硬度

硬度

硬度,物理學專業術語,材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對外界物體入侵的局部抵抗能力,是比較各種材料軟硬的指標。由于規定了不同的測試方法,所以有不同的硬度標準。各種硬度標準的力學含義不同,相互不能直接換算,但可通過試驗加以對比。

  • 中文名稱
    硬度
  • 外文名稱
    Hardness
  • 類型
    物理學專業術語
  • 解釋
    材料局部抵抗硬物壓入其表面能力

基本簡介

材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對外界物體入侵的局部抵抗能力,是比較各種材料軟硬的指標

硬度硬度

硬度分為:①劃痕硬度。主要用于比較不同礦物的軟硬程度,方法是選一根一端硬一端軟的棒,將被測材料沿棒劃過,根據出現劃痕的位置確定被測材料的軟硬。定性地說,硬物體劃出的劃痕長,軟物體劃出的劃痕短。②壓入硬度。主要用于金屬材料,方法是用一定的載荷將規定的壓頭壓入被測材料,以材料表面局部塑性變形的大小比較被測材料的軟硬。由于壓頭、載荷以及載荷持續時間的不同,壓入硬度有多種,主要是布氏硬度洛氏硬度維氏硬度和顯微硬度等幾種。③回跳硬度。主要用于金屬材料,方法是使一特製的小錘從一定高度自由下落沖擊被測材料的試樣,並以試樣在沖擊過程中儲存(繼而釋放)應變能的多少(通過小錘的回跳高度測定)確定材料的硬度。

早在1822年,Friedrich Mohs提出摩氏硬度計。按照他們的軟硬程度分為十級:

1)滑石 2)石膏 3)方解石 4)螢石 5)磷灰石

6)正長石 7)石英8)黃玉 9)剛玉 10)金剛石

簡單記憶方法:滑石方、螢磷長、石英黃玉剛金剛。

各級之間硬度的差異不是均等的,等級之間隻表示硬度的相對大小。

試驗鋼鐵硬度的最普通方法是用銼刀在工件邊緣上銼擦,由其表面所呈現的擦痕深淺以判定其硬度的高低。這種方法稱為銼試法,這種方法不太科學。用硬度試驗機來試驗比較準確,是現代試驗硬度常用的方法。常用的硬度測定方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等測試方法

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標,它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力,也可表述為材料抵抗殘餘變形和反破壞的能力。硬度不是一個簡單的物理概念,而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。硬度試驗根據其測試方法的不同可分為靜壓法(如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等)、劃痕法(如莫氏硬度)、回跳法(如肖氏硬度)及顯微硬度、高溫硬度等多種方法。

布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示(HBS\HBW)(參照GB/T231-1984),生產中常用布氏硬度法測定經退火、正火調質的鋼件,以及鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼等毛胚或半成品的硬度。

洛氏硬度可分為HRA、HRB、HRC、HRD四種,它們的測量範圍和套用範圍也不同。一般生產中HRC用得最多。壓痕較小,可測較薄的材料和硬的材料和成品件的硬度。

維氏硬度以HV表示(參照GB/T4340-1999),測量極薄試樣。

硬度分類

洛氏硬度

是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值指標。以0.002毫米作為一個硬度單位。當HB>450或者試樣過小時,不能採用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球,在一定載荷下壓入被測材料表面,由壓痕的深度求出材料的硬度。根據試驗材料硬度的不同,分三種不同的標度來表示:

HRA:是採用60kg載荷和鑽石錐壓入器求得的硬度,用于硬度極高的材料(如硬質合金等)。

HRB:是採用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球,求得的硬度,用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。

