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硬度,物理学专业术语,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。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。硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验,生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。

基本概念

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
简单记忆方法:滑 石 方、萤 磷 长、石英 、黄玉 刚、 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、强度和韧性等力学性能的综合指标硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法(如布氏硬度洛氏硬度维氏硬度等)、划痕法(如莫氏硬度)、回跳法(如肖氏硬度)及显微硬度、高温硬度等多种方法。
布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示(HBS\HBW)(参照GB/T231-1984),生产中常用布氏硬度法测定经退火、正火调质的钢件,以及铸铁有色金属、低合金结构钢等毛胚或半成品的硬度。
洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种,它们的测量范围和应用范围也不同。一般生产中HRC用得最多。压痕较小,可测较薄的材料和硬的材料和成品件的硬度。
维氏硬度以HV表示(参照GB/T4340-1999),测量极薄试样。

硬度分类

洛氏硬度

洛氏硬度试验采用三种试验力,三种压头,它们共有9种组合,对应于洛氏硬度的9个标尺。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。最常用标尺是HRC、HRB和HRF,其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属,但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。
表面洛氏硬度试验采用三种试验力,两种压头,它们有6种组合,对应于表面洛氏硬度的6个标尺。表面洛氏硬度试验是对洛氏硬度试验的一种补充,在采用洛氏硬度试验时,当遇到材料较薄,试样较小,表面硬化层较浅或测试表面镀覆层时,就应改用表面洛氏硬度试验。这时采用与洛氏硬度试验相同的压头,采用只有洛氏硬度试验几分之一大小的试验力,就可以在上述试样上得到有效的硬度试验结果。表面洛氏硬度的N标尺适用于类似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD测试的材料;T标尺适用于类似洛氏硬度的HRB、HRF和HRG测试的材料。
HRC标尺的使用范围是20~70HRC,当硬度值小于20HRC时,因为压头的圆锥部分压入太多,灵敏度下降,这时应改用HRB标尺。尽管HRC标尺被规定的上限值为70HRC,但是当试样硬度大于67HRC时,压头尖端承受的压力过大,金刚石容易损坏,压头寿命会大大缩短,因此一般应改用HRA标尺。
HRA标尺的使用范围是20-88HRA,由美国标准ASTM E140可以获得以下换算关系:
27HRA≈30HRB
60HRA≈100HRB≈20HRC
85.6HRA≈68HRC
可见,HRA标尺的测试范围涵盖了从软钢(HRB)、硬钢(HRC)到硬质合金的硬度范围。然而,事实上HRA标尺很少用于测试软钢,主要用于测试薄硬钢板、深层渗碳钢和硬质合金。在硬质合金方面,由于技术进步,有些材料硬度已达到93-94HRA,这已超出标准规定。工程上超出HRA高端的测量范围已成为惯例。 HRA标尺有一个特殊用途。在使用洛氏硬度计测试钢试样时,如果不知试样是软钢还是硬钢,可先用HRA标尺试测一下,当硬度值小于60HRA时可改用HRB标尺,当硬度值大于60HRA时可改用HRC标尺。
HRB标尺的使用范围是20~100HRB,当硬度值低于20HRB时,由于钢球的压入深度过大,金属蠕变加剧,试样在试验力作用下的变形时间延长,测试值准确度降低,此时应改用HRF标尺。当硬度值大于100HRB时,因为钢球压入深度过浅,灵敏度降低,精度下降,此时应改用HRC标尺。在使用HRB标尺测试钢试样时,一个特别值得注意的地方是:当预先不知道试样是软钢还是硬钢时,决不可使用HRB标尺做测试,因为用钢球压头误测了淬火钢,钢球就可能会变形,钢球压头就会损坏,这是钢球压头损坏的主要原因。遇到这种情况时应先用金刚石压头,用HRA标尺测试一下,再决定是用HRB还是用HRC。
HRF标尺的使用范围是60~100HRF。HRF标尺是国外使用较多的一个标尺,它是测试纯铜和较软的铜合金材料很好的检测手段。但是在我国,也存在标准硬度块短缺的问题,它的应用也受到了限制。
HRG标尺适用于HRB值接近100的材料,对于铍青铜、磷青铜、可锻铸铁这些硬度范围介于HRB标尺的高端和HRC标尺低端的材料,如果改用HRG标尺,就可以大大改善测试的灵敏度,提高测试精度。
其他
1.HRC含意是洛氏硬度C标尺,
2.HRC和HB在生产中的应用都很广泛
3.HRC适用范围HRC 20--67,相当于HB225--650
若硬度高于此范围则用洛氏硬度A标尺HRA。
若硬度低于此范围则用洛氏硬度B标尺HRB。
布氏硬度上限值HB650,不能高于此值。
4.洛氏硬度计C标尺之压头为顶角120度的金刚石圆锥,试验载荷为一确定值,中国标准是150公斤力。
布氏硬度计之压头为淬硬钢球(HBS)或硬质合金球(HBW),试验载荷随球直径不同而不同,从3000到31.25公斤力。
5.洛氏硬度压痕很小,测量值有局部性,须测数点求平均值,适用成品和薄片,归于无损检测一类。
布氏硬度压痕较大,测量值准,不适用成品和薄片,一般不归于无损检测一类。
6.洛氏硬度的硬度值是一无名数,没有单位。(因此习惯称洛氏硬度为多少度是不正确的。)
布氏硬度的硬度值有单位,且和抗拉强度有一定的近似关系。
7.洛氏硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示,操作方便,快捷直观,适用于大量生产中。
布氏硬度需要用显微镜测量压痕直径,然后查表或计算,操作较繁琐。
8.在一定条件下,HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为:1HRC≈10HB。

