4第四讲硬度测试技术Word文件下载.docx

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以实验室现有的设备，HR-150A型洛氏硬度计为例，说明一般的操作规程。

⑴选择压头及载荷。

⑵按照试样形状、大小选取载物台，然后将试样的上下两面磨平，置于载物台上。

⑶预加载荷，依顺时针方向旋转升降手轮，使试样与压头接触，并观察读数百分表上小指针移动到小红点处，大指针在B-C线左右2分度格之内为止。

⑷手动调整读数盘，使百分表盘上的长指针对准硬度值的起点。

如果试验HRB时，使长指针与表上红字B处对准；

如果试验HRC、HRA时，则把长指针与表上黑字C处对准。

⑸加主载荷，平稳地向自己的方向扳动加荷手柄，手柄扳动到位后即可松开，待表盘上的指针处于稳定不动状态（应当确定较为固定的载荷保持时间）。

⑹卸主载荷，向远离自己的方向平稳地推动卸载手柄，恢复到原来加荷前的位置。

⑺读出硬度值：

长针指向的数字为硬度值。

HRB读里圈的红色数字；

HRC、HRA读外圈的黑色数字。

⑻卸预载荷：

逆时针方向旋转升降手轮，使试样与压头脱离接触，并略微远离。

⑼重新选取新的测试位置，或变换测试试样，从⑶~⑻重复进行。

5、应用范围

应用范围很广，可用于试验各种钢铁原材料、有色金属、经淬火后高硬度工件、表面热处理工件及硬质合金等。

6、使用优点

压痕小（对试样的外观没有损害、影响），可测量高硬度，可直接读数，操作方便，效率高。

7、HR-150A洛氏硬度计使用操作规程

我们实验室拥有的洛氏硬度计是HR-150A洛氏硬度计，位于423房间。

其操作规范说明如下：

试件的准备：

试件的厚度应不小于10倍压痕深度；

表面必需精细制备使之平坦；

不得带有油脂，氧化皮，裂缝，显著的加工痕迹，凹坑及其它污物。

具体操作中，可以将试样测试表面采用200号水砂纸粗磨，以保证表面的要求。

试件的测试面与基面尽可能保持平行，否则，需要根据测试情况修正。

测试种类载荷等选择：

视材料选定硬度计的测试种类，进而选定硬度计的载荷数量，测头的种类，测试工作台。

对于未知硬度情况的试件，应当先测试HRC或HRA，当HRC的数值低于20，HRA数值低于60时，换用HRB测试。

操作程序

①将试件稳妥放置在工作台上，然后缓慢转动手轮（顺时针），使工件与测试头接触，继续转动手轮使指示盘中的小指针指于红点处，大指针指向C-B线，其左右偏离不超过±

2分度格。

通过指示器上的调整盘可使大指针正好与C-B线重合。

②将右侧低处的加荷手柄轻轻向前搬动（沿箭头方向），使总载荷加上，至指示器上的大指针停止转动后，停留约10秒钟，然后将处于硬度计右侧靠后的卸荷手柄向后（箭头方向）轻轻推到极限位置，从指示器中读取数据。

