力学性能试验第四章硬度.ppt

包雪鹏,力学性能试验第四章 金属硬度试验,GB/T 10623-2008 金属材料 力学性能试验术语（ISO 23718：2007，mod）（代替GB/T 10623-1989 金属力学性能试验术语）GB/T 2975-1998 钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样制备（ISO 377：1997，eqv）GB/T 8170-2008 数值修约规则与极限数值的表示和判定（代替GB/T 1250-1989、GB/T 8170-1987 数值修约规则）GB/T 1172-1999 黑色金属硬度及强度换算值GB/T 3771-1983 铜合金硬度与强度换算值JB/T 6050-2006 钢铁热处理零件硬度测试通则EN ISO 18265-2003 金属材料 硬度值的换算,绪论 硬度试验有关标准和基本概念,1 硬度试验有关的基础标准,2 其他硬度试验方法标准,GB/T 18449.1-2001 金属努氏硬度试验方法 第1部分：试验方法（GB/T 18449.1-2009 金属努氏硬度试验方法 第1部分：试验方法 2010-04-01起实施）GB/T 18449.2-2001 金属努氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验GB/T 18449.3-2001 金属努氏硬度试验 第3部分：标准硬度块的标定GB/T 18449.4-2009 金属材料 努氏硬度试验 第4部分：硬度值表 2010-04-01起实施,3 硬度计的计量,JJG 150-2005 金属布氏硬度计检定规程JJG 112-2003 金属洛氏硬度计（A，B，C，D，E，F，G，H，K，N，T标尺）检定规程JJG 151-2006 金属维氏硬度计检定规程JJG 747-1999 里氏硬度计检定规程,4 试验机的有关标准,GB/T 2611-2007 试验机 通用技术要求（替代 GB/T 2611-1992 试验机通用技术要求）GB/T 3159-2008 液压式万能试验机（替代 GB/T 3159-1992 液压式万能试验机、GB/T 3722-1992 液压式压力试验机）GB/T 16491-2008 电子式万能试验机（替代 GB/T 16491-1996 电子式万能试验机）GB/T 16826-2008 电液伺服万能试验机（替代 GB/T 16826-1997电液式万能试验机）,5 常用硬度试验,常用硬度试验：布氏硬度试验 洛氏硬度试验 维氏硬度试验 肖氏硬度试验 里氏硬度试验 本章内容的特点：与标准结合得比较好，许多内容直接从标准中来的。,金属的硬度，是金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕和划痕的能力，是衡量金属材料软硬程度的一种指标。从硬度的影响因素看，硬度与金属材料的化学成分、金相组织、热处理工艺、冷加工变形等密切有关。从使用来看，硬度与强度、塑性、韧性、耐磨性等有关。硬度试验方法的分类：硬度值的物理意义：硬度试验方法的选择：,6 金属硬度的基本概念,第一节 布氏硬度试验,0 布氏硬度试验的有关标准,一、试验原理,HBW=0.102F/S=0.102F/Dh,压痕的表面积通过压痕的平均直径和压头直径计算得到。,d是变量，试验时测量d，得出HBW。布氏硬度一般不标单位。GB/T 231.1-2002（2009）标准规定的布氏硬度试验范围上限为650 HBW。,二、布氏硬度的表示方法,布氏硬度试验中，只有试验力和压头直径恒定的条件下，所测得的硬度值才具有可比性。