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。
标注方法举例
150HBW10/1000/30表示压头直径为10mm的硬质合金球,在1000kgf试验力的作用下,保持30s时测得的布氏硬度值为150

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,从较软材料到超硬材料,几乎涵盖各种材料。
维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同,也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头是金刚石的正四棱锥体。试验时,在一定载荷的作用下,试样表面上压出一个四方锥形的压痕,测量压痕对角线长度,除以计算压痕的表面积,载荷除以表面积的数值就是试样的硬度值,用符号HV表示。

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。
标注方法举例
640HV

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)

巴氏硬度

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。

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

韦氏硬度

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。

硬度测定

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。
硬度测定范围:
HS<100
HBW 3 ~ 660
HRC 20~70 , HRA 20~88, HRB 20~100
HR15N 70~94,HR30N 42~86,HR45N 20~77
HR15T 67~93,HR30T 29~82,HR45T 10~72
HV<4000
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°.
水的硬度水质的重要指标,通常分为五类:
软水软水 中硬水硬水 很硬水
0°~4° 4°~8°8°~16° 16°~30° >30°

测试种类

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。

测量方法

洛氏硬度
采用测量压入深度的方式,硬度值可直接读出,操作简单快捷,工作效率高。然而由于金刚石压头的生产及测量机构精度不佳。
特点:
1.测量迅速简便,效率高;
2.试验力小,压痕小;
3.可测定各种材料的硬度;
4.可测定较薄工件的硬度;
5.可测成品;
6.测量精度低,需要多次测量取平均值。
维氏硬度
代号:HV
简介:维氏硬度 英文词条名:Vickers-hardness 表示材料硬度的一种标准。由英国科学家维克斯首先提出。以49.03~980.7N(5kg~10kg)的负荷,将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后,用测量压痕对角线长度,再按公式来计算硬度的大小。它适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。维氏硬度尚有小负荷维氏硬度,试验负荷1.961~<49.03N,它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定;显微维氏硬度,试验负荷<1.961N,适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。
HV-适用于显微镜分析。维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面,用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值,即为维氏硬度值(HV)。
维氏硬度计算公式为:
P为载荷,如10kg。 d为压痕对角线长度(mm)。 HV10
维氏硬度计测量范围宽广,可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料,从很软的材料(几个维氏硬度单位)到很硬的材料(3000个维氏硬度单位)都可测量。
测试样图:
维氏硬度照片
陶瓷抛光样品压痕光学显微镜照片(对角线d)
布氏硬度
具有较大的压头和较大的试验力,得到压痕较大,因而能测出试样较大范围的性能。与抗拉强度有着近似的换算关系。测量结果较为准确。对材料表面破坏较大,不适合测量成品。测量过程复杂费事。适合测量灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料,适用于原料及半成品硬度测量。
对于测量精度,维氏大于布氏,布氏大于洛氏。
特点:
1.试验力大,压痕大,准确性高;
2.测量效率低;
3.不宜测量太小或太薄的试样;
4.不宜测高硬度材料;
5.不宜测成品。
显微硬度
压痕极小,可以归为无损检测一类;适用于测量诸如钟表较微小的零件,及表面渗碳、氮化等表面硬化层的硬度。除了正四棱锥金刚石压头之外,还有三角形角锥体、双锥形、船底形、双柱形压头,适用于测量特殊材料和形状的硬度。
努氏硬度
努氏硬度测量精度比维氏硬度还要高,而且同样试验力下,比维氏硬度压入深度较浅,适合测量薄层硬度。再加上努氏压头作用下压痕周围脆裂倾向性小,适合测量高硬度金属陶瓷材料,人造宝石及玻璃、矿石等脆性材料。
肖氏硬度
肖氏硬度 - Shore scleroscope hardness .
操作简单,测量迅速,试验力小,基本不损坏工件,适合现场测量大型工件,广泛应用于轧辊及机床、大齿轮、螺旋桨等大型工件。肖氏硬度是轧辊重要指标之一。
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。用测得的撞销回跳的高度来表示硬度。
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,试样表面光洁度等因素的影响,数据分散性较大,其测试结果的比较只限于弹性模量相同的材料。它对试样的厚度和重量都有一定要求,不适于较薄和较小试样,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。肖氏硬度计便于携带,特别适用于冶金、重型机械行业中的中大型工件,例如大型构件、铸件、锻件、曲轴、轧辊、特大型齿轮、机床导轨等工件。在橡胶、塑料行业中常称作邵氏硬度。
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- 来自原声例句
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