硬度測試

測試原理

在規(guī)定的加荷時間內(nèi)，在受試材料上面的鋼球上施加一個恒定的初負(fù)荷，隨后施加主負(fù)荷，然后在恢復(fù)到相同的初負(fù)荷。測量結(jié)果是由鋼球壓入材料的總深度，減去卸去主負(fù)荷后規(guī)定時間內(nèi)的彈性恢復(fù)以及初負(fù)荷引起的壓入深度。

術(shù)語及定義

洛氏硬度標(biāo)尺每一分度表示壓頭垂直移動0.002mm。洛氏硬度值由下式求出:

HR=130-e/0.002

HR-洛氏硬度值

e-主負(fù)荷卸除后的壓入深度

測試程序

邵氏A型硬度測試方式:

使用邵氏A型硬度機測試，測試時需注意按照標(biāo)準(zhǔn)。

按照標(biāo)準(zhǔn)，測試環(huán)境須在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(23±2℃，50±5% R.H) 進(jìn)行，且測試前試片須在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下放置40小時以上。測試時，將試片置于硬度試驗機平臺上。調(diào)整使壓針頭與試樣表面的距離至25.4±2.5mm，然后，施加合適力度(不沖擊被測物)使壓針頭壓在試樣上。待完全壓下，與測試物接觸1秒內(nèi)，立即讀取刻度值到整數(shù)字并記錄其結(jié)果。(根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，讀數(shù)時間有不同)

為了讓數(shù)值準(zhǔn)確，需量取5處且每處相距6mm以上。(部分標(biāo)準(zhǔn)取平均值作為硬度，部分取中間值)

若試驗結(jié)果低于10或高于90則不適用此硬度試驗機。大于90時改用邵D型硬度計。

邵氏D型硬度計:

測試方法和A型一致，但若試驗結(jié)果低于20或高于90則不適用此硬度試驗機。低于20時，改用邵A型硬度計。

簡單來講，邵氏A測試比較軟的材料(如橡膠)，邵氏D測試比較硬的材料(如塑料)。

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

術(shù)語及定義Terms and Definition

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。

測試程序

洛氏硬度應(yīng)選擇在較小的溫度變化范圍內(nèi)進(jìn)行，因為溫度變化可能會對試驗結(jié)果有影響。所以試驗一般規(guī)定在10~35℃的室溫進(jìn)行。試樣應(yīng)平穩(wěn)地放置在剛性支承物上，并使壓頭軸線與試樣表面垂直。避免試樣產(chǎn)生位移。使壓頭與試樣表面接觸，在無沖擊和振動的情況下施加試驗力，初試驗力保持不應(yīng)超過3秒。將測在不小于1s且不大于8s的時間內(nèi)，從初試驗力增加到總試驗力，并保持4s±2s，然后卸除主試驗力，保持初試驗力，經(jīng)過短暫穩(wěn)定后，進(jìn)行讀數(shù)。為了讀數(shù)準(zhǔn)確，在試驗過程中，硬度計應(yīng)避免受到任何沖擊和震動。

在多處取值時，兩相鄰壓痕中心間距離至少應(yīng)為壓痕直徑的 4倍，但不得小于2mm。任一壓痕中心距試樣邊緣距離至少應(yīng)為壓痕直徑的2.5倍， 但不得小于1mm。

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。

測試程序

一般試驗在10~35℃的室溫進(jìn)行即可，如果有對溫度要求嚴(yán)格的試驗(視乎材料對溫度的敏感性)，試驗溫度應(yīng)為23℃±5℃。

試驗力的選擇應(yīng)保證壓痕直徑在0.24D~0.6D之間。試驗力-壓頭球直徑的平方的比率鞋(1.02F/D2比值)應(yīng)根據(jù)材料和硬度值選擇。

為了保證在盡可能大的有代表性的試樣區(qū)域試驗，應(yīng)盡可能選取大直徑的壓頭;當(dāng)試樣尺寸允許時，應(yīng)優(yōu)先使用直徑為10mm的球壓頭進(jìn)行試驗。

使壓頭與試樣表面垂直接觸，垂直于試驗面施加試驗力，加力過程中不應(yīng)有沖擊和震動，直至將試驗力施加至規(guī)定值。

試驗力保持時間為10~15秒。對特殊材料，試驗力保持時間可以延長，但誤差應(yīng)在±2秒。

任一壓痕中心距試樣邊緣距離，至少為壓痕平均直徑的2.5倍。相鄰壓痕中心間的距離至少為壓痕直徑的3倍。應(yīng)在兩相互垂直方向測量壓痕直徑，用兩個讀數(shù)的平均值計算布氏硬度。(或按GB/T 231.4查得布氏硬度值)