在布氏硬度试验时，要求根据试样的材料和厚度，选用适当大小的试验力和球直径。在这种情况下，为了使得同一材料的试验所测得的布氏硬度值相同，或在不同试样上所测得的结果具有可比性，就必须应用“压痕相似原理”。,三、相似原理的应用,三、相似原理的应用,试验时要保持 值为常数，就可保证几何相似的压痕。因此，对同一材料选用不同的F和D时，应使 值保持为常数。,实际试验时，为了得到准确的试验结果，除F和D应满足上述选配原则，还应通过F和D 的选择，使压痕直径d限定在0.240.60D之间，否则结果无效。d=0.375D最理想。,GB/T 231.1中不同材料的试验力-压头球直径平方 的比率,四、试样要求,试样表面应平坦光滑，不应有氧化皮及外界污物，尤其不应有油脂。试样表面应能保证压痕直径的精确测量，表面粗糙度参数Ra一般不大于1.6m。制备试样时，应使过热或冷加工等因素对试样表面性能的影响减至最小。试样厚度至少应为压痕深度的8倍。试验后，试样背部如出现可见变形，则表明试样太薄。试样最小厚度与压痕平均直径的关系见标准附录。,必须符合GB/T 231.2-2002 规定的要求。各级试验力的误差均应在GB/T 231.2-2002规定的试验力标称值的1.0%以内。硬质合金球的要求。压痕测量装置的标尺分度应能估测到压痕直径的0.5%以内。硬度计的示值误差和示值重复性要满足GB/T 231.2-2002（P72 表4-1）规定的要求。硬度计由国家计量部门定期检定（检定周期一般一年）。硬度计的日常检查按GB/T 231.1-2009 附录A。,五、试验设备要求,d5个压痕直径的总平均值；H标准硬度块的标定硬度值。,（一）硬度计的检查（GB/T 231.1-2009 附录A）,六、补充,（二）压痕测量装置的检查 用测微尺进行检查 将测量装置各工作范围分成5个间隔，在分级测微尺上测量进行检查，其最大允许误差为0.5%。使用标准硬度块上的标准压痕进行检查 GB/T 231.3-2002的标准硬度块上一般有5个压痕，选定标准硬度块上的某一压痕，测量压痕直径，测得压痕直径与标准压痕直径的最大允许误差为1.0%。,（一）试验温度,试验一般在1035 室温下进行，对于温度要求严格的试验，温度为23 5。有严格温度要求的，在试验报告中要说明试验温度。,七、试验操作要点,（二）试样的支撑,试样表面、支承面、试验台面应清洁和无外界污物（氧化皮、油、灰尘等）。试样应稳固地放置于试验台面上，保证在试验过程中不发生倾斜、位移及挠曲；试验力作用方向垂直于试验面；不规则工件，应有专门的试样支撑。,相似原理及应用1 根据试样尺寸（被测平面、厚度）确定球压头直径；优先选用10mm球压头；2 铸铁材料，球压头直径不小于2.5mm；3 试验力选择保证压痕直径d=0.240.60D。不同材料的试验力-压头球直径平方的比率,（三）压头直径和试验力的选择,（四）试验加力和试验力保持时间,使压头与试样表面接触，无冲击和震动地垂直于试验面施加试验力，直至达到规定试验力值。从加力开始至全部试验力施加完毕的时间应在2S8S之间。试验力保持时间为10S15S。对于要求试验力保持时间较长的材料，试验力保持时间允许误差应在2S。在整个试验期间，硬度计不应受到影响试验结果的冲击和震动。,（五）压痕间距,任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕对角线长度的2.5倍；两相邻压痕中心间距离至少应为压痕对角线长度的3倍。,（六）测量压痕直径相互垂直方向，查GB/T 231.4-2009,试验后，检查试样背面，如试样背面出现可见变形痕迹，则表明试样太薄，试验结果无效。压痕直径d=0.240.60D。