硬度的测试方法和应用（共6篇）
篇1：硬度的测试方法和应用
硬度的测试方法和应用
硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。试验钢铁硬度的最普通方法是用锉刀在工件边缘上锉擦,由其表面所呈现的擦痕深浅以判定其硬度的高低。这种方法称为锉试法这种方法不太科学。用硬度试验机来试验比较准确,是现代试验硬度常用的方法。常用的硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等测试方法
硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。
布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示（HBSHBW）（参照GB/T231－1984），生产中常用布氏硬度法测定经退货、正火和调质得刚健，以及铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛胚或半成品的硬度。
洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测量范围和应用范围也不同。一般生产中HRC用得最多。压痕较小，可测较薄得材料和硬得材料和成品件得硬度。
维氏硬度以HV表示（参照GB/T4340-1999），测量极薄试样。
1、钢材的硬度 ：金属硬度(Hardness)的代号为H。按硬度试验方法的不同，常规表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）硬度等，其中以HB及HRC较为常用。
HB应用范围较广，HRC适用于表面高硬度材料，如热处理硬度等。两者区别在于硬度计之测头不同，布氏硬度计之测头为钢球，而洛氏硬度计之测头为金刚石。
HV-适用于显微镜分析。维氏硬度(HV)以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值(HV)。
HL手提式硬度计，测量方便，利用冲击球头冲击硬度表面后，产生弹跳；利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，公式：里氏硬度HL=1000×VB（回弹速度）/ VA（冲击速度）。便携式里氏硬度计用里氏（HL）测量后可以转化为：布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、肖氏（HS）硬度。或用里氏原理直接用布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）、肖氏（HS）测量硬度值。
2、HB-布氏硬度；
布氏硬度(HB)一般用于材料较软的时候，如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度较高的材料，如热处理后的硬度等等。
布式硬度(HB)是以一定大小的试验载荷，将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持规定时间，然后卸荷，测量被测表面压痕直径。布式硬度值是载荷除以压痕球形表面积所得的商。一般为：以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。
3、洛式硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：
HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。
HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。
HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。
另外：
1.HRC含意是洛式硬度C标尺，2.HRC和HB在生产中的应用都很广泛
3.HRC适用范围HRC 20－－67，相当于HB225－－650
若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。
若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB。
布式硬度上限值HB650,不能高于此值。
4.洛氏硬度计C标尺之压头为顶角120度的金刚石圆锥，试验载荷为一确定值，中国标准是150公斤力。
布氏硬度计之压头为淬硬钢球（HBS)或硬质合金球（HBW），试验载荷随球直径不同而不同，从3000到31.25公斤力。
5.洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类。
布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。
6.洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是
篇2：硬度的测试方法和应用