③反时针转动手轮使试件与测头脱离，取下试样（或另选测试点重复以上程序）。

安全规程

①　手轮转动须一次到位，不可忽升忽降，影响测试。

②　每个试件测试不宜少于三次。

③　测试压痕中心至试件边缘的距离不得小于3mm。

测试点之间的距离应大于3倍的压痕直径。

载荷的加载、卸载注意轻、缓、稳，以保证数据的准确稳定。

8、洛氏硬度计的构造

请课下查阅有关的技术书籍。

9、表面洛氏硬度计（HR2-45型）

为了解决表面薄层硬度测量，常用表面洛氏硬度试验方法，其原理与一般洛氏硬度试验方法相同，区别在于该法所使用的金刚石圆锥压头和表盘指示器更为精密；

其初始载荷减为3kgf，总载荷分别减为15、30和45kgf。

实验室现有的表面洛氏硬度计是：

HR2-45型表面洛氏硬度计，在423房间。

其操作过程与HR-150A型宏观洛氏硬度计的操作一样，只是在读数上，以及表盘的表示有差别。

10、TH320全洛氏硬度计

TH320全洛氏硬度计为集洛氏硬度试验机、表面洛氏硬度试验机、塑料洛氏硬度试验机一体的多功能硬度计，采用洛氏（ROCKWELL）测量原理，可直接进行洛氏硬度测量、表面洛氏硬度测量、塑料洛氏硬度测量，并可以将洛氏硬度值转换为HB、HV、HLD、HK、σb值。

适用于碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及工程塑料等材料的硬度检测，具有测试精度高，测量范围宽，主试验力自动加卸载，测量结果数字显示并自动打印或与外部计算机通讯等特点。

可广泛应用于计量、机械制造、冶金、化工、建材等行业的检测、科研与生产。

本机执行标准为：

GB/T230.2-2002《金属洛氏硬度试验第2部分：

硬度计的检验与校准》、JB/T7409-94《塑料洛氏硬度计技术条件》、欧洲标准BSEN10109-96《金属材料硬度试验》、国际标准ISO6508.2《金属材料-洛氏硬度试验-硬度计的检验与校准》。

产品特点：

图5-3特殊的压头结构

结构独特本硬度计采用特殊的压头结构，除了可进行一般传统硬度计所能完成的测试外，还可以测试普通硬度计无法测到的表面，如环状、管状零件内表面，如上图所示。

测量范围宽可测HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK、HRL、HRM、HRP、HRR、HRS、HRV、HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T、HR15W、HR30W、HR45W、HR15X、HR30X、HR45X、HR15Y、HR30Y、HR45Y共30种标尺的硬度。

辅助功能强除一般硬度测试外，具有以下辅助功能：

上下限设置，超差判别报警；

数据统计，求平均值，标准差，最大、最小值；

标尺转换，可将测试结果转换为HB、HV、HLD、HK值以及强度σb；

曲面修正，对柱面、球面测量结果自动修正。

具有中文、英文两种文本菜单显示，硬度测量结果数字显示。

主要性能参数

测试分辨率0.1HR洛氏单位

工作温度10℃~35℃

当用于测试塑料硬度时，相对湿度不超过45%~75%

使用环境清洁，无振动，无强烈磁场，无腐蚀性介质

供电单相，交流，220V（可切换为110V，供货状态为220V），50~60Hz，4A

净重100kg

最大外形尺寸720mm×

240mm×

815mm

标尺

压头

试验力

硬度范围

HRA

金刚石压头

588.4N/60kgf

20-88

硬质合金，浅表面硬化钢

HRD

980.7N/100kgf

40-77

中等表面硬化钢，珠光体可锻铁等

HRC

1471N/150kgf

20-70

淬火钢，调质钢，硬铸钢等

HRF

钢球压头

直径1.5875mm

（1/16”）

60-100

退火铜合金，软质薄板合金

HRB

20-100

铜合金，软钢，铝合金

HRG

30-94

可锻铁，铜-镍-锌合金

HRH

直径3.175mm

（1/8”）

80-100

铝，锌，铅等

HRE

58-100

铸铁，铝及镁合金，轴承合金

HRK

40-100

青铜，铍青铜

HRL

直径6.350mm

（1/4”）

50-115

轴承合金及其它极软的金属如铝、锌、铅、锡等以及塑料、硬纸板等

HRM

HRP

100-120

HRR

直径12.70mm

（1/2”）

HRS

HRV

注1：

初试验力均为98.07N/10kgf。

注2：

硬度计可用于测定塑料硬度，但不适用于塑料薄膜、泡沫塑料。

本设备作为提高性实验技能部分，感兴趣的同学可以另行组织学习。

三、显微硬度技术

1、显微硬度

⑴显微硬度

如果用小的载荷把硬度测试的范围缩小到显微尺度以内就称为显微硬度。

显微硬度是金相分析中常用的测试手段之一。

它和一般硬度测定的原理及方法一样，只是加在锥形金刚石压头上的负荷极小，从数克到数百克，因此在试样上所留的压痕也极微小，压痕对角线一般只有几个微米到几十个微米，这么小的压痕必须用金相显微镜才能测量。