HRC:是採用150kg載荷和鑽石錐壓入器求得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。

洛氏硬度試驗採用三種試驗力,三種壓頭,它們共有9種組合,對應于洛氏硬度的9個尺規。這9個尺規的套用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。最常用尺規是HRC、HRB和HRF,其中HRC尺規用于測試淬火鋼、回火鋼、調質鋼和部分不銹鋼。這是金屬加工行業套用最多的硬度試驗方法。HRB尺規用于測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不銹鋼及較硬的銅合金。HRF尺規用于測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合金。HRA尺規盡管也可用于大多數黑色金屬,但是實際套用上一般隻限于測試硬質合金和薄硬鋼帶材料。

表面洛氏硬度試驗採用三種試驗力,兩種壓頭,它們有6種組合,對應于表面洛氏硬度的6個尺規。表面洛氏硬度試驗是對洛氏硬度試驗的一種補充,在採用洛氏硬度試驗時,當遇到材料較薄,試樣較小,表面硬化層較淺或測試表面鍍覆層時,就應改用表面洛氏硬度試驗。這時採用與洛氏硬度試驗相同的壓頭,採用隻有洛氏硬度試驗幾分之一大小的試驗力,就可以在上述試樣上得到有效的硬度試驗結果。表面洛氏硬度的N尺規適用于類似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD測試的材料;T尺規適用于類似洛氏硬度的HRB、HRF和HRG測試的材料。

HRC尺規的使用範圍是20~70HRC,當硬度值小于20HRC時,因為壓頭的圓錐部分壓入太多,靈敏度下降,這時應改用HRB尺規。盡管HRC尺規被規定的上限值為70HRC,但是當試樣硬度大于67HRC時,壓頭尖端承受的壓力過大,金剛石容易損壞,壓頭壽命會大大縮短,因此一般應改用HRA尺規。

HRA尺規的使用範圍是20-88HRA,由美國標準ASTM E140可以獲得以下換算關系:

27HRA≈30HRB

60HRA≈100HRB≈20HRC

85.6HRA≈68HRC

可見,HRA尺規的測試範圍涵蓋了從軟鋼(HRB)、硬鋼(HRC)到硬質合金的硬度範圍。然而,事實上HRA尺規很少用于測試軟鋼,主要用于測試薄硬鋼板、深層滲碳鋼和硬質合金。在硬質合金方面,由于技術進步,有些材料硬度已達到93-94HRA,這已超出標準規定。工程上超出HRA高端的測量範圍已成為慣例。 HRA尺規有一個特殊用途。在使用洛氏硬度計測試鋼試樣時,如果不知試樣是軟鋼還是硬鋼,可先用HRA尺規試測一下,當硬度值小于60HRA時可改用HRB尺規,當硬度值大于60HRA時可改用HRC尺規。

HRB尺規的使用範圍是20~100HRB,當硬度值低于20HRB時,由于鋼球的壓入深度過大,金屬蠕變加劇,試樣在試驗力作用下的變形時間延長,測試值準確度降低,此時應改用HRF尺規。當硬度值大于100HRB時,因為鋼球壓入深度過淺,靈敏度降低,精度下降,此時應改用HRC尺規。在使用HRB尺規測試鋼試樣時,一個特別值得註意的地方是:當預先不知道試樣是軟鋼還是硬鋼時,決不可使用HRB尺規做測試,因為用鋼球壓頭誤測了淬火鋼,鋼球就可能會變形,鋼球壓頭就會損壞,這是鋼球壓頭損壞的主要原因。遇到這種情況時應先用金剛石壓頭,用HRA尺規測試一下,再決定是用HRB還是用HRC。

HRF尺規的使用範圍是60~100HRF。HRF尺規是國外使用較多的一個尺規,它是測試純銅和較軟的銅合金材料很好的檢測手段。但是在我國,也存在標準硬度塊短缺的問題,它的套用也受到了限製。

HRG尺規適用于HRB值接近100的材料,對于鈹青銅、磷青銅、可鍛鑄鐵這些硬度範圍介于HRB尺規的高端和HRC尺規低端的材料,如果改用HRG尺規,就可以大大改善測試的靈敏度,提高測試精度。