布氏硬度試驗范圍上限不大于650HBW 。

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。

測試程序

試驗一般在10~35℃的室溫進(jìn)行。對溫度要求嚴(yán)格的試驗，試驗溫度應(yīng)為23℃±5℃。根據(jù)試樣厚度和硬度選擇試驗力。使壓頭與試樣表面垂直接觸，垂直于試驗面施加試驗力，加力過程中不應(yīng)有沖擊和震動，直至將試驗力施加至規(guī)定值。試驗力保持時間為10~15秒。對特殊材料，試驗力保持時間可以延長，直至試樣不再發(fā)生塑性變形，但誤差應(yīng)在±2秒。

應(yīng)測量壓痕兩條對角線長度，用其算術(shù)平均值或通過查表得到硬度值。

放大系統(tǒng)應(yīng)能將對角線放大到視場的25%~75%。

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。

測試程序

試驗一般在10~35℃的室溫進(jìn)行。對溫度要求嚴(yán)格的試驗，試驗溫度應(yīng)為23℃±5℃。根據(jù)試樣厚度和硬度選擇試驗力。使壓頭與試樣表面垂直接觸，垂直于試驗面施加試驗力，加力過程中不應(yīng)有沖擊和震動，直至將試驗力施加至規(guī)定值。保持試驗力的時間為10~15秒。對特殊材料，試驗力保持時間可以延長，但誤差應(yīng)在±2秒。

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GB/T 231.2-2002 金屬布氏硬度試驗第2部分:硬度計的檢驗與校準(zhǔn) 2003-05-01實施,代替GB/T 6269-1997

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GB/T 3854-2005 增強塑料巴柯爾硬度試驗方法 2005-12-01實施,代替GB/T 3854-1983

GB/T 5766-2007 摩擦材料洛氏硬度試驗方法 2008-06-01實施,代替GB/T 5766-1996

GB/T 2654-2008 焊接接頭硬度試驗方法 2008-09-01實施,代替GB/T 2654-1989

GB/T 531.1-2008 硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第1部分:邵氏硬度計法(邵爾硬度) 2008-12-01實施

GB/T 13313-2008 軋輥肖氏、里氏硬度試驗方法 2009-05-01實施,代替GB/T 13313-1991

GB/T 1941-2009 木材硬度試驗方法 2009-08-01實施,代替GB/T 1941-1991

GB/T 4909.8-2009 裸電線試驗方法第8部分:硬度試驗布氏法 2009-12-01實施

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GB/T 16534-2009 精細(xì)陶瓷室溫硬度試驗方法 2009-12-01實施,代替GB/T 16534-1996

GB/T 231.4-2009 金屬材料布氏硬度試驗第4部分:硬度值表 2010-04-01實施

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GB/T 18449.4-2009 金屬材料努氏硬度試驗第4部分:硬度值表 2010-04-01實施

GB/T 4340.4-2009 金屬材料維氏硬度試驗第4部分:硬度值表 2010-04-01實施

GB/T 18449.1-2009 金屬材料努氏硬度試驗第1部分:試驗方法 2010-04-01實施,代替GB/T 18449.1-2001

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GB/T 3849.2-2010 硬質(zhì)合金洛氏硬度試驗(A標(biāo)尺)第2部分:標(biāo)準(zhǔn)試塊的制備和校準(zhǔn) 2011-11-01實施

GB/T 27552-2011 金屬材料焊縫破壞性試驗焊接接頭顯微硬度試驗

GB/T 9790-1988 金屬覆蓋層及其他有關(guān)覆蓋層維氏和努氏顯微硬度試驗 1989-09-01實施

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19. ISO6506-2:1999,Metallic materials-Brinell hardness test-Part 2:Verification and calibration of testing machines

20. ISO6506-3:1999,Metallic materials-Brinell hardness test-Part 3:Calibration of reference blocks

21. ISO6507-1:1997,Metallic materials-Vickers hardness test-Part 1:Test method

22. ISO6507-2:1997,Metallic materials-Vickers hardness test-Part 2:Verification and calibration of testing machines

23. ISO6507-3:1997,Metallic materials-Vickers hardness test-Part 3:Calibration of reference blocks

24. ISO6508-1:1999,Metallic materials-Rockwell hardness test-Part 1:Test method(sacles A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T)

25. ISO6508-2:1999,Metallic materials-Rockwell hardness test-Part 2:Verification and calibration of testing machines(sacles A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T)

26. ISO6508-3:1999,Metallic materials-Rockwell hardness test-Part 3:Calibration of reference blocks(sacles A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T)

27. ASTM E10 Test method for Brinell hardness of Metallic materials

28. ASTM E18-03 Test methods for Rockwell hardness and Rockwell Superficial hardness of Metallic materials

29. ASTM E92 Test method for Vickers hardness of Metallic materials

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?；鼗饻囟仍礁撸貢r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。可以通過機械方法(上磨床)或手工方法去掉擠壓層。還要強調(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。