[实验目的及意义] 硬度作为材料多种力学特性的“显微探针”,与材料的强度、耐磨性、弹塑性、韧性等物理量之间有着密不可分的联系, 因此在纳米尺度下对材料的硬度特性进行测量与分析,有着重要而现实的意义。
本实验目的: 1.学习纳米压痕法,掌握其原理和计算方法；
2.研究单晶铝纳米硬度,对纳米硬度的压痕尺寸效应现象进行分析。
[实验原理] 目前,纳米级硬度的测量一般采用纳米压痕法。该方法通过高分辨力的致动器和传感器,可以精确、连续地纪录加载与卸载期间载荷与位移的数据,非常适合于材料表层微/纳米级力学特性的测量。使用纳米硬度计对单晶铝进行了纳米压痕实验，并计算硬度值，重点观察和分析了纳米级条件下单晶铝的硬度性质。
纳米压痕法：图1为纳米压痕实验加、卸载过程中压痕剖面的变化示意图, 图2为典型的载荷一位移曲线。
由图可以看出，在加载过程中试样表面首先发生的是弹性变形，随着载荷进一步提高，塑性变形开始出现并逐步增大；卸载过程主要是弹性变形恢复的过程，塑性变形最终使得样品表面形成了压痕。图2中Pmax为最大载荷,Hmax为最大位移,hf了为卸载后的位移,S为卸载曲线初期的斜率。
纳米硬度的计算仍采用传统的硬度公式
H = P / A（1）
式中:H 为硬度,GPa；P为最大载荷,即上文中的Pmax，uN；A为压痕面积投影,nm2。但与传统硬度计算方法不同的是,A 值不是由压痕照片得到,而是根据“接触深度”hc(单位为nm)计算得到的,这是由于纳米硬度实验中载荷和压深很小, 如果沿用传统硬度实验中的方法确A值,则计算出的硬度值往往出现较大误差。
具体关系式需通过实验来确定,根据压头形状的不同,一般采用多项式拟合的方法,针对三角锥形压头, 其拟合公式为：
式中“接触深度”hc由下式计算得出
式中： ε是与压头形状有关常数，对于球形或三角锥形压头可以取ε=0.75。而S的值可以通过对载荷—位移曲线的卸载部分进行拟合，再对拟合函数求导得出，即
式中：Q为拟合函数。
这样, 通过实验得到载荷—位移曲线，测量和计算实验过程中的载荷p、压痕深度h和卸载曲线初期的斜率S，就可以得到样品的硬度值。
[实验仪器和步骤] 实验材料采用单晶铝, 取(111)面作为测量表面,经去应力处理后进行纳米压痕实验。实验仪器为美国CETR公司生产的Nanoindenter XP型纳米硬度计。NanoindenterXP 型纳米硬度计的最大载荷为50mN , 载荷分辨力为50N，位移分辨力小于0.01nm。压头选用Berkovich型金刚石压头, 形状为三角锥(锥面与轴线夹角为65.30°), 压头在加载、卸载过程中保持匀速, 并在加载、卸载过程之间保压一段时间。接触深度和纳米硬度由纳米硬度计自动计算。每个载荷对应的压痕实验在不同位置重复五次, 最终结果取有效点结果的均值。
本实验没有采用习惯上的通过对材料表面某一点连续加载得到硬度曲线的方法, 而是采用一个加载点只对应一个最终硬度值和压痕深度的方法, 通过对一系列不同载荷的加载点进行比较来研究纳米硬度测量中的现象和规律,这样做可以避免因加载点本身的因素对实验造成影响。
[实验结果] 表1 为不同载荷下单晶铝纳米硬度的实验数据。
表1 单晶铝硬度测量值数据及计算值 GPa 压痕深度/nm 100 200 500 1000 1500 2000
图3 绘出了单晶铝纳米级硬度与压痕深度的关系曲线。1 1.009 0.629 0.529 0.473 0.440 0.429 0.985 0.616 0.550 0.499 0.434 0.441
实验次序 0.937 0.611 0.514 0.503 0.444 0.423 1.020 0.621 0.540 0.494 0.451 0.437 0.958 0.608 0.530 0.472 0.463 0.452
五组数据平均值
普通方法计算值
0.982 0.617 0.533 0.480 0.446 0.428 1.275 0.836 0.718 0.612 0.568 0.532
图3 单晶铝纳米级硬度测量值
[结果分析] 本实验使用纳米硬度计对单晶铝进行了纳米压痕实验，并计算硬度值。结果表明，当压痕深度小于2000nm时,单晶铝纳米硬度存在尺寸效应现象。
纳米硬度与传统方法测得的硬度值有着重要区别，纳米硬度的实质是指在压入过程中某一压痕表面积投影上单位面积所承受的瞬时力, 它是试样对接触载荷承受能力的度量。而传统的硬度定义是残余压痕表面积上单位面积所承受的平均力, 它反映试样抵抗残余变形的能力。由此可见两种硬度定义的侧重点是不一样的, 其原因在于不同尺度下人们对材料性质的关注点不同。
篇3：硬度的测试方法和应用
拼焊板是将几块不同强度、不同厚度的钢板焊接成一块整体板,以满足零部件不同部位对材料性能不同要求的焊板,其优点主要体现在减轻零件重量、减少零件数量以及增强结构功能等方面[1]。随着现代社会对环境保护、资源节约和可持续发展的重视,拼焊板在汽车制造中运用得越来越广泛,拼焊板技术也成为汽车制造业中最有发展潜力的技术之一。