其他

1.HRC含意是洛氏硬度C尺規,

2.HRC和HB在生產中的套用都很廣泛

3.HRC適用範圍HRC 20--67,相當于HB225--650

若硬度高于此範圍則用洛氏硬度A尺規HRA。

若硬度低于此範圍則用洛氏硬度B尺規HRB。

布氏硬度上限值HB650,不能高于此值。

4.洛氏硬度計C尺規之壓頭為頂角120度的金剛石圓錐,試驗載荷為一確定值,中國標準是150公斤力。

布氏硬度計之壓頭為淬硬鋼球(HBS)或硬質合金球(HBW),試驗載荷隨球直徑不同而不同,從3000到31.25公斤力。

5.洛氏硬度壓痕很小,測量值有局部性,須測數點求平均值,適用成品和薄片,歸于無損檢測一類。

布氏硬度壓痕較大,測量值準,不適用成品和薄片,一般不歸于無損檢測一類。

6.洛氏硬度的硬度值是一無名數,沒有單位。(因此習慣稱洛氏硬度為多少度是不正確的。)

布氏硬度的硬度值有單位,且和抗拉強度有一定的近似關系。

7.洛氏硬度直接在表盤上顯示、也可以數位顯示,操作方便,快捷直觀,適用于大量生產中。

布氏硬度需要用顯微鏡測量壓痕直徑,然後查表或計算,操作較繁瑣。

8.在一定條件下,HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為:1HRC≈10HB。

布氏硬度

布氏硬度(HB)一般用于材料較軟的時候,如有色金屬、熱處理之前或退火後的鋼鐵。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度較高的材料,如熱處理後的硬度等等。

布氏硬度(HB)是以一定大小的試驗載荷,將一定直徑的淬硬鋼球或硬質合金球壓入被測金屬表面,保持規定時間,然後卸荷,測量被測表面壓痕直徑。布氏硬度值是載荷除以壓痕球形表面積所得的商。一般為:以一定的載荷將一定大小的淬硬鋼球壓入材料表面,保持一段時間,去載後,負荷與其壓痕面積之比值,即為布氏硬度值(HB),單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。

測試載荷與測試鋼球的直徑需根據材料的實際性能再確定。

維氏硬度

維氏硬度試驗方法是英國史密斯(R.L.Smith)和塞德蘭德(C.E.Sandland)于1925年提出的。英國的維克斯—阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)公司試製了第一台以此方法進行試驗的硬度計。和布氏、洛氏硬度試驗相比,維氏硬度試驗測量範圍較寬,從較軟材料到超硬材料,幾乎涵蓋各種材料。

維氏硬度的測定原理基本上和布氏硬度相同,也是根據壓痕單位面積上的載荷來計算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗的壓頭是金剛石的正四棱錐體。試驗時,在一定載荷的作用下,試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕,測量壓痕對角線長度,除以計算壓痕的表面積,載荷除以表面積的數值就是試樣的硬度值,用符號HV表示。

標註方法舉例

150HBW10/1000/30表示壓頭直徑為10mm的硬質合金球,在1000kgf試驗力的作用下,保持30s時測得的布氏硬度值為150

維氏硬度

維氏硬度試驗方法是英國史密斯(R.L.Smith)和塞德蘭德(C.E.Sandland)于1925年提出的。英國的維克斯阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)公司試製了第一台以此方法進行試驗的硬度計。和布氏、洛氏硬度試驗相比,維氏硬度試驗測量範圍較,從較軟材料到超硬材料,幾乎涵蓋各種材料。

維氏硬度的測定原理基本上和布氏硬度相同,也是根據壓痕單位面積上的載荷來計算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗的壓頭是金剛石的正四棱錐體。試驗時,在一定載荷的作用下,試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕,測量壓痕對角線長度,除以計算壓痕的表面積,載荷除以表面積的數值就是試樣的硬度值,用符號HV表示。

