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技術(shù)常識

硬度試驗基礎知識

來(lái)源:時(shí)代集團 發(fā)布日期:2020-06-09 13:05:17

 

硬度是材料的一個(gè)特征,而不是基本物理特性。它的定義是抗壓痕強度,通過(guò)測量壓痕的永久深度來(lái)確定。更簡(jiǎn)單地說(shuō),當使用固定的力值(負載)和特定的壓頭時(shí),越小的壓痕就代表材料硬度越高。使用 12 種不同測試方法中的一個(gè)測量壓痕的深度或面積可得到該壓痕硬度數值。

硬度測試應考慮的因素
在選擇要使用的硬度測試方法之前,應優(yōu)先考慮下列的樣品特征:

• 樣品的尺寸
• 圓柱形樣品
• 樣品的厚度
• 標尺
• 設備的再現性和重復性

樣品的尺寸
部件尺寸越小,形成所需壓痕的負載就越低。對于小尺寸的部件滿(mǎn)足最小厚度要求以及壓痕遠離內部或者外部邊界是極為重要的。較大的部件需要用適當的夾具妥善固定,以確保在測試過(guò)程中不會(huì )移動(dòng)或滑動(dòng)。那些突出于砧座或者不易用砧座支撐的部件應該裝夾到位或給予適當的支撐。 

圓柱形樣品
由于軸向和徑向的材料滑動(dòng)之間有差異,當測試小直徑的圓柱形樣品時(shí),測試結果是需要修正的。根據圓柱凸面的直徑,圓弧修正參數被添加到測試結果。此外,與邊緣或另一個(gè)壓痕保持等于約為壓痕直徑 2?1/2 倍的最小間隔是很重要的。 

樣品的厚度
樣品的最小厚度應當至少是壓痕深度的十倍。普通和表面洛氏方法都有最小厚度的要求。

標尺
有時(shí)候必須以一種標尺測量而以另一種標尺報告。轉化功能很有必要,但要注意的是它未必能提供可靠的信息,除非已經(jīng)以不同標尺的測試完成了實(shí)際的相關(guān)性。 

設備的再現性和重復性
設備的重復性和再現性研究用于計算操作者和儀器根據特定測試樣品的允差范圍進(jìn)行測試的能力。硬度測試也有固有變量,它們以標準的設備R&R程序和實(shí)際測試樣品的公式來(lái)排除。材料的變化和無(wú)法以深度測量?jì)x在同一區域進(jìn)行測試是兩個(gè)影響 GR&R 結果的顯著(zhù)因素。為了盡量減少這些影響,最好是對于高一致性的標準塊進(jìn)行研究,以便最小化這些內置變化。 


硬度測試的方法

在 ASTM E-18 中定義的洛氏測試方法是最常用的硬度測試方法。洛氏測試一般較容易進(jìn)行,而且比其他類(lèi)型的硬度測試方法更準確。洛氏測試方法用于所有金屬,除非測試的金屬結構或表面條件會(huì )導致太多的偏差;還有那些對于應用的壓痕太大;或者樣品的尺寸或形狀限制了測試。 
洛氏方法測量由壓頭上的力/負荷產(chǎn)生的壓痕的永久變形深度。首先,使用金剛石壓頭對樣品施加初步的加載力(通常被稱(chēng)為預載荷)。此負荷表示穿透表面以降低表面光潔度影響的零位或參考位置。

 完成預壓后,再加上被稱(chēng)為主載荷的額外負載,以達到所需的總測試負載??紤]到彈性回復,保持這個(gè)力度至預定的時(shí)間(保載時(shí)間)。然后釋放該主載荷,然后測量該最終位置與從預壓位置的壓痕深度偏差,以及預壓和主載荷之間的壓痕深度偏差。這個(gè)距離被轉換成硬度值。

布氏測試方法由ASTM E10標準定義。大多時(shí)候用于測量鑄件和鍛件這些表面或者結構過(guò)于粗糙的材料。布氏測試經(jīng)常使用非常重的測試負載(3000 千克力)和 10 毫米寬的壓頭,以便均衡壓痕大部分的表面和次表面的不一致性。 