目前,国内外有关拼焊板力学性能研究的报道较多。如Abdullah 等[2]通过拉伸试验和硬度试验,利用混合法得到了拼焊板(母材为AISI 1005 和STM A370)焊缝区域的材料参数。Cheng等[3]利用激光在焊缝区域打上直径为1mm深度为10μm的圆形栅格,并用一个实时摄像记录系统记录试件上的栅格变化和拉伸机的载荷变化,利用塑性体积不变假设和塑性力学公式,得到了焊缝区域的真实应力应变曲线。Reis等[4]利用屈服应力和材料硬度的比值关系,得到了低碳钢拼焊板各区域的材料力学参数。Zhan等[5]利用混合法和硬度试验分别得到了拼焊管道的焊缝和热影响区的材料参数。张士宏等[6]通过横向和纵向拉伸试验对拼焊板的塑性变形能力进行了测试和分析研究。林建平等[7]基于焊缝和母材应变相等的假设, 研究了焊缝强度系数K和焊缝硬化指数n对拼焊板试件抗拉强度和平均延伸率的影响。然而,上述方法中存在忽略热影响区影响或焊缝宽度较难确定等缺陷。因此,急需一种相对简单、精度较高并容易实现的方法对焊缝处的材料参数进行识别。随着数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术的发展,DIC技术在各个领域得到了大量运用。国内外也有很多研究人员对该技术展开了相应的研究,如Brauser等[8]利用DIC技术记录了焊点的局部和全场应变分布。Tung等[9]利用DIC技术获得了各向异性的铝板的弹性模量,并对其进行了实验验证。陆鹏等[10]利用DIC技术对焊点在均匀热载荷下的变形进行了分析。
本文结合DIC技术和硬度试验,提出了一种基于DIC技术和硬度试验的焊缝材料参数识别方法,根据金相试验和硬度试验将拼焊板分为焊缝区、热影响区和母材区,利用DIC技术和硬度试验间接地获得焊缝和两个热影响区的材料参数。将该方法得到的材料参数代入到仿真模型中进行实例验证,结果表明该方法比传统方法具有更高的精度,并具有一定的工程价值。
1 焊缝材料参数确定方法
本文选用的材料硬化模型为幂指数材料硬化模型,即σ=Kεn,该硬化模型由Hollomon在1944年提出[11],其中,σ为真实应力,ε为真实应变,K为强度系数,n为应变硬化指数。试验研究表明,很多金属的硬化曲线近似于抛物线形状,对于立方晶格的退火金属(如钢板和铝合金等),在塑性变形阶段具有抛物线形式的拉伸曲线,其硬化曲线都可相当精确地用Hollomon的幂指数硬化模型来表示。显然,根据该硬化模型,当确定了应变硬化指数n和强度系数K,便可确定该种材料的塑性变形曲线。在本文的方法中,将应变硬化指数n和强度系数K分开来识别,首先利用DIC技术确定n值,然后根据塑性理论推导出K的计算公式,进而求出K值。
1.1 应变硬化指数n的理论计算方法
拼焊板试件在拉伸过程中,焊缝受到两侧母材的约束,其应变状态介于单向拉伸和平面应变之间。假设主应力方向和主应变方向均为沿焊缝方向,则应变强度增量dεi为[12]
i=1,2,3
式中,m为应力状态比,m=σ2/σ1;ρ为应变状态比,ρ=dε2/dε1;r为厚向异性系数;ε3为厚度方向的应变。
当试件达到某一变形程度时,材料的强化率与厚度的减薄率恰好相等,沟槽集中性失稳即开始发生,用数学式表示为
用式(1)除以式(2),即得集中性失稳产生时的应变为
此时板面内的主次应变ε1、ε2分别为
将上式变形可得
n=ε1+ε2 (5)
可见,利用DIC技术可以得到焊缝区发生集中性失稳时的主次应变值ε1、ε2,根据式(5)可以得到焊缝的硬化指数n。
1.2 强度系数K值理论计算方法
根据工程经验,材料硬度值和材料的应力值有一个直接的关系[5]:
式中,σw、σp分别为焊缝和母材的屈服应力;Hw、Hp分别为焊缝和母材区域的硬度。
材料拉伸过程中,在屈服点即弹性阶段和塑性阶段的临界点,同时满足弹性阶段和塑性阶段的应力应变条件:
将式(6)和式(7)联立,易得硬度与材料K值、n值的关系式为
式中,Kw、Kp分别为焊缝和母材区域的强度系数;nw、np分别为焊缝和母材区域的应变强化指数。
将式(8)变形为
显然,母材的相关参数都是已知的,利用硬度试验得到焊缝和母材的硬度值,再将上文中得到的焊缝硬化指数n代入式(9)中,即可以得到焊缝的强度系数Kw,至此便可以确定焊缝区域的材料参数。
1.3 焊缝材料参数识别流程图
图1给出了本文焊缝材料参数识别的基本思路和研究框架,首先利用DIC设备获得焊缝的n值,再由硬度试验和母材单独拉伸试验得到焊缝的K值。
2 焊缝材料参数的求解过程
2.1 拼焊板分区过程
为了确定分区域法中各个区域的宽度,需要对拼焊板试件进行金相试验和硬度试验,获得拼焊板试件的准确分区。如图2所示,可以发现,母材、HAZ区域和焊缝区域的微观组织有很大的差别,说明试件各区域的材料参数差别很大,对其进行分区处理非常有必要。
(c)混合区 (d)焊缝区
为了准确地将拼焊板试件进行分区,确定各个区域的宽度,需要对试件进行硬度试验。传统方法测试拼焊板的硬度,在厚度方向只测试一排点,其精度显然不够。实际上拼焊板试件在厚度方向,其硬度并不相同,尤其是焊缝区域和热影响区域上,其上表面、中面和下表面的硬度都不相同。因此本文对硬度测试方法进行了改进,在厚度方向测试了四排硬度点,这样可以准确地得到试件各区域的硬度值,根据硬度值对试件进行准确的分区,确定各个区域的宽度。硬度测试结果如图3所示。
由图4可知,热影响区中存在一个软化区,主要是因为在这块区域中,焊接过程中进行了马氏体的消失和先前存在于母材的残余马氏体的回火。由该硬度分布图可以得到拼焊板各区域的宽度值,其分区示意图见图5,其中,焊缝的宽度为1.85mm,靠近母材DP980的热影响区域(HAZ1)宽度为2.24mm,靠近母材DP600的热影响区域(HAZ2)宽度为1.16mm。
