硬度測試
所謂硬度，就是材料抵抗更硬物壓入其表面的能力。根據(jù)試驗方法和適應(yīng)范圍的不同，硬度單位可分為布氏硬度、維氏硬度、洛氏硬度、顯微維氏硬度等許多種，不同的單位有不同的測試方法，適用于不同特性的材料或場合。
測試特點
硬度測試是檢測材料性能的重要指標(biāo)之一，也是最快速最經(jīng)濟(jì)的試驗方法之一。之所以能成為力學(xué)性能試驗的常用方法， 是因為硬度測試能反映出材料在化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和處理工藝上的差異。常被作為監(jiān)督手段應(yīng)用于各行各業(yè)。例如在鋼鐵材料中，當(dāng)馬氏體形成時，由于溶入過飽和的碳原子而增大了晶格畸變，增加了錯位密度，從而顯著降低了塑性變形能力，這就是馬氏體高硬度的原因。顯然含碳量越高這種畸變程度就越大，則硬度也越高，不同含碳量的鋼在淬火后，硬度值與馬氏體量及其含碳量間在很大范圍內(nèi)有很好的對應(yīng)關(guān)系，淬火鋼回火后的硬度取決于回火溫度及保溫時間。回火溫度越高，保溫時間越長，硬度越低。因此可以利用硬度試驗來研究鋼的相變和作為檢測鋼鐵熱處理效應(yīng)的手段。
測試方法
金屬洛氏
測試原理
將壓頭（金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球）分兩個步驟壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除主試驗力，測量在初試驗力下的殘余壓痕深度h，根據(jù)h值及常數(shù)N和S計算洛氏硬度。
術(shù)語及定義
洛氏硬度=N-h/S；
初始試驗力-------試驗時預(yù)加載試驗力。
主試驗力-------使測量樣品產(chǎn)生殘余壓痕的加載。
總試驗力-------初始試驗力加上主試驗力。
金屬布氏
測試原理
對一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕的直徑。布氏硬度與試驗力除以壓痕表面積的商成正比。壓痕被看作是具有一定半徑的球形，其半徑是壓頭球直徑的二分之一。
術(shù)語及定義
試驗力——試驗時所用的負(fù)載。
壓痕平均直徑——兩相互垂直方向測量的壓痕直徑的算術(shù)平均值。
球直徑——壓頭中硬質(zhì)合金球的直徑。
金屬維氏
測試原理
將頂部兩相對面具有規(guī)定角度的正四棱錐體金剛石壓頭用試驗力壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長。維氏硬度值是試驗力除以壓痕表面積所得的商，壓痕被視為具有正方形基面并與壓頭角度相同的理想形狀。
術(shù)語及定義
試驗力------試驗時所用的負(fù)載。
壓痕對角線------卸載后，壓頭在被測樣品表面留下的方形或菱形壓痕的對角線。
壓頭夾角------壓頭頂部兩相對面的夾角。
顯微維氏
術(shù)語及定義
試驗力——試驗時所用的負(fù)載。
壓痕對角線——卸載后，壓頭在被測樣品表面留下的方形或菱形壓痕的對角線。
壓頭夾角——壓頭頂部兩相對面的夾角。
影響因素
測量工作使用的儀器設(shè)備很多，每種儀器設(shè)備在使用時都有許多不利因素影響其測量值的準(zhǔn)確性。本文僅對兩種常規(guī)儀器洛氏硬度計、布氏硬度計)在使用時，容易被檢測人員忽略的一些較常見的影響因素進(jìn)行針對性分析，并提出了解決辦法。
粗糙度
粗糙度的影響及解決辦法
我們知道，用臺式 超級恒溫水浴測量布氏硬度時，的壓頭是鋼球壓頭，在一定的壓力下壓入被測表面而得到一個圓形壓痕，再用讀數(shù)顯微鏡測量圓形壓痕的直徑，然后在布氏硬度表中查找相應(yīng)的硬度值，即被測試樣的硬度值，而被測表面的粗糙度直接影響硬度測量值的準(zhǔn)確性。當(dāng)被測表面粗糙度值大于Ra=0.8μm時，隨著粗糙度值的增大，被測表面對壓頭的抗力愈小，其塑性變形愈大，圓形壓痕就愈大，相應(yīng)的硬度值也就愈小，致使測量值偏低于其真實值。試驗證明，測量偏差在10HB以上(注：用臺式硬度計測量洛氏硬度時，粗糙度的影響較小，本文就不進(jìn)行分析了)。