因而使得欲评定某一相或结构组分的硬度成为可能，进而为组织分析或性能分析提供依据。

显微硬度计类型很多，按结构来分主要有金刚石压头装入物镜和压头单独使用两种。

显微硬度测试原理：

显微硬度测试采用的压入法类型，所标志的硬度值实质上是金属表面抵抗因外力压入所引起的塑性变形的抗力的大小。

硬度值与其它静载荷下的力学性能指标存在着一定的关系，可借以获得其它性能的近似情况。

⑵压头类型

测量显微硬度的压头是个极小的金刚石锥体，重约0.05~0.06g，镶在压头的顶尖上。

显微硬度压头按几何形状分为两种类型：

一种是锥面夹角为136°

的正方锥体压头。

又称维氏（Vikers）锥体，压痕形状见图a，且d1=d2。

它的应用较为广泛。

在我国，苏联及其它欧洲各国均采用这一类型的压头。

另一种是菱面锥体压头，又称克诺伯（Knoop）型压头。

压痕形状见图b，且7d1=d2此类压头在美国使用较为普遍。

图5-4维氏、努氏压头几何形状

d1d2d1d2

图a图b

图5-5垂直看得压痕形状

在一般硬度测定时，当载荷去处后，压痕将因材料的弹性回复而略缩小。

甚至产生形状歪扭。

压痕的弹性回复量及歪扭程度取决于被测材料的物理性能及压头的形式。

努普（Knoop）型压头以菱面锥体压入试样表面，压头的形状设计恰使荷重去处后的弹性回复主要发生在短对角线方向，长对角线方向可忽略不计。

其目的在于避免压痕的弹性回复，以测得无弹性回复影响的显微硬度。

⑶显微硬度值

显微硬度值（HV）以单位压痕凹陷面积所承受的负荷作硬度值的计量指标。

单位是：

Kg/mm2。

压痕面积的计算方法随压头几何形状不同而异，硬度值与压痕对角线之间的关系可以通过几何关系推导出来。

1

维氏显微硬度值

式中，A是压痕面积，P是负荷（g），α是维氏锥体的夹角，d是压痕对角线长（μm）。

当α=136°

时，则：

压痕深度约为d/7。

2克诺伯型显微硬度值

式中，AP是压痕的投影面积（μm2），P是负荷（g），L是压痕长对角线长度（μm），W是压痕短对角线长度（μm）。

当W=0.14056L时，

压痕深度为L/30。

在相同负荷下，HK较HV的压痕深度浅，更适合于测定薄层硬度及过渡层硬度的分布。

计算显微硬度值，首先应当测量显微硬度压痕的对角线长度；

测量压痕的对角线长度时，维氏压痕是两个对角线的平均值，努氏压痕是只测量长对角线的长度。

一般仪器均附有显微硬度值与压痕对角线长度之间的换算表。

HXD-1000型显微硬度计在测量完压痕长度后，可以直接在显示屏上读出数据，非常方便。

显微硬度值的表达方式是：

400HV0.1，或400HK0.1。

其中，HV（HK）代表显微硬度，0.1代表载荷大小，400代表显微硬度值，保荷时间在15~20s，如果不是15~20s，需要标明：

400HV0.1/30，说明保荷时间是30s。

显微硬度的数值具有明确的物理意义：

单位面积上所承受的力（这样的说法存在争议）。

更新的显微硬度数值的表示方法是合乎国际标准的形式：

MPa、GPa（但是，这么表示，存在争议）。

HXD-1000型显微硬度计测试得到的显微硬度数值的单位是Kgf/mm2，若转换成国际单位的Mpa（106N/m2），近似的关系是1Kgf/mm2=9.8Mpa。