2.2 DIC技术介绍和试件的制备
DIC技术是一种进行表面变形测量的非常有效的光学技术。通过处理变形图像,设备获取待测目标物体表面变形前后的数字图像,DIC技术通过处理这些数字图像,可以获得测量物体表面的全场真实应变。
试验拼焊板由上海宝钢公司提供,为同厚异材拼焊板,母材为DP980和DP600,厚度为2mm,根据GB/T 228-2002,利用线切割技术加工出拉伸标准试件。为了形成更好的干涉,需要在试件表面形成散斑,如图6所示。在试件表面上喷上一层白漆,随后在白色油漆上喷随机的黑色油漆斑点,这样便于在利用DIC技术处理时,在试件表面可以获取随机散斑,形成很好的干涉。
(c)散斑处理后的试件
DIC试验设备选用西安交通大学模具与先进成形技术研究所设计的XJTUDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统,该设备如图7所示。通过这套DIC设备,可以获得拼焊板在拉伸过程中试件表面的全场主次应变值。
2.3 焊缝材料参数的求解
由式(5)可知,只需知道焊缝区颈缩时的主、次应变值,即可以根据此式算出焊缝的硬化指数n。利用DIC测得拼焊板拉伸试件颈缩时危险点处横截面沿垂直焊缝的主、次应变值如图8所示。根据式(5)可以得到焊缝的硬化指数nw=0.0724。
由2.1节的硬度试验可以得到拼焊板各区域的硬度值,如表1所示。根据式(9)和拼焊板各区域的硬度值,计算得到焊缝的强度系数Kw为1480,母材两边的热影响区的强度系数K和应变硬化指数n为一个变化值,这里设取其平均值,HAZ1和HAZ2的K值和n值如表1所示。
3 材料参数数值与试验验证
3.1 有限元建模
为了验证方法的有效性,利用商业有限元软件ABAQUS来完成拼焊板单向拉伸试验。试件尺寸如图7所示,焊缝平行于拉伸方向。拼焊板母材、热影响区和焊缝区采用S4R单元建模。其边界条件为一端固定,另一端施加一个拉伸速率为1mm/min的拉伸载荷,以模拟实际的静态拉伸过程。为了更好地比较本文提出的方法的准确性,本文建立了三组有限元模型:①本文提出分区域法模型(考虑焊缝和热影响区);②混合法模型(不考虑热影响区);③共节点模型(忽略焊缝和热影响区的模型)。如图9所示。
3.2 试验结果
利用ABAQUS软件进行有限元仿真,可得到激光拼焊板(DP980/DP600)单向拉伸的位移和载荷曲线,将三种方法得到的仿真试验结果与实际拉伸试验结果进行比较,结果如图10所示。
从图10可以看出,本文提出的分区域法的计算结果最接近实际的拉伸试验结果,混合法和共节点法得到的结果都偏小,这是因为热影响区对于拼焊板材料的拉伸性能影响很大,其强度介于焊缝和母材之间,尤其是母材为两种不同材料时,其两边的热影响区的材料参数都不相同,不考虑热影响区必然会带来计算误差。另外,为了更好地说明本文方法得出的焊缝材料参数的精确性,
(c)共节点法
图11也给出了三种方法和通过DIC技术得到的塑性应变分布图,从图中可以明显发现,利用本文方法得到的有限元仿真应变结果与DIC设备得到的应变结果较吻合,这也进一步说明了本文提出的方法的准确性。
4 结论
(1)通过金相试验和硬度试验可以发现,拼焊板各区域的微观组织和硬度值差别很大,有必要提出一种方法分别求取拼焊板各区域的材料参数。
(2)根据塑性力学理论推导出了应变硬化指数n与主次应变的计算公式以及强度系数K与硬度的计算公式。
(c)混合法 (d)共节点法
(3)通过对母材为DP980和DP600的拼焊板单向拉伸仿真和试验进行对比,可以发现本文提出的方法精度较高,能够比较好地求出拼焊板各区域的材料参数,提高仿真精度。
(4)本文利用DIC技术和硬度测试仪器,获取焊缝的材料参数,方法简单、快速、精度高,可以应用于CAE中像焊缝这种较小区域的材料参数的准确获取,具有一定的工程价值。
参考文献
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篇4：硬度测试特种设备检验中的应用
【关键词】检测时机；里氏硬度
1.硬度的定义及影响因素
硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。材料硬度值与其强度存在一定的比例关系，对钢铁材料而言，其抗拉强度近似等于三份之一布氏硬度值。材料化学成份中，大多数合金元素都会使材料的硬度升高，其中碳对材料硬度的影响最直接，碳含量越大，其硬度越高，因此硬度试验有时会用来判断材料强度等级或鉴别材质，材料不同金相组织具有的硬度也不同。一般来说，马氏体硬度高于珠光体，珠光体硬度高于铁素体，铁素体硬度高于奥氏体，通过硬度可以大致了解材料的金相组织，以及材料在加工过程中的组织变化和热处理效果。加工残余应力与焊接残余应力的存在对材料的硬度也会产生影响，加工残余应力及焊接应力值越大，硬度越高。
2.硬度测试的作用
（1）可以使我们知道该容器的材质硬度大小，有没有发生变化和利用表1-1，可间接了解其强度大小，对容器材质是否发生变化有了依据。
