    HR15N70~94,HR30N42~86,HR45N20~77
    HR15T67~93,HR30T29~82,HR45T10~72
    HV<4000

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    参考资料
    [1]^引用日期:2017-09-19
    [2]^引用日期:2017-09-19
    [3]^引用日期:2017-09-19
    [4]^引用日期:2017-09-19
    开放分类 我来补充
    力学名词科学

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