也就是说，Kgf/mm2单位制下的数值与Mpa单位制下的数值相差约10倍。

比如，看到显微硬度数值是9000Mpa时，与原来的约900Kgf/mm2是相对应的。

如果表示的是GPa，在数值后加2个零，就是近似的数值。

当然，准确的数值，需要尽可能精确换算。

⑷显微硬度计的结构

压头单独使用的显微硬度计

现在常见的显微硬度计，如苏联的∏MT-3、国产HX-200型、71型等显微硬度计，及本次课程使用的新型的HXD-1000数字显示型均属此类型；

下面仅以HXD-1000型硬度计为例，介绍其结构。

可以参考的资料：

HXD-1000型硬度计参考操作说明书

《金相检验技术基础》-1988年机械工业出版社；

《金属硬度实验》-1983年计量出版社。

⑸使用注意事项

1压痕中心距试样边缘的距离，或两相邻压痕中心之间的距离，应不小于二倍压痕对角线之长。

2试验矿物时，上述之距离应不低于五倍压痕对角线之长。

3试样厚度应不小于压痕对角线长度一倍半。

4试验金属合金之单独结构部分时，同样采用上列规程，并以晶粒之边界视作试样之边界。

2、测试步骤

参看附录中相应部分。

3、显微硬度在金相研究中的应用

⑴金属材料，合金相的研究

显微硬度通常用来测定显微组织中某一组织组成物或某一相的硬度。

显微硬度广泛用于测定金属及合金中各组成相的硬度，剖析其对合金性能的供献，为合金的正确设计提供依据。

如对各类碳化物显微硬度的研究。

为制造优良的硬质合金获得了有效成果。

借助合金中各组成相的显微硬度，分析在合金强化中起主要作用的结构部分。

因此，显微硬度又是配合研究多相合金中各组分对强化影响的重要手段。

⑵金属表面层性能的研究

①扩散层性能的研究，例如渗碳层，氮化层，金属扩散层等。

图5-6

②表面加工硬化层性能的研究。

如金属表层受机械加工，热加工的影响；

切削加工对表面硬度的影响。

⑶晶粒内部不均匀性的研究

由于显微硬度对化学成分不均匀的相具有较敏感的鉴定能力，故常用于研究分析晶粒内部的不均匀性。

如通过合金中固溶体枝晶偏析的测定，得到晶粒不均匀度与成分，状态间的关系，进而为控制、消除偏析提供数据。

⑷极细薄金属制成品硬度的测量

如薄片，细丝等

⑸特殊用途

显微组织的定位观察；

显微组织中的直线距离的测量；

断裂韧性的获得。

（需要更多的资料支持）

未清洗（硅钼棒）清洗（靠显微硬度压痕定位：

寻找、角度）

图5-7

4、载荷的选择、保荷时间

在条件允许的情况下，尽可能选取较大的载荷。

常见的载荷是0.1kg，保荷15秒。

5、显微硬度数值的可比性

显微硬度数值的可比性，必须是建立在相同载荷的前提下。

有关显微硬度的更进一步的情况，请参阅相关的材料。

6、响显微硬度值精确度的因素

⑴试样的制备

⑵负荷的选择

⑶压痕位置

⑷负荷加载的速度、停留时间

⑸操作者的个人因素

显微硬度压痕图片

显微硬度数值与载荷的关系

一般情况下，同一个样品的显微硬度的数值随着载荷选取的不同而变化，通常是载荷越大，显微硬度的测试数值越小，并趋于一个稳定值。

后面的图片、数值是同一个样品的测试效果。

感兴趣的同学，可以查阅有关资料。

4、1600-5122VKDMicromet5114显微硬度计技术性能特点

实验室最新购置的设备：

1600-5122VKDMicromet5114显微硬度计。

现将其特点、功能简单介绍一下。

1、数字式载荷控制，载荷范围：

10gf-1000gf（10gf，25gf，50gf，100gf，200gf，300gf，500gf，and1000gf）；

2、自动转塔台，并带有三个物镜（10х，20хand50х）和两个放置韦氏或努氏压头的位置；

3、带有硬度计校准证书和测试标准块；

4、数字式丝状目镜可使努氏和韦氏的显微硬度精密测量值的精度达到0.01μm，并可同时在LCD显示屏上直接读取测量值；

5、读取的测量值可在LCD显示屏上直接转换成洛氏等其他硬度值；

6、可储存256个压痕，并进行统计分析和生成相应的报告，还可打印出最大值、最小值、平均值、范围、标准离差和各种硬度计已设置好的信息；

7、载物台X、Y轴最大行程为25mm，定位精度：