（2）通过对容器的焊接接头热影响区硬度测试，可以评价其热处理效果以及借助金相检查可查明原因。若在焊缝热影响区所测的三点以上的硬度值相差在7~20HB 范围时，就可表明其热影响区的金相组织正常、硬度值正常，强度满足；若在其热影响区所测三点以上的硬度值相差大于20HB 时，则说明其热影响区的强度下降太多，金相组织发生变化。例如16MnR 材质的容器，其焊接接头热影响区的σb 下降，经金相检查，可知其下降的原因是其热影响区出现大量的魏氏组织造成的。
（3）所测硬度值可以判断在用压力容器是否产生应力腐蚀，如果所测硬度HB＜250 时，一般不产生腐蚀。
（4）可用于判断材质的金相组织是否发生变化，因为不同的金相组织，其硬度是不同的，如铁素体（F）HB=80～120，珠光体（P）HB=160～250，渗碳体（Fe3C）HRC70～75，奥氏体（A）HB=160~200，所以当材料组织发生变化，必然会在硬度值上得到反映。
3.硬度测试时机的选择
对于一般的碳素钢、低合金钢材质设备，当材质不清或有疑问时，可通过测定硬度，并根据硬度与强度的关系，近似求出材料的强度值。常用的换算公式：
δs=3.28HV(适用于母材硬度小于221的材料)
另一公式δb=3.55HB（适用于硬度小于175的材料）
设备使用过程中，由于压力、温度、介质等工况条件的影响，会出现脱碳现象，当怀疑脱碳时，对可疑部位进行硬度测定。在高温下长期使用后，有可能引起渗碳、渗氮、硫化、钒化及石墨化等现象，使材料的硬度改变，应进行硬度抽查。如湿硫化氢应力腐蚀环境中的碳钢HB<200，合金钢HB<235，液氨储罐材料的临界硬度为HV210。对于应力腐蚀环境的中设备，应进行硬度测试。螺栓、螺母等附件材质不清或热处理状态不明时，可通过硬度测试加以判断。
硬度测试的要求：⑴要认真选好两个容器测定点：即怀疑部位和正常部位；⑵所选定的测定点需打磨，并要达到所要求的粗糙度，且测定点大小约为3.0×3.0cm2；⑶在同一个测定点区域内，必须测量3 点以上，并将其算数平均，所得值作为评定结果。
4.影响硬度测试精度的因素
（1）试件的预处理。一般要求表面粗糙度达到2μm相当于▽6，否则影响测试结果。被表面不洁，有油污影响测试精度。
（2）曲面工件测试。曲率半径小于30mm的试件在测试时应使用小支承环，否则值不准。
（3）试件厚度应大于5mm，当试件为大面积板材时，应测试点的背面加固或支撑，否则即使厚度较大仍可能因试件变形导致测试值不准。
（4）试件本身不得带磁，否则影响精度。测试温度：-10℃~45℃。
（5）按动冲击装置释放瞬间，应保持工件、冲击装置、操作员身体处于稳定状态。
5.常用硬度测试的方法
硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最普通的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。硬度其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。最流行的里氏硬度（HL）、肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。
现在很多现场检验用得都是便携式的里氏金属硬度计用来测量硬度。合理的里氏硬度检测方法及使用注意事项，能让里氏检测结果更精确，仪器使用寿命更长久。里氏硬度检测最重要的就是要按照规定的程序进行：
（1）向下推动加载套或用其他方式锁住冲击体，将冲击装置支撑环紧压在试样表面上，冲击方向应与检测面垂直。
（2）平稳地按动冲击装置释放鈕，读取硬度示值。
（3）检测时，冲击装置尽可能垂直向下，对于其他冲击方向所测定的硬度值，如果硬度计没有修正功能，应进行修正。对于需要耦合的试样，检测面应与支承台面平行，试样背面和支承台面必须平坦光滑，在耦合的平面上涂以适量的耦合剂，使试样与支承台在垂直耦合面的方向上成为承受压力的刚性整体。耦合剂可采用黄油等油脂，涂于试样背面和支撑平台上。
（4）对于大面积板材、长杆、弯曲件等试样，在检测时应予适当的支承及固定以保证冲击时不产生位移及弹动。每个试样一般进行五次检测。数据分散不应超过平均位的±15 HL。任意两压痕中心之问距离或任一压痕中心距试样边缘距离应符合。
（5）对于特定材料，欲将里氏硬度值较准确地换算为其他硬度值，必须做对比试验以得到相应换算关系。硬度间的换算。因弹性模量E差异较大，各类金属有不同的换算表。
6.总结
对于需进行硬度测试的工件，首先要看钢材大小，大的话看能不能锯下来，如果不行就只能用里氏硬度计，里氏硬度计是专门针对大工件的，误差要看客户的要求，转换要求严不严，因为转换本来就有误差，加上人为误差，机器本身也有误差，硬度块的均匀度等，误差会比较大，若用里氏硬度计打出一个硬度为HB330，若用户要求用布氏，则调为布氏来打硬度。若换算会产生较大的误差。
对于布氏来说，一般厚度小于3MM那就薄了。如果厚度大到搬动困难，用里氏。不论用里氏还是洛氏，转换成布氏，都会有一定误差。所以尽量选用布氏。特别是里氏硬度计，本身误差就会很大。洛氏硬度计准。里氏一般是不得已才用（太大了，搬动困难）。如果工件重量大于15公斤，厚度大于20mm，建议用里氏硬度计配G型冲击装置，按里氏硬度计上硬度键调到显示屏出现布氏HB符号，直接打硬度就可以了。用里氏硬度计配D型冲击装置打HB对工件表面粗糙度要求较高，表面处理达不到要求则HB打不准确。若材料是锻造的，就不要让硬度计自动换算成布氏硬度，这样偏差很大的，要通过表格查取。
