压入硬度——布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度

1 压入硬度

压入硬度(Indentation hardness)用来反映一种物质抵抗形变的能力。在压入硬度测试里,被测物质经过数次检测直到表面产生压痕。而压入硬度测试可以在宏观或者微观的条件下进行。

压入硬度主要应用于工程学和冶金术,它从多方面描述物质的抗形变性质,如抗永久形变和特别的抗弹性形变。通常测量压入硬度是通过在被测物质上加载一个特定形状的压头然后测量其产生的形变量。

有很多其他压入硬度的定义,其中常见的几种有:

  • 布氏硬度 (HB)
  • 杨卡木材硬度等级
  • 努氏硬度 (HK) 或称微硬度测试,用来测试小面积物质
  • 迈氏硬度
  • 洛氏硬度测试 (HR),主要用于美国
  • 肖氏硬度 用于聚合体强度
  • 维氏硬度 (HV),有最大的定义范围
  • 巴氏硬度,用于合成材料,范围从0到100

三种最常用压入硬度介绍:

1.1 布氏硬度

布氏硬度试验是压入硬度试验之一种,其测量值用HB或BHN表示。布氏硬度试验一般采用直径10毫米的球形钢压头,用一定的负荷(试验力)压入被测材料表面。常见的试验力可高达3,000 Kg(29 KN);对于软的材料则可用较小的负荷。如果试验材料很硬,则以碳化钨球压头代替钢压头。保持负荷一定时间后,卸除试验力,测量材料表面留下的压痕之直径。具体实验请参考国家标准GB/T231或国际标准ISO 6506。

布氏硬度值的计算公式为:

其中:

  • P = 载荷(N)
  • D = 压头直径(mm)
  • d = 压痕直径(mm)

常见材料布氏硬度:

1.2 洛氏硬度

洛氏硬度(英语:Rockwell hardness test),压入硬度的一种。洛氏硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值的指标,以0.002毫米作为一个硬度单位。在洛氏硬度试验中采用不同的压头和不同的试验力,会产生不同的组合,对应于洛氏硬度不同的标尺。常用的有3个标尺(HRA、HRB、HRC),其应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。洛氏硬度试验方法广泛应用于生产制造、科学研究的各个领域。

1.2.1   硬度标尺

三种压头

  • 金刚石锥压入器
  • 钢球压头,直径1.588毫米(1/16″)或3.175毫米
  • 硬质合金球压头

三种试验载荷

  • 60 Kg
  • 100 Kg
  • 150 Kg
  • 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:HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。

HRA 60kg载荷金刚石锥压入器;

HRB 100kg载荷1/16″直径钢球压头;

HRC 150kg载荷金刚石锥压入器;

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。


标尺列表

详细测试方法,请查阅国家标准GB/T230或国际标准ISO 6508,或美标ASTM E18。

1.3 维氏硬度

维氏硬度(英语:Vickers hardness test),压入硬度试验的一种,其测量值用HV表示。维氏硬度试验最初于20世纪20年代初被提出,比起其他硬度试验其优点有:硬度值与压头大小、负荷值无关;无需根据材料软硬变换压头;正方形的压痕轮廓边缘清晰,便于测量。维氏硬度被应用于所有金属,并是应用最广泛的硬度标准之一。只要被测材料质地均匀,维氏硬度试验可以用低负荷和小压痕得到可靠的硬度值,这样能减少材料破坏,或用于薄小的试验材料。这一点上维氏硬度要优于布氏硬度。在硬度不高(硬度值400HV以下)的同一均匀材料上,维氏和布氏硬度试验得出的数值近似。

  • 测试方法:维氏硬度试验使用正四棱锥形的金刚石压头,其相对面夹角为136°。由于其硬度极高,金刚石压头可以用于压入几乎所有材料,而且棱锥的形状使得压痕和压头本身的大小无关。将压头用一定的负荷(试验力)压入被测材料表面。保持负荷一定时间后,卸除负荷,测量材料表面的方形压痕之对角线长度。对相互垂直的二对角线长度(l1和l2)取其平均值。

图 1

上图左为压痕在材料表面的投影,l1l2为压痕对角线长;右为金刚石压头的侧面观,其相对面夹角为136°

其量纲为N/mm2,计算公式为:

式 1

其中:

  • F = 负荷(N)
  • S = 压痕表面积(mm2
  • α = 压头相对面夹角=136°
  • d = 平均压痕对角线长度(m)
  • g = 标准重力加速度(9.80665 m/s2

例如440HV30中,440是维氏硬度值,30指的是测量所用的负荷值(单位:kg)

详细测试方法,请查阅国家标准GB/T4340或国际标准ISO 6507。

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