常州精密钢管博客

金属材料的硬度基础知识

●  材料抵抗表面变形的能力叫硬度

硬度与材料的抗拉强度、弹性模量和抗压强度有一定关系,对材料的加工、摩擦和磨损均有重大影响。

常用测试方法有三种:压痕法、回跳法和刻痕法。

1. 布氏硬度HB(Brinell hardness)

布氏硬度是用一定载荷P,将淬火钢球压头压入被测材料表面,保持一定时间后卸载,根据压入的直径d的压痕面积A(图2-12)来获得。计算式为:

HB主要用于退火状态下的钢铁、铸铁、有色金属及一些特殊非金属材料,适用于HB<450的金属材料。

例如,布氏硬度记为200HB10/1000/30。这表示直径为10mm的钢球,在1000kgf作用下保持30s后测得的硬度为200。


2. 洛氏硬度 HR(Rockwell hardness)

洛氏硬度是用规定的压力,将金刚石圆锥体压头压入材料的表面,测量压痕深度h来换算(图2-13) : 

HR =K-h)/0.002(无量纲) (2-7)

规定每 0.002mm为一个单位的洛氏硬度,可以通过查表而求得。

根据压头和载荷的大小,洛氏硬度分为HRC、HRB 、 HRA三种类型 (见下表)。       

洛氏硬度可以直读,操作方便,适用广泛,可测量低硬度和高硬度的金属材料。但洛氏硬度载荷大,标尺不统一,不适用于测定硬而脆的薄层。薄层材料一般采用维氏硬度来测定。

3. 维氏硬度HV(Vickers hardness)      

维氏硬度是用两对对面体的夹角均为136°的金刚石四面体菱形压头来测定的。它是通过测量压头压入部分的对角线长度(图2-14)来计算的。

                               HV=1.8544P/d2    

布氏、洛氏和维氏这三种硬度的测定法,压头的载荷大,面积大,故一般适用于各种金属材料的硬度值的测定。

而且,由于压头载荷大,面积大,一般只能测定金属材料显微组织的平均硬度值,不适合测定局部区域范围的材料硬度。例如,薄模、偏析、微相、扩散深度等。

因此,需要有一种能精细测定小范围区域材料硬度的测定方法。

4. 小载荷显微硬度(small load hardness)

(1)维氏显微硬度(Vickers micro-hardness)

维氏显微硬度, 简称显微硬度, 是测量陶瓷和金属合金中某一相微区的硬度, 如图2-15所示。

 显微硬度的压头形状与维氏硬度一样,只是体积小、载荷小,小到仅有几克到几百克, 例如,2g、5g、10g、50g、100g、200g。其压痕长度以微米表示,计算公式为:

         HVP=1854.4P/d2                

         其中,P是g,d是μm。        

 例如,HV50=900表示外加压力为50g下的显微硬度值为900 或表示为900HV0.05 。

由于显微硬度的压痕小,故被测材料要做成金相试样。因此,它适合于陶瓷材料的硬度测定,见表2-2。

(2)努氏硬度(Knoop’s hardness)

努氏硬度是从显微硬度发展而来的。

它的压头形状是金刚石材料制成的长棱形体,两个长棱夹角为172.5 °, 两个短棱夹角为130 °,长短对角线长度之比L/W为7.11倍。其计算值为:

                         HK=1.451P/L2                  

其中,L为压痕的对角线长度(μm) ,K为Knoop的缩写, P为载荷(N), 其值在0.4903-19.61N之间。

努氏硬度精度高,适用于无机材料,尤其是先进陶瓷材料,硬度的测量比维氏硬度更为精确些,但样品的表面光清洁度要求较高。

(3)邵氏硬度(Shore hardness)

使用硬度计,在规定的试验条件下用标准弹簧压力将硬度计上的压针压入试样,以压入深度转换为硬度值,直接由硬度计读出邵氏值HS。

HS分为邵氏A和邵氏D。

邵氏A适用于软塑料,如橡胶、泡沫塑料等;

邵氏D则适用于硬塑料,如聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA6、PA66)等。

(4)肖氏硬度(Shore  scleroscope hardness)

肖氏硬度又叫回跳硬度,是动载试验法。

其原理是将一定重量的具有金刚石圆头或钢球的标准冲头从一定高度 h。自由落体到试件表面,然后由于试件的弹性变形使冲头回跳到某一高度h,用这两个高度的比值来计算肖氏硬度值KS。

肖氏硬度无量纲,冲头回跳高度越高,则试样的硬度越高。

(5)  莫氏硬度 (Mohs hardness)

●  陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度。

它表示硬度从小到大的顺序,不表示软硬的程度。后面的材料可以划破前面材料的表面。

莫氏硬度以前仅分为10级, 1级最小,10级最硬。相应硬度的排序为:

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。

后来又出现了一些人工合成的高硬度陶瓷,莫氏硬度等级范围扩大,现分为15级。

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