篇5：工件高硬度的加工方法（推荐）
高硬度钢、硬粉末金属、超耐热合金以及双金属材料在工业中的应用越来越广。用这些材料制作的产品几乎坚不可摧，同时也给人们带来了新的难题：怎样才能以最经济的方式将这些材料加工成最后的产品。令人欣慰的是刀具供应厂家在开发铣削和车削加工高硬度材料的刀片方面有了新的进展。目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、聚晶氮化硼（CBN）、以及聚晶金刚石（PCD）材料的刀片都得到了应用。这些先进材料制成的特殊形状的刀片，表层附着的特殊涂层在加工时可以承受机械冲击和磨损时产生的热量。但是，使用这些刀片时还需要其他外部条件，其中之一就是需要经验丰富的刀具供应商的密切配合。
刀片的费用相对较低，硬质合金刀片的成本约占总加工费用的3%，CBN刀片经过强化、导角，在加工硬度超过50RC的材料时，可以防止刀刃崩刃。
CBN刀片占到5-6%，所以使用便宜的刀片是一种错误的节约方式。采用先进材料的刀片可以在短期内收回投资，且废品率很低。
另一方面，在一副大铣刀上装上刀片未必就是一个代价昂贵的错误。CBN刀片的费用是硬质合金刀片的8-10倍。在使用这些先进材料的刀片时，如果切削速度和进给量不正确，将影响产品质量和刀具寿命。因为实现库存储备困难，选择合适的刀片需要正确评价加工效益及整个工艺过程。物有所值 从整个加工过程来看，如果考虑调校和更换刀片的时间的话，即使使用费用较低的硬质合金刀具来满足公差和表面精度要求，那么这笔费用也是昂贵的。只有对生产能力、加工周期以及刀片性能综合协调，才能最终形成真正的加工能力。
有一个很好的例子，在一次专门的小批量加工中，使用涂层硬质合金刀片，成功的对一个烧结碳化钡燃气涡轮叶片进行铣削加工。在切削速度为120sfm时，只用5-10分钟就完成了切削。在高硬度材料的大批量加工中，15-30分钟的刀片寿命是可以接受的。但对于小批量工件，较短的刀具寿命和经常性的更换刀具并不是主要缺陷。然而，在满负荷生产中延长刀片寿命变得很重要，这样可以减少换刀时间、换刀人员、提高机器利用率和生产力。现在硬质合金刀片可以很好加工涡轮叶片，如果加工量很大时，就应采用硬度更高、费用更昂贵的CBN刀片。
使用先进材料刀片进行加工必须选取正确的进刀深度和切削速度。Sandvik
Coromant公司的CBN刀片经过强化、导角，在加工硬度超过50RC的材料时，可以防止刀片崩刃。尽管CBN刀片刚性和韧性都很好，但仍需要修正切削机床的参数以保证加工精度的要求，切削速度偏差超过10%就会对加工效果产生很大的影响。
如果你需要加工高硬度材料，请考虑与你的刀具供应商联系，他们可以根据其他用户解决类似问题的经验为你提供解决方案。如果需要作试验，反复试验通常从硬质合金刀片开始，再逐步试用理度较高且较贵的刀片。现代刀片几何学、高刚性刀柄以及精确的加工程序使价格较低的硬质合金恨片能够胜任艰巨的切削工作。如果不使用硬质合金刀片，则需要根据具体情况选择其它刀片，但种类繁多的材料还是会给加工造成很大困难。
硬化钢
合金钢在各领域应用很广，其硬度正在逐步提高。以前工具钢的硬度一般是45RC，现在，经淬火处理的钢材硬度达到63RC的情况在模具制造业中已很普遍。模具厂家以前都是在热处理以前进行切削，现在为避免热处理引起的变形，必须在热处理硬化后对高硬度工具钢进行精加工。在对高硬度合金进行铣削加工时，产生的热量和压力会导致塑性变形而加速刀片磨损。
尽管如此，仍可以经济地用硬质合金刀片加工高硬度钢。比如在航天工业的加工中，一家专业航天器材制造商在一块大的300M-4340改良型锻造硬化钢上重镗孔时，转而使用Sandvik
GC1025硬质合金刀片。大部分金属材料都是在热处理以前，硬度为30-32RC时进行加工的，然而，为了修正变形，必须对大工件上精密度要求高的孔进行复镗，这时材料硬度高达54-55RC。
一些硬度达到60RC的材料中的碳化物颗粒的硬度达到90RC，在加工这些材料时，涂层硬质合金刀片易受磨损。
因为工件较厚，给加工增加了难度，需要对其重复镗三次才能达到公差要求和表面精度要求。在第一次镗孔还没完成时，就因为金属陶瓷刀具破损而中断了。这给我们一个警示：破损的刀刃有可能毁坏整个工件。相反，拥有坚硬的PVD涂层和锋利刀刃的先进的精细的硬质合金刀片，可以持续进行6-9次切削。为了使用硬质合金刀片，供应商推荐将切削速度从300sfm降低为175sfm,但仍保持相同的切削深度。用硬质合金刀片以低切削速度进行三次镗孔加工耗时80分钟左右，而陶瓷合金刀具加工时间为一个小时。更重要的是，其附加的安全刀刃将因刃口破损而损伤贵重工件的可能性降到最小。
