1、材料分析技术材料分析技术金相与硬度测试金相与硬度测试一 硬度n（一）基本概念（一）基本概念n1.硬度定义硬度定义n 硬度是衡量金属材料软硬的一种性能指标。n2 常用硬度测量方法和分类常用硬度测量方法和分类n 硬度测量基本可分为压入法和划痕法。压入法中，根据加载速度不同又可分为静载压入法和动载压入法（弹性回跳法）。在静载压入法中根据载荷、压头和表示方方法不同，又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等多种。压入法比较简单，能测量所有金属材料的硬度，不损坏零件，而且在一定条件下和材料抗拉强度等性能指标有一定关系，可由硬度值推断其他强度指标，实际工作中使用最多。n3 硬度的物理意义硬度的物理意
2、义n 硬度值的物理意义随着实验方法的不同而不同。对压入法，硬度表示材料表面抵抗另一种物体压入时所引起的变形功；压入法表示材料抵抗表面断裂的能力；回跳法硬度值表示材料金属弹性变形功的大小；因此硬度值实际上不是一个单纯的物理量，它是表征着材料的弹性、塑性、变形强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性指标。一般认为硬度是金属表面地抗拒不压入变形和刻划破裂的能力。（二）（二）硬度测量原理硬度测量原理n1.布氏硬度布氏硬度n 布氏硬度的测量原理是用一定载荷P(kgf)，把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金头压入被测金属的表面，保持一定时间后卸载，根据金属压痕的表面积F（mm2),除载荷所得的
3、商值即为布氏硬度，其符号用HB表示，代表单位压痕面积上所承受的压力，一般不标出单位。2/102.0)(mmNDhPFPWHBSn在实际实验时，由于测量压痕直径d比h方便，因此将上式h换算成d的表达式n式中，HBS、HBW分别代表用钢球和金刚石压头测得的硬度，d是唯一变量，试验是只要测出压痕直径d（mm),可通过计算，或查布氏硬度表即可得到HB值。n 由于金属软硬不同，工件薄厚、大小不同，不能仅采用一种标准载荷和钢球直径D，需要在生产实验时，能使用不同大小负荷P和钢球直径D。对同一种材料采用不同载荷和钢球直井，能否得到同一硬度值，关键在于压痕的几何形状相似性。如图所示，要保证级和相似性，必须保证
4、钢球压入角j相等。22212dDDh222102.0)(dDDDPWHBSn由图可知，n 此式说明，若压入角不变，为了使同一种材料二者所得HB不变，则要求P/D2保持常数，这就是由压痕相似性原理导出的P和D选配原则，硬度实验时必须执行。国家标准规定布氏硬度实验时，P/D2的比值为30，10，2.5三种，根据金属材料种类、试样硬度范围和厚度的不同，按照下表规范选择钢球直径P、载荷P及载荷保持时间。2sinjDd 2sin11222jDPHB布氏硬度实验规范布氏硬度实验规范金属类型布氏硬度（HB)试样厚度（mm)P与D相互关系钢球直径D(mm)载荷P(kgf)在和保持时间（sec)黑色金属140-
5、4506-34-2小于2P=30D21052.53000750187.510小于140大于66-3小于3P=10D21052.53000750187.510有色金属大于1306-34-2小于2P=30D21052.53000750187.53036-1309-36-3小于3P=10D21052.53000750187.5308-35大于66-3小于3P=2.5D21052.53000750187.560布氏硬度试验的有效性、标注、优缺点和适用范围布氏硬度试验的有效性、标注、优缺点和适用范围n有效性检验：有效性检验：试验后压痕直径应在0.25Dd0.6D的范围内，否则试验无效，应考虑换用其他载荷
6、重做试验。n表式方法：表式方法：用D=10mm，P=1000kgf，载荷保持时间10sec,所测硬度值为280，则用HB280表示。在其他试验条件下，符号HB应以相应的指数注明钢球直井，载荷大小及保持时间。如HB5/250/30,表示D=5,P=250kgf,载荷保持时间为30sec。n优点：优点：硬度值代表性全面，因压痕大，能反映较大范围内金属各组成相影响的综合性能，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响，适用于测定灰口铸铁，轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料；实验数据稳定，重复性好，与强度有一定换算关系。n缺点：缺点：由于压头为淬火钢球，由于钢球自身的变形问题，适用于HB450的硬度范围。n2