在读数显微镜或其他测量装置上测量压痕直径。应在两相互垂直方向测量，用两个读数的平均值计算布氏硬度，或查表（GB/T 231.4-2009）得布氏硬度值。数值修约：3位有效数字。应注意材料的各向异性，例如经过大变形量冷加工，这样压痕直径在不同方向可能有较大差异。,八、试验结果处理,布氏硬度适用于退火、正火状态的钢铁件、铸件、有色金属及其合金，特别是对软的金属，如铅、铝和锡等更为适宜。优点：布氏硬度采用较大直径的球压头，所得的压痕面积较大，因此所得的硬度值反映了材料在较大范围内的平均性能。由于压痕较大，所得数据稳定，重复性强。缺点：对不同的材料需要更换压头和试验力，压痕直径的测量较麻烦。压痕较大，对成品件不一定适合。,九、应用范围及优缺点,第二节 洛氏硬度试验,0 洛氏硬度试验的有关标准,洛氏硬度试验方法与布氏硬度试验方法不同，它不是通过测量压痕面积来计算硬度值，而是采用测量压痕深度来计算硬度值。,洛氏硬度试验压头采用120金刚石圆锥、硬质合金球压头。原理：试验时，压头分两个步骤压人试样表面。先施加初试验力F0，使试样表面产生一个初始的压入深度h0，以此作为测量压痕深度的基准。然后施加主试验力F1，其压痕深度的增量为h1。经规定保持时间后，卸除主试验力F1，测量在初试验力下的残余压痕深度h。h是反映洛氏硬度高低的量。h越大，洛氏硬度值越低。,一、试验原理,为了符合习惯上数值越大，硬度越高的概念，人为引入一常数N以上式作为洛氏硬度值的指标，用HR表示：HR=N-h/S对于HRA、HRC、HRD：HR=100-h/0.002对于HRB、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK HR=130-h/0.002对于HRN、HRT HR=100-h/0.001,二、洛氏硬度的表示方法,三、试样要求,试样表面应尽可能是平面，不应有氧化皮及外界污物，尤其不应有油脂。建议表面粗糙度Ra不大于0.8m。制备试样时，应使过热或冷加工等因素对试样表面性能的影响减至最小。对于用金刚石圆锥压头进行的试验，试样或试验层厚度应不小于残余压痕深度的10倍；对于用球压头进行的试验，试样或试验层的厚度应不小于残余压痕深度的15倍。试验后，试样背部不应出现可见变形（GB/T 230.1-2009附录B）。,试验力符合规定的要求。硬度压头符合规定的要求。压痕测量装置符合规定的要求。硬度计的示值误差和示值重复性要满足标准规定的要求。硬度计由国家计量部门定期检定（检定周期一般一年）。硬度计的日常检查。,四、试验设备要求,操作者对硬度计日常检查的方法 每次更换压头、支撑后，以及大批量试验前，或距前一次试验超过24h，操作者应按GB/T 230.1-2004 附录E的规定对硬度计进行日常检查。在日常检查中，对硬度计的直接检验太耗费时间且费用太高。建议采用如下方法:在使用中每日对硬度计至少做一次检查。检查之前，应预先打两个压痕以保证试样、压头及支座处于正常状态。这两个压痕不作为试验数据。在与试验材料硬度值相近的标准硬度块上至少打三个压痕，如果硬度读数平均值与标准块硬度值之差在GB/T 230.2 表5规定（P77表4-3）范围内，则认为硬度计合格，否则应进行直接检验。,测量设备性能的准确与否，直接影响到实验室检定、校准、检测结果的准确可靠。为保证测量设备性能满足预期的使用要求，保证其量值的溯源性，须定期进行校准或检定。然而由于测量设备固有特性的变化或漂移，在每次检定或校准后并不能保证其量值始终得到维持，因此，在日常工作中需要经常对测量设备的性能进行核查，以便及时识别可能发生的超出预期范围的变化或失效，确认其性能是否得到有效维持或是否满足其使用要求而不会得到非预期的使用。