0.001mm,并可在千分尺的LCD显示屏和控制台的LCD显示屏上同时进行读取，单位包括公制和英制；

8、50W的带有光圈和过滤器的卤素照明装置可使硬度计具有显微镜的功能用于显微观察；

9、硬度计配有详细的操作使用说明手册、样品卡具、灰尘罩、照相装置接口、标准测试块和相关的工具；

10、韦氏、努氏压头为标准配置。

四、洛氏硬度HRC与其它硬度及强度换算表（试行）

洛氏硬度

布氏硬度HB10/3000

维氏硬度HV

表面洛氏硬度

强度（近似值）

15-N

30-N

45-N

65.0

64.5

64.0

63.5

63.0

83.6

83.4

83.1

82.9

82.6

-

798

785

774

763

751

92.5

92.3

92.1

92.0

91.8

81.4

81.1

80.7

80.3

80.0

71.4

71.0

70.5

70.0

69.6

62.5

62.0

61.5

61.0

60.5

82.3

82.1

81.8

81.5

81.3

741

730

719

708

697

91.6

91.4

91.3

91.1

90.9

79.6

79.2

78.8

78.4

78.0

69.1

68.6

68.1

67.6

67.1

60.0

59.5

59.0

58.5

58.0

81.0

80.5

80.4

687

676

666

655

645

90.7

90.4

90.2

90.0

89.8

77.6

77.2

76.8

76.4

76.0

66.5

66.0

65.4

64.9

64.3

267.5

261.5

255.5

249.5

243.5

57.5

57.0

56.5

56.0

55.5

79.7

79.5

79.4

78.9

78.6

635

625

615

605

596

89.5

89.3

89.0

88.8

88.6

75.5

75.1

74.7

74.2

73.8

63.7

63.2

62.6

61.4

237.0

231.5

226.5

221.0

216.0

55.0

54.5

54.0

53.5

53.0

78.1

77.9

77.4

538

532

526

520

515

587

578

569

560

551

88.3

88.1

87.8

87.6

87.3

73.4

72.9

72.5

72.0

71.5

60.9

60.3

59.7

59.1

211.5

207.5

203.0

198.5

194.5

52.5

52.0

51.5

51.0

50.5

77.1

76.9

76.6

76.3

76.1

509

503

497

492

486

543

535

527

512

87.1

86.8

86.6

86.3

86.0

71.1

70.6

70.2

69.7

69.3

57.9

57.4

56.8

56.2

55.6

190.5

187.5

184.0

180.5

177.5

50.0

49.5

49.0

48.5

48.0

75.8

75.3

75.0

74.8

480

474

469

463

457

505

496

489

482

475

85.8

85.5

85.2

85.0

84.7

68.8

68.3

67.9

67.4

66.9

54.4

53.8

53.2

52.6

174.5

171.5

168.5

166.0

163.5

47.5

47.0

46.5

46.0

45.5

74.5

74.4

74.0

73.7

73.5

451

445

439

433

428

468

461

454

448

441

84.4

84