7、.洛氏硬度洛氏硬度n 洛氏硬度是目前使用最为广泛的实验方法，和布氏硬度一样，也是一种压入硬度实验方法，但它不是测量压痕面积，而是测量压痕深度，以深度大小表示材料的硬度值。n洛氏硬度的压头采用锥角为120on的金刚石圆锥或直径为1.588mmn（1/6 inch)的钢球。载荷分两次n加，先加初载P1，然后加主载荷nP2，其总载荷为P=P1+P2.n图中0-0为金刚石压头没有和试样n接触位置，1-1为压头受到初载P1n后压入试样深度为h0的位置，2-2n为受到主载荷P2后压入试样深度n为h1的位置，3-3为压头卸掉主载n荷仍保留初载P1下的位置，由于弹性恢复，压头位置提高了h2。此时压头受主载荷作
8、用压入深度为h，用h值来衡量材料的硬度。n金属越硬，压痕深度越小；金属越软，压痕深度越大。若直接以深度h作为硬度值，会出现材料越软，h值反而越大的情况。为了适应人们认为硬度越高，材料越硬的习惯相一致，认为规定以常数K减去h值作为落实硬度值的指标，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示：n使用金刚石压头，K=0.2mm，褐色表盘刻度所示，使用钢球压头，K=0.26mm,红色表盘刻度所示。002.0hKHRn洛氏硬度的优缺点洛氏硬度的优缺点n3.维氏硬度维氏硬度n载荷P可从0.5-120kgf范围内根据试样大小、薄厚和其他条件进行选择，但常用的载荷为是0.5，1，5，10，30k
9、gf。n压痕对角线是用附在硬度计上的显微计测量的。测量时应测出两对角线长度，求其算术平均值作为压痕对角线长度d。测出d后，就可以用计算或从不同载荷下计算好的对照表查得试样的维氏硬度值。)/(8544.122mmkgfdPFPHV维氏硬度的优缺点维氏硬度的优缺点n优点：优点：n1）不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束，n2）不存在变形问题n3）由于角锥压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠。n4）不存在洛氏硬度的硬度级无法统一的缺点，而且较洛氏硬度能够更好的测量极薄试样的硬度。n缺点缺点n 硬度值需要测量对角线，然后查表获得，生产效率不如洛氏硬度，不适宜于大批量的常规检验。4.
10、显微硬度显微硬度n显微硬度试验实质上就是小负荷的维氏硬度试验，其原理与维氏硬度相同，所不同的实载荷以克力（gf)，压痕长度以微米计量。主要用来测定各种组成相的硬度。显微硬度符号用HM表示。n式中P为克力（gf),d为微米（mm）。n显微硬度一般使用载荷为2、5、10、50、100、200克力。由于压痕较小，试样必须制备成金相样品，在磨制和抛光是应注意不能产生较厚的金属扰乱层和表面强化层，以免影响试验结果。在可能的范围内尽可能使用加大载荷，以减少因磨制试样所产生的硬化层的影响。)/(4.185422mmkgfdPHM 5.硬度和抗拉强度的换算关系硬度和抗拉强度的换算关系n实践证明，硬度实验室机械
11、性能试验中最简单的一种实验方法。材料的硬度和强度之间存在一定的关系，根据硬度可近似估计材料的强度，但精确的强度需要仔细的测量。n几种常用的经验公式几种常用的经验公式未淬硬钢：碳钢90100)130/(1046.290)130/(10587.217538.317555.344HBHRBHRBHRBHBHBHBHBbbbb27HRC)-100/1003.55.2426HRCHSbb（肖氏硬度）n灰铸铁n铸钢n铬锰硅钢 b=3.5HBn铬钼钢 b=3.3HBn硬铝 b=3.7HBn黄铜 b=5.3HBn纯铜 b=4.8HBn根据洛氏硬度 b=-801.24+50.08HRC40HRC)-100/10
12、45.840)43(4HRCHRCHBbb（2740HRC)-100/107883.4)40(633.126HRCHBbb（三）三）实验设备和试验步骤实验设备和试验步骤n1.HB-3000型布氏硬度计型布氏硬度计概述适用范围适用范围主要规格及技术参数主要规格及技术参数使用方法实验规范操作注意事项2 数字式洛氏硬度计技术规格1技术规格（续）2指示面板面板功能面板功能2（续）面板功能3（续）面板功能4（续）面板功能（续）硬度测量方法硬度测量方法（续）硬度测量方法（续）硬度测量方法（续注意事项硬度测量方法（续）测量操作流程图测量注意事项测量注意事项（续）测量注意事项（续）测量注意事项（续）3 HVS