因此，期间核查的概念可以表述为：在测量设备相邻两次校准或检定期间，采用可信的方法对其使用功能及测量性能进行的一种核查，以验证其是否得到有效维持，即旨在确认测量设备校准状态的可信程度。,期间核查的概念及目的,按 GB/T 230.2-2002 进行硬度计的示值误差和示值重复性检查。示值误差：在标准硬度块上均匀地测定6个硬度值。第一点不计，取后5个测定值的算术平均值，硬度计的示值误差：示值误差=5个测定值的算术平均值-标准块标定的硬度值 示值重复性：5个测定的硬度值，示值重复性为：示值重复性=最大硬度-最小硬度 示值误差和示值重复性应满足GB/T 230.2-2002表5（P77表4-3）的要求。,硬度计的示值误差和示值重复性检查,硬度计的示值误差和示值重复性是对洛氏硬度计的综合检查（期间核查），是硬度试验结果的重要技术参数。,GB/T 230.2 表5（P77表4-3）,例：洛氏硬度标尺（2070HRC）。1 标准硬度块硬度值：43.2HRC；2 标准要求：示值允许误差1.5HRC；示值重复性0.8个洛氏位或0.02（100-H），取较大者，43.2HRC时取1.1HRC；3 测5次，硬度值为：42.4、42.8、43.0、44.0、44.2HRC，平均43.3HRC；4 计算：示值误差=5个测定值的算术平均值-标准块标定的硬度值=43.3-43.2=0.1HRC 1.5HRC（合格）示值重复性=最大硬度-最小硬度=44.2-42.4=1.8HRC 1.1HRC（不合格）,（一）试验温度,试验一般在1035 室温下进行，对于温度要求严格的试验，温度为23 5。有严格温度要求的，在试验报告中要说明试验温度。,五、试验操作要点,（二）洛氏硬度标尺的选择,HRA硬质材料的洛氏硬度，如硬质合金、很薄很硬的钢材，表面硬化层较薄的钢材。HRB低合金钢、软合金、铜合金、铝合金及可锻铸铁等中、低硬度材料。HRC一般钢材，硬度较高的铸件，淬火回火的合金钢等。HRN、HRT 测极薄工件及氮化层、金属镀层的表面硬度。,（三）硬度计的检查,试验前，对硬度计的工作状态进行检查。,（四）试样的支撑与固定,试样表面、支承面、试验台面应清洁和无外界污物（氧化皮、油、灰尘等）。试样支撑面应平整，保证试验力作用方向垂直于试验面。试样应稳固地放置于试验台面上，保证在试验过程中不发生位移和挠曲。圆柱形试样要有适当的支撑，应注意使压头、试样、V型槽与硬度计支座中心对中。任何情况下，不允许压头与试台和支座触碰。试验过程中，硬度计应避免受到冲击和振动。,（五）试验加力和试验力保持时间,使压头与试样表面接触，无冲击和振动地施加初试验力，初试验力保持时间不应超过3S；无冲击和振动地将测量装置调整至基准位置，从初试验力施加至总试验力F的时间应不小于1 S且不大于8 S；总试验力保持时间为4S士2S。然后卸除主试验力，保持初试验力，经短时间稳定后，进行读数；对于低硬度材料经协商试验力保持时间可以延长，允许偏差士2S。,（六）压痕间距,两相邻压痕中心之间的距离至少应为压痕直径的4倍，并且不应小于2 mm；任一压痕中心距试样边缘的距离至少应为压痕直径的2.5倍，并且不应小于1mm。如无其他规定，每个试样上的试验点数不少于4点，第1点不计。,凸圆柱面、凸球面上试验的洛氏硬度要修正（GB/T 230.1-2004的附录C和D）。洛氏硬度值至少应精确至0.5HR，每个试验一般给出3个洛氏硬度（JB/T 6050-2006 钢铁热处理零件硬度测试通则）。,六、试验结果处理,通过变换试验标尺可测量硬度较高的材料，压痕较小，可用于半成品、成品检验和薄件表面硬度检验，是生产中应用最广泛的硬度试验方法。压痕较小，代表性较差。不适于测量组织不均匀材料。