为找到用硬质合金刀片铣削高硬度钢材的合适的加工参数，切削速度一般从100sfm开始试验。试验性切削的速度可以由150sfm逐渐增加到180sfm。通常进给速度为0.003-0.004英寸每齿。对于刀片的几何外形，零角度或微小的负前角刀片比正前角刀片的刃口强度高。圆形硬质合金刀片在加工高硬度材料时同样有优势，这是因为没有容易产生应力集中的尖角。在选择硬质合金刀具时，主要考虑其强度等级。安全性高的刃口可以承受很大的径向切削力，以及刀片接触和离开高硬度钢时产生的冲击。另一方面，这些经过特别处理的抗高温材料可以承受加工硬度达60RC的钢材时产生的热量，附有氧化铝涂层的抗冲击硬质合金刀片也能承受铣削时产生的高温。烧结金属
由于粉末冶金技术的进步，出现了应用渐广的高硬度烧结金属。一家生产商开发了一种含有钨、碳化钡的镍粉合金，其硬度可以达到53RC-60RC。在镍合金的矩阵结构中的碳化物颗粒硬度高达90RC。在加工这些材料时，涂层硬质合金刀片的刃面很快磨损，最初的刃口被磨平，这是由于显微结构中的超硬颗粒产生的细微振动会加速刀片的磨损。在加工这种高硬度材料时，硬质合金刀片也可能受剪切力而破碎。
CBN刀片提供了一种效率很高的加工含有钨和碳化钡的高硬度粉末金属的方法，其先进的几何形状可以克服细微振动。一位加工粉末合金的用户发现，使用CBN刀片比最好的硬质合金刀片的寿命要长2000倍。用一个有五块刀片的平面铣刀，以200sfm的切削速度和0.007英寸/齿的进给速度加工高硬度工件，结果比电火花加工的速度要快75%。
要充分利用CBN，切削参数必须保持在严格的范围：切削速度160sfm,进给速度0.004-0.006英寸/齿，看起来有点慢，但对于加工烧结金属来说，已经是高的加工效率了。精确的加工参数最好通过30-60秒的试切来确定。先从低速开始，再逐渐加速，直到切削刃出现过多磨损，这样才能取得最好的临界值。
加工高硬度金属时，通常是干式加工，主要是为了保证切削刃的等温性。在大多数情况下，带有双负前角的圆形刀片是效率最高的，这时切削深度限制在0.04-0.08英寸以内。
由于铣削不是连续加工，在加工洛氏硬度超过60或更高的材料时，产生的持续不断的冲击会造成独特的加工应力。因此机器和刀具必须保持最大的刚度，最小的外伸悬臂，以及最大的强度，以便于承受在加工中产生的冲击载荷。超耐热合金
航天工业中开发的超耐热合金（HRSAs）越来越多的应用到了汽车工业、医疗机械、半导体、以及电站设备等方面。常见的超耐热合金有Inconel 718、625、沃斯帕洛伊合金、钛6Al4V，现在又增添了钛合金以及铝镁合金。所有的这些材料都给加工增加了难度。
超耐热合金的硬度很高，一些钛金属的硬度高达330布氏硬度。使用传统的金属刀具，在切削带温度将高达2000°F，将会弱化分子间的约束力，形成金属流动层。而如果用超耐热合金刀具，在整个切削过程中，刀具将一直保持硬度不变。
超耐热合金在加工时也会产生加工硬化现象，会导致刀片过早失效。加工超耐热合金的难度是多方面的，未剥落的材料被磨蚀剂覆盖，其锋利的边缘甚至会更快地磨损刀片的切削刃。
考虑到这些切削困难，加工超耐热合金时一般速度较慢。比如用Sandvik GC2040型刀片加工Inconel
718材料的刹车零件时，切削速度为200 sfm；
圆形硬质合金刀片在加工高硬度材料时同样有优势，因为没有尖角结构，所以有很高的强度。
用Sandvik 7020 CBN 刀片加工同种金属时，切削速度调整为260 sfm。而用无涂层的硬质合金刀片切削工具钢时，速度为400
00 sfm。加工超耐热合金所采用的进刀量与加工工具钢的差不多。选择加工超耐热合金的刀片时主要考虑材料和工件。正前角硬质合金刀片用来加工超耐热合金材料的薄壁工件效率很高。但是，加工厚壁工件时，需要负前角的金属陶瓷刀片，因为这种刀片的切削效率要高一些。在大多数高硬度加工中采用干式加工以保证切削刃的同温性，而钛金属的加工，即使是很慢的切削速度也需要采取冷却措施。
加工中超耐热合金的不断硬化将加速切削刃刃尖的磨损。没有尖角的圆形刀片，它的切削刃强度很高，但超耐热合金的加工硬化现象会导致刀刃产生缺口。连续加工中改变切削深度，可以避免形成加工硬化带，防止刀具产生缺口，延长刀具寿命。吃刀深度可以这样变化：第一次0.3英寸，第二次0.125英寸，第三次0.1英寸。双金属材料
双金属元件是将硬度较高的材料放在易磨损区域，其它区域为较软的金属。这种方式在汽车工业和其它一些领域应用很广，但同时也给加工带来了困难。CBN切割硬度大于50RC的材料时效率很高，但如果切削较软的金属的话，反而会破碎。PCD刀片可以加工象铝金属，但用来加工铁类金属时，却会产生过多磨损。
要高效的加工双金属工件，需要对用户、刀具供应商、设备供应商提供的加工程序进行调整。有这样一个例子，前文提到的高硬度粉末合金，通过高温等静压机压制在价格较低的316不锈钢底层上。通过编程将螺旋形走刀路径输入机床，并选用最优的进刀量和切削速度，首先加工粉末合金，然后再加工其底层金属。这样可以避免上述问题的发生。
篇6：镀膜层显微硬度测试中的误差分析
硬度不是一个确定的物理量，而是材料的一种重要的机械性能，金属材料镀膜层硬度的准确测量直接反应了镀层的质量。测量镀膜层表面的显微硬度是采用的静力压入的试验方法，将一二相对棱面的夹角为136°的金刚石正四棱角锥体(如下图所示)：
以一定负荷压入试样表面，压痕深度越深或压痕对角线长度越长，则获得的硬度值越低，也就说明些涂层材料越软，当压痕深度越浅或压痕对角线长度越短，则获得的硬度值越高，压痕对角线测量值比实际值大时，所测得的硬度数值偏低，反之，当压痕对角线的测量值比实际值小时，所测得的硬度数值偏高。