布氏方法以預定的測試負載(F)加載到一個(gè)固定直徑(D)的碳化鎢鋼球,保持一定的預載時(shí)間然后卸載。然后對壓痕進(jìn)行至少兩次直徑測量 - 通?;ハ啻怪狈较蛏先缓笕∑骄担╠)。隨后使用轉化表把測量的平均直徑轉換為布氏硬度值。測力范圍在 500 至 3000 千克力之間。

一般上布氏硬度試驗機產(chǎn)生一個(gè)壓痕,接下來(lái)再使用專(zhuān)配的布氏顯微鏡或光學(xué)系統測量壓痕的直徑。然后使用布氏公式或基于公式的轉換表把測量結果轉換成布氏值。

球型壓頭的直徑范圍可以在 10 毫米至 1 毫米之間。一般而言,更低的負載和球型直徑是為了更方便地與其他儀器結果比對,如具有小負載量程的洛氏單位。 

維氏測試方法,維氏測試方法也被稱(chēng)為顯微硬度測試方法主要用于小零件、薄片或硬化層深度工作。維氏方法是基于光學(xué)測量系統的。顯微硬度測試程序 根據ASTM E-384標準要求 以金剛石壓頭按照指定的低負載范圍加載形成壓痕,并測量、轉換為硬度值。 

只要測試樣品是精心準備的,該測試對于廣泛類(lèi)型的材料檢測是十分有用的。
底面為正方形的倒錐形金剛石用于維氏標尺的試驗。雖然“宏觀(guān)”維式負載的范圍可以高達 30 公斤以上,常規負載是很輕的介于幾克到一或幾公斤范圍之內。該顯微硬度的方法用于檢測金屬、陶瓷、復合材料 - 幾乎任何類(lèi)型的材料。

由于維氏測試的壓痕是非常小的,它適用于不同種類(lèi)的應用:檢測非常薄的材料如金屬箔或測量部件、小零件或小區域的表面、測量單個(gè)微觀(guān)結構或測量硬化層深度。該測量通過(guò)部分剖面進(jìn)行一系列的壓痕來(lái)描述硬度變化的剖面。 

努氏測試方法,也被稱(chēng)為顯微硬度測試方法主要用于小零件、薄片或硬化層深度工作。維氏方法是基于光學(xué)測量系統的。顯微硬度測試程序 根據ASTM E-384 標準要求按照指定的低負載范圍加載形成壓痕,并測量、轉換為硬度值。 

只要努氏測試樣品是精心準備的,該測試對于廣泛類(lèi)型的材料檢測是十分有用的。倒錐形的金剛石壓頭以努氏規模進(jìn)行檢測。此壓頭不同于上文維氏測試中所使用的倒錐形型壓頭。努氏壓頭的形狀是比較延伸或矩形的。 

當壓痕間隔非常緊密或非常接近樣品的邊緣時(shí)通常會(huì )使用努氏方法。努氏壓痕的寬度可以為測量提供更高的分辨率而且壓痕也更淺。因此,它可以用于非常薄的材料。 
努氏測試中,以倒錐形的金剛石壓頭在指定的保載時(shí)間內施加預定的測試負載。

努氏測試中所使用的倒錐形壓頭比維氏測試中的壓頭更細長(cháng)。保載時(shí)間后卸載。與測量壓痕的縱向和橫向長(cháng)度取得其平均值的維氏測試不同,努氏方法僅僅測量壓痕的橫向長(cháng)度。然后以根據轉換表?yè)Q算為努氏硬度值。 

由于努氏測試的壓痕非常小,它適用于不同種類(lèi)的應用包括檢測非常薄的材料如金屬箔或測量部件、小零件或小區域的表面、測量單個(gè)微觀(guān)結構或測量硬層硬化的深度。該測量通過(guò)部分剖面進(jìn)行一系列的壓痕來(lái)體現硬度的變化。  

硬層深度就是樣品上的硬化層厚度。硬層硬化改善了部件在動(dòng)態(tài)和/或熱應力作用下的耐磨性和疲勞強度。硬化鋼部件一般用于需要高耐磨性和強度轉動(dòng)的應用。硬層硬化的特性主要是由表面硬度、有效硬化深度和殘余應力的深度剖面來(lái)確定的。變速器和發(fā)動(dòng)機部件就是硬化的例子。 

硬層深度測試一般通過(guò)從樣品邊緣朝向中心的產(chǎn)生一系列的硬度壓痕。之后把硬度的演變繪制在圖上,并計算從該表面到硬度極限(HL)的距離。
 
 
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