不同标尺测得的硬度值彼此无内在联系，不可直接进行比较。,七、应用范围及优缺点,例如：50HRC40HRC,第三节 维氏硬度试验,0 维氏硬度试验的有关标准,一、试验原理,与布氏硬度试验原理基本相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。只是压头改用为两相对面夹角为136的金刚石正四棱锥体。,HV=0.102F/S,压痕的表面积通过压痕的对角线长度计算得到。维氏硬度一般不标单位。,二、维氏硬度的表示方法,三、试样要求,试样表面应平坦光滑，不应有氧化皮及外界污物，尤其不应有油脂。试样表面粗糙度要求较高，维氏硬度试样不大于0.4m，小负荷维氏硬度试样不大于0.2m；显微维氏硬度试样不大于0.1m。制备试样时，应使过热或冷加工等因素对试样表面性能的影响减至最小。由于压痕硬度浅，试样表面根据样品特性抛光。试验后，试样背部如出现可见变形，则表明试样太薄（GB/T4340.1-2009附录A）。,维氏硬度按试验力大小分为3类：维氏硬度、小负荷维氏硬度、显微维氏硬度。（相应设备不同）各级试验力误差要求、金刚石锥体压头的尺寸和精度要求。压痕测量装置的要求：测量压痕对角线长度0.04mm时，压痕测量装置的估测能力为0.0002mm，最大允许误差0.0004mm；测量压痕对角线长度0.04mm，痕测量装置的估测能力为0.5d%，最大允许误差为1.0d%。硬度计的示值误差（5点平均值与硬度块标准值之差）要满足规定的要求。硬度计由国家计量部门定期检定（检定周期一般一年）。,四、试验设备要求,（一）试验温度,试验一般在1035 室温下进行，对于温度要求严格的试验，温度为23 5。有严格温度要求的，在试验报告中要说明试验温度。,五、试验操作要点,（二）试样的固定,试样表面、支承面、试验台面应清洁和无外界污物（氧化皮、油、灰尘等）；试样试验面与试验力作用方向垂直；保证在试验过程中试样不发生位移、倾斜、翘曲；小试样、薄试样应镶嵌或用特殊夹具夹持；在整个试验期间，硬度计不应受到影响试验结果的冲击和震动。,（三）试验力选择和试验力保持时间,使压头与试样表面接触，无冲击和震动地垂直于试验面施加试验力，直至达到规定试验力值。从加力开始至全部试验力施加完毕的时间应在2S10S 之间。试验力保持时间为10s15s。对于要求特殊，试验力保持时间可适当延长，允许误差应在2S。,（四）压痕间距,任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕对角线长度的2.5倍（3倍）；两相邻压痕中心间距离至少应为压痕对角线长度的3倍（6倍）。,（五）压痕测量,数值修约：100时，修约至整数；100时，3位有效数字。曲面试样维氏硬度值的修正（GB/T4340.1-2009附录B）。,六、试验结果处理,七、应用范围及优缺点,维氏硬度适用范围广，能测各种表面处理后的渗层、镀层的硬度，较小、较薄工件的硬度，显微维氏硬度可测合金中相的硬度。优点：试验力从小到大可任意选择，所测硬度值从低到高标尺连续。从极软到极硬材料都可测量；测量精度高，可比性强。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低；不适于大批生产和测量组织不均匀材料。,1 硬质合金 硬质合金因硬度较高，国家标准规定用洛氏硬度和维氏硬度检测。,硬质合金和粉末冶金制品硬度的检测,2 烧结材料,GB/T 9097.1-2002 烧结金属材料（不包括硬质合金）表观硬度的测定 第1部分 截面硬度基本均匀的材料,2 烧结金属摩擦材料,GB/T 10425-2002 烧结金属摩擦材料表观硬度的测定,铸铁维氏硬度不适合；钢维氏硬度（尤其是维氏硬度和小负荷维氏硬度）适合，并在有争议时常常作为仲裁方法；许多零部件标准有规定：有争议时维氏硬度仲裁方法，如高强度螺栓的硬度；维氏硬度用于有效硬化层深度的检测（感应淬火、渗碳淬火有效硬化层深度）。