裏氏硬度

裏氏硬度是以HL表示,裏氏硬度測試技術是由瑞士狄爾馬,裏伯博士發明的,它是用一定質量的裝有碳化鎢球頭的沖擊體,在一定力的作用下沖擊試件表面,然後反彈。由于材料硬度不同,撞擊後的反彈速度也不同。在沖擊裝置上安裝有永磁材料,當沖擊體上下運動時,其外圍線圈便感應出與速度成正比的電磁信號,再通過電子線路轉換成裏氏硬度值。

肖氏硬度

簡稱HS。表示材料硬度的一種標準。由英國人肖爾(Albert F.Shore)首先提出。

套用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發生回跳。撞銷是一隻具有尖端的小錐,尖端上常鑲有金剛鑽。測試數值為1000x撞銷返回速度/撞銷初始速度(即為碰撞前後的速度比乘以1000)

巴氏硬度

巴柯爾(Barcol)硬度(簡稱巴氏硬度), 最早由美國 Barber-Colman公司提出,是近代國際上廣泛採用的一種硬度門類, 一定形狀的硬鋼壓針,在標準彈簧試驗力作用下,壓入試樣表面,用壓針的壓入深度確定材料硬度,定義每壓入0.0076mm為一個巴氏硬度單位。巴氏硬度單位表示為HBa。

努氏硬度

努氏硬度是作為絕對數值而測得的硬度,主要在加工方面使用該數值。一般來說,金剛石的努氏硬度為7000~8000千克/平方毫米

韋氏硬度

一定形狀的硬鋼壓針,在標準彈簧試驗力作用下壓入試樣表面,用壓針的壓入深度確定材料硬度,定義0.01mm的壓入深度為一個韋氏硬度單位。韋氏硬度單位表示為HW。

硬度測定

實踐證明,金屬材料的各種硬度值之間,硬度值與強度值之間具有近似的相應關系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續塑性變形抗力決定的,材料的強度越高,塑性變形抗力越高,硬度值也就越高。

壓入法(布氏、洛氏、維氏)測量硬度,硬度值表示材料表面抵抗另一物體壓入時所引起的塑性變形的能力。

回跳法(肖氏、裏氏)測量硬度,硬度值代表金屬彈性變形功能的大小。

刻劃法測量硬度,硬度值表示金屬抵抗表面局部破裂的能力。

另外,天然水中的鈣鎂含量也用硬度表示.我國規定的硬度是:1L水中含的鈣鹽,鎂鹽折合成CaO和MgO的總量相當于10mgCaO(將MgO也換算成CaO)時,其硬度是1°.

水的硬度是水質的重要指標,通常分為五類:

軟水 軟水 中硬水 硬水 很硬水

0°~4° 4°~8°8°~16° 16°~30° >30°

1.肖氏硬度(HS)=布氏硬度(BHN)/10+12

2.肖氏硬度(HS)=洛氏硬度(HRC)+15

3.洛氏硬度(HRC)= 布氏硬度(BHN)/10-3

硬度測定範圍:

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

測試種類

1. HRA:(洛氏A)用于量測熱處理硬質鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼及其它軟硬材質的硬度測試。

2. HK:(Knoop 努氏)用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。

3. HRC:(Rockwell C洛氏)用于量測熱處理鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼等。

4. HRB:(Rockwell B洛氏)用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。

5. HR30T:(Rockwell 30T洛氏) 用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。

6. HB5:(Brinell 布氏5)用于量測鋁、軟質鋁合金、鑄鐵、銅、黃銅等。

7. HB30:(Brinell 布氏30)用于熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。

8. HV:(Vickers維氏)適用于量測各類材料。

9. R:(Tensile module拉伸模數 N/mm2)用于熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。

10. HR15N:(Rockwell 洛氏HR15N)用于量測熱處理硬質鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼等。    

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