當(dāng)我們用便攜式微電腦超聲硬度計測量硬度時，粗糙度的影響較用臺式硬度計就更大了。當(dāng)被測表面粗糙度值大于Ra=0.8μm時，隨著粗糙度值的增大，硬度計的金剛石角錐體壓頭與被測表面的接觸面積就會增大。這種接觸包括壓痕接觸和非壓痕接觸。
壓痕接觸即壓頭自身壓入被測表面后壓頭與壓痕的接觸，接觸面積也是極微小的；而非壓痕接觸是指硬度計壓頭的錐面與被測表面輪廓峰斜面的接觸。非壓痕接觸對硬度測量是不利的。因為，微電腦超聲硬度計工作原理是借助于桿的超聲振動測量硬度的。在均勻的接觸壓力下，使桿的諧振頻率隨試樣的硬度高低而改變。若試樣的硬度愈低，壓痕接觸面積愈大，被測表面對傳感器桿壓頭的阻尼愈大，傳感器桿壓頭振動幅度就愈小，諧振頻率也就愈高。也就是說， 恒溫水箱壓痕接觸面積愈大，超聲硬度計的示值愈低。而非壓痕接觸大大地增加了壓頭與被測表面的接觸面積，致使示值偏低于真實值。試驗證明，洛氏硬度測量偏差在10HRC左右；布氏硬度測量偏差在20HB左右。
解決辦法在測量試樣硬度時，我們必須注意被測表面粗糙度是否符合的檢測條件。在正常使用的條件下，必須保證試樣的被測表面粗糙度值小于或等于Ra=0.8μm，若試樣的被測表面粗糙度值大于Ra=0.8μm，可以通過機(jī)械方法(上磨床)或手工方法，對被測表面進(jìn)行研磨修整，使試樣的被測表面粗糙度達(dá)到檢側(cè)條件。將粗糙度影響程度降到最低，這樣我們才能獲得準(zhǔn)確的測量值。
擠壓層
擠壓層的影響及解決辦法
擠壓層即經(jīng)車床精車加工出來的試件表面上的一層薄薄的硬層。試件在被精車加工時，車刀同時對試件表面有一個擠壓(滾壓)作用，使精車面表層的金屬晶粒變形細(xì)化，較試件深層的金屬晶粒更細(xì)密，從而產(chǎn)生了一層薄薄的硬層。硬層厚度一般在0.3毫米左右。這一硬層致使硬度測量值偏高于真空值，對用臺式硬度計和微電腦超聲硬度計測量硬度的準(zhǔn)確性有不同程度的影響。
當(dāng)我們用臺式硬度計測量洛氏硬度時，硬度計壓頭是金剛石錐體，壓頭(錐頂直徑為0.4毫米)與被測表面的接觸面積較小。加載時，壓頭很容易穿透擠壓層，因此硬度的測量偏差較小。試驗證明，測量偏差一般在5HRC以內(nèi)。用臺式硬度計測量布氏硬度時，硬度計壓頭是鋼球壓頭，壓頭與被測表面的接觸面積較大。加載時，壓頭必須克服擠壓層的較大阻力才能壓入被測表面，這就使壓頭的壓入量不夠，所壓得的圓形壓痕也隨之變小，致使相應(yīng)的硬度值偏高于其真實值。而且硬度的測量偏差較大。試驗證明，硬度的測量偏差在20HB左右。另外，無論測量洛氏硬度還是布氏硬度，隨著試件自身硬度的增大，硬度的測量偏差就會減小。
擠壓層對用微電腦超聲<硬度計< a="">測量硬度的準(zhǔn)確性影響最大。用超聲硬度計測量硬度對試件的損傷極小，基本是無損檢測。在10N試驗負(fù)荷下，壓痕深度一般在4μm至50μm左右。而擠壓層的厚度一般在0.3毫米左右。因此，超聲硬度計的角錐體壓頭根本不能穿透擠壓層，測得的硬度值僅是擠壓層的硬度，而不是試件本身真實的硬度。擠壓層硬度高出試件真實硬度很多，如果我們忽略了這一不利因素，就會造成了很大的測量偏差。試驗證明，洛氏硬度的測量偏差一般在5-10HRC；布氏硬度的測量偏差一般在幾十個HB解決辦法：如果我們在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)精車的試件，在測量其硬度前，必須把被測表面測量位置的擠壓層處理掉；也可以把整個被測表面的擠壓層處理掉。可以通過機(jī)械方法(上磨床)或手工方法去掉擠壓層。還要強(qiáng)調(diào)一點，如果我們用手工方法處理擠壓層，被測表面粗糙度有可能被破壞。如果這樣，還必須對被測表面進(jìn)行研磨修整，使試件的被測表面粗糙度達(dá)到檢測條件。這樣我們才能獲得真實可靠的測量值。
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