,维氏硬度计压头的面夹角之所以采用136，是为了使维氏硬度和布氏硬度在中、低硬度值范围内，对于同一均质材料能得到很相近的硬度值。这是因为这两种试验方法都是以压痕单位表面积上承受负荷的大小来表示硬度值的高低。在布氏硬度试验中，所得的压痕直径通常在0.240.6D，压痕直径为0.375D时相当于直径为D的钢球压头压入试样的压入角为44，而嵌入正四棱锥体内的钢球压痕的圆心角也为44，在压入角相同的条件下，其单位面积上承受的负荷是相等的，这就使维氏硬度值在一定范围内与布氏硬度值相等或接近。当试样硬度在450HV以下时，维氏硬度值近似等于布氏硬度值。,八、维氏硬度和布氏硬度的比较,第四节 肖氏硬度试验,0 肖氏硬度试验的有关标准,GB/T 4341-2001 金属肖氏硬度试验方法 标准替代 GB/T 4341-1984 金属肖布氏硬度试验方法 本标准等效采用日本标准 JIS Z 2246-1992 金属肖氏硬度试验方法。标准规定的肖氏硬度试验范围为5 HS-105 HS。GB/T 13313-1991 轧辊肖氏硬度试验方法 GB/T 13313-2008 轧辊肖氏、里氏硬度试验方法 本标准规定了轧辊肖氏硬度和里氏硬度的表示、测试方法，对试验仪器、被测轧辊、数据处理、试验报告的要求以及硬度换算表。本标准适用于各种类型的锻钢、铸钢及铸铁轧辊的肖氏硬度和里氏硬度测定。,一、试验原理,在肖氏硬度符号HS前示出硬度数值，在HS后示出硬度标尺类型。例如45HSC、45HSD分别表示C型、D型硬度计测定的硬度值为45。,二、肖氏硬度的表示方法,肖氏硬度试验是一种动态力试验法。将规定形状的金刚石冲头从固定的高度h0，落在试样表面上，冲头弹起一定高度h，用h与h0的比值计算肖氏硬度值。计算公式如下：式中：HS肖氏硬度；K肖氏硬度系数,三、试验结果的处理,连续五次读数的算术平均值为该测试点的硬度值。试验时，允许读到0.5个刻度，平均值应按GB/T 8170 规定修约到整数。,四、应用范围及优缺点,适用于较高硬度和高硬度大件的表面硬度的现场检测，如各种类型的轧辊、机床床面、导轨、大型锻件。优点是操作简便，效率高；试验后几乎不产生压痕，可在成品件上试验。测试精度低，重复性差，不适合精度要求高的测试。,第五节 里氏硬度试验,0 里氏硬度试验的有关标准,GB/T 17394-1998 金属里氏硬度试验方法 GB/T 13313-2008 轧辊肖氏、里氏硬度试验方法 本标准规定了轧辊肖氏硬度和里氏硬度的表示、测试方法，对试验仪器、被测轧辊、数据处理、试验报告的要求以及硬度换算表。本标准适用于各种类型的锻钢、铸钢及铸铁轧辊的肖氏硬度和里氏硬度测定。,一、试验原理,在里氏硬度符号HL前示出硬度数值，在HL后示出冲击装置类型。例如700HLD、700HLE表示用D型、E型冲击装置测定的里氏硬度值为700。,二、里氏硬度的表示方法,用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度值。计算公式如下:,三、试验结果的处理,用五个有效试验点的平均值作为一个里氏硬度试验数据。应尽量避免将里氏硬度换算成其他硬度。当必须进行换算时，对于常用金属材料，可参照标准的附录。,四、应用范围及优缺点,适用于大件，形状复杂零件的现场检测。适合于钢铁零件热处理后的现场检测。优点是操作简便，效率高；采用电子测量，精度优于肖氏硬度。一般不适合薄板和薄管材。,第六节 硬度及硬度和强度间的换算,