1 显微硬度试验
1.1 显微硬度试验的基本原理
显微硬度试验原理是将一二相对棱面的夹角为136°的金刚石正四棱角锥体以一定负荷压入试样表面，将负荷保持一定的时间后卸除负荷，而获得压痕，以压痕四棱面上所承受的平均压力来表示显微硬度值，即，单位面积所承受力的大小。用HV表示(在二相对棱面的夹角为136°的金刚石正四棱角锥体时，用HV表示显微硬度值，而在压头为二相对棱边的夹角分别为172°30′和130°的四棱金刚石角锥体时，则用HK表示显微硬度值)。本文以HV显微硬度计为例进行论述。
1.2 显微硬度的计算公式
式中，HV：为显微硬度值(kgf/mm2);
P：为试验力(kgf);
S：为压痕面积(mm2);
α：为二相对棱面的夹角(136°);
d：压痕对角线长度(mm);
1.3 显微硬度试验的标准条件
硬度是表明材料变形能力的一种性能指标，对该指标的测量结果能否达到标准要求，这不仅取决于试样的材质，而且试验条件对能否获得准确的测量结果也有明显的影响。为了使不同的操作人员均能获得一致的测量结果，必须实行统一规定的标准试验条件。只有这样，试验测得的结果才能准确地反映出显微硬度的准确性。
1.4 显微硬度试验的优缺点
1)是一种真正的非破坏性试验。在试件表面留下的痕迹往往是非目力所能发现的。因而适用于各种另件以及成品的硬度试验;
2)能测量各种原材料、半成品、成品的硬度，尤其是其它宏观硬度试验无法测定的细小、薄片、零件和电度层、涂层、渗碳层等表面层的硬度;
3)可以对一些非金属或脆性的材料或成品硬度测试不易产生碎裂(如陶瓷等);
4)缺点就是对试件的制备、环境、操作人员要求都较高。
2 显微硬度测量数值的误差及消除方法
2.1 显微硬度误差分析
利用微积分法进行误差分析，这是一个多变量函数的全微分问题。若u=f(x、y、……t)的各偏导数都存在连续则有：
若将HV计算公式进行全微分可得：
再将该式分项求偏微分，经运算后可得;
由上式可知，显微硬度中的HV硬度值的误差是由载荷误差、棱锥压头夹角误差和压痕对角线长度的测量误差所组成。而在这三个误差项中，只有对角线长度与试样有关。
2.2 镀层压痕对角线长度测量引起的显微硬度误差
金属材料在经过镀膜处理后，它的表面在平整度和光洁度上都不太高，而有些镀膜层表面又不能作抛磨处理，多多少少都存在一些凹凸面。这就必将使测量产生误差。如下图所示;
在显微镜下观察到表面是凹凸不平的，根据以上情况，我们可以将经过镀膜处理后表面所型成的凹凸部份简化成凹球面和凸球面的来进行讨论，首先;从下图可看出，在一个标准平面上的压痕是一个标准的四菱角。
当出现凹凸不平的表面时，压痕的长度是大于或小于实际的长度的。实线表示在同等条件下、对角线长度的平面试样压痕的剖面图，虚线表示在同等条件下、对角线长度的曲面试样的剖面图。从图中可看出;当所测试的镀层硬度恒定、并在相同负荷的作用下时;当所测量面为凸球面时，压头压入的深度比平面时要浅，而对角线长度就比平面时的对角线长度要短，那么所测的硬度值就偏大，而当所测量面为凹球面时，压头压入的深度比平面时要深，对角线长度就比平面时的对角线长度要长，那么所测的硬度值就偏小。根据HV硬度的公式同样可证明这一点。为了能保证测量的精确度，就有必要对曲面的试样硬度的测量值进行修正，对于曲面的硬度值修正系数可参考有关标准中的规定。为了使得修正更加精确，首先要确定镀层表面的凹凸面的球面直径。准确无误的判断镀层凹凸面的球面直径是确定测量精度的关键。这就与操作人员的熟练成度有很大的关系。
2.3 镀层表面的平行度引起的显微硬度误差
金属材料在经过镀膜处理后，所引起的镀层表面不平行度也将直接影响镀层显微硬度的测试。在对金属表面镀膜处理过程中，镀层表面的厚薄不均等都将造成压痕异常，故引起对角线的测量误差。对于平行度带来的影响可以在测量硬度时对试样的基体作一些处理以减少不平行带来的误差。
3 结论
通过镀膜层表面显微硬度试样的试验，通过对造成的硬度测量误差分析可知，只有从事测量镀膜层表面显微硬度值的操作人员熟悉显微硬度计的工作原理和掌握测量镀膜层表面显微硬度值的误差来源及其消除对策，才能准确而又快速地测量显微硬度值。为了避免由于操作方法不正确而产生的人为误差等，必须对测量人员、测量方法进行有效的控制，才能保证镀膜层硬度数值的准确性和可靠性。而在选择试验力时，应在不压穿涂层的情况下尽量选用较大的试验力，以得到较大压痕，从而减小硬度相对测量误差。正确地运用显微硬度测量技术，以便消除影响测量镀膜层表面显微硬度造成的人为误差。
摘要：叙述了金属材料在经过表面镀膜处理后,金属试样表面将型成不规则的微小凹凸面,这种微小凹凸面在显微硬度检测过程中将引起的测量误差。本文针对这类测试误差进行了分析,并提出了纠正误差的处理方法。
关键词：显微硬度试验,误差分析,排除,显微硬度计
参考文献
[1]温其诚.硬度计量[M].北京:北京出版社,1991.
[2]蔡正平.力值与硬度计量手册[M].北京:科学出版社,1980.
[3]李孝武,刘景利.力学计量[M].北京:天津市计量出版社.
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