13、-1000型显微硬度计型显微硬度计n简介主要技术参数操作面板功能介绍操作面板功能介绍硬度计的使用硬度计的使用硬度计的使用硬度计的使用注意事项注意事项注意事项三三.金相分析金相分析n1.金相试片的制备金相试片的制备n1）概述概述n 金相显微分析试验是金属与合金组织的主要方法之一。他的一般过程是将金属与合金（或工件）限制成一定尺寸的式样，在经磨制成一定尺寸的试样，在经磨制、抛光、腐蚀，之后在金相显微镜下进行组织分析。n 金相试片植被的好坏，直接影响组织的观察结果结果正确与否。如果试片制备质量不高或不符合要求，就不可能得出理想的结果，有时可能因出现假象而得出错误的判断。因此学会制备金相试片，使材料工
14、作者必须掌握的基本功之一。2）金相试片的制备方法和步骤金相试片的制备方法和步骤n 金相试片的制备包括试样的切取、镶嵌、磨制、抛光、腐蚀五个步骤。n（1）试样的切取）试样的切取n 试样的切取应考虑试样被检验面的选择。被检验面组织的形态、分布、数量、大小等，必须充分代表被测金属或工件的特点。试样从工件或钢铁或有色材料上截取时，应保证不使检验面的组织因切取操作而发生任何变化。试样切取可采用车、刨、鋸等方法，也可采用气割、砂轮切割和电火花切割。如果采用气割、砂轮切割和电火花切割必须水冷，减少热影响层的深度。脆性材料也可采用落锤和其他方法击碎后使用。（2）试样的镶嵌）试样的镶嵌n 对于小试样，一般进行镶
15、嵌处理。为了磨制方便，试样形状一般为圆柱状或长方形。试样镶嵌一般在试样镶嵌机上进行，如图所示。镶嵌材料多采用塑料，分热凝性、热塑性两种。前者为胶木粉，不透明，一般为黑色。质硬，耐蚀性差。后者n为半透明或透明状，耐蚀性好，但较n软。n 镶嵌一般在镶嵌机的镶嵌模中进n行，首先将试样放入模中，然后加入n镶嵌材料，加热，同时加压，保持一n定时间后，去除压力，将试样顶出。n 也可用环氧树脂加凝固剂镶嵌。（3）试样的磨制）试样的磨制n 磨制的目的是获得平整、光洁的检验面，为以后的抛光作准备。n a 粗磨（磨平）n 试样磨制前应先用砂轮或锉刀平整检验面，并将其磨面的棱角去处。磨制时，应使试样的 磨面与砂轮侧
16、面平行，缓慢地与砂轮接触，并均匀地施加适当的压力。为了不破坏检验面地组织，应不时在水中冷却。n b 细磨n 粗磨后仍保留很深的划痕，为取出这些划痕，必须进行细磨。可分为手工细磨和机械细磨。n 手工细磨是将粗磨后的试样在从粗到细的砂纸上逐道细磨。待上一道磨制划痕完全消除后，才能进行下道磨制工序。更换砂纸时，须将磨制面清理干净，避免使沙粒带入下道工序。下道磨制方向应与上道磨制方向垂直。如此进行下去，直到达到抛光前应有的光洁度。砂纸各个厂家不同，编号不同，一般采用隔号选择。如100，200，400，600#,800#,1000#或100，300，1(2)，3(4)#,5(6)#,7#等。根据实验室条
17、件选择。（4）试样的抛光）试样的抛光n试样的抛光是最后一道磨制工序，其目的是去除试样磨面上的划痕，达到光亮而无划痕的镜面。试样抛光可分为机械抛光、化学抛光、电解抛光。其中最常用的是机械抛光。n a 机械抛光 是在专用的抛光机上进行。抛光用织物，常用的有布、呢料、绒布、长毛金丝绒及绸布等。可根据材料的性质和状态选用。抛光用磨料有三氧化二铝，三氧化二铬，氧化镁等细粉在水中的悬浮液（1升水加入5克氧化铝或10-15克氧化铬。也有各种粒度的金刚石抛光膏和金刚石抛光雾剂。n 抛光时，将预先在水中浸泡1.5-2小时的抛光布箍紧在抛光盘上，打开电源。将试样首先放在盘的中心附近，均匀调整施加的压力，并将试样沿
18、抛光盘径向反复运动，同时试样沿轴向略微转动。最终抛光后的试样应呈镜面，在任何放大倍数下均观察不到划痕。抛光好的试样用清水清洗干净，并用脱脂棉擦干或用吹风机吹干。n 试样的抛光时间不宜太长，压力也不可过大。（5）试样腐蚀）试样腐蚀n试样抛光后只能看到光亮的磨面及非金属夹杂物、裂纹等，为了进行组织分析，必须进行腐蚀。n 试样腐蚀有化学腐蚀，电解腐蚀等，其中，化学腐蚀使用最多。n 化学腐蚀时，组织是由于各组织组成物与侵蚀剂之间产生电化学作用三三 金相观察金相观察n1.显微镜组成2.金相观察金相观察n1）接通电源。n2）选择需要选择合适倍数的物镜和目镜，换物镜时，必须将载物台，以免碰坏物镜镜头。n3）
19、将试样放在载物台上放平，并用弹簧片压紧。如果试样被面不平，用橡皮泥予以调整。n4）调整载物台使之对准物镜中心。n5）调整视域光栏。首先将光栏调整至最小直径，此时它应处在目镜中心位置。之后逐渐放大，直至与目镜视域大小相同为止。n6）调整孔径光栏。在正确地安装照明和光学系统情况下进行组织观察。首先关闭孔径光栏，使整个视域均匀变暗，之后逐渐将孔径光栏放开，直到物象显现的最清晰为止。孔径光栏过大，视域将出现炫光而影响映象质量。n7）使用低倍物镜观察时，焦距的调整应先用粗调手轮把载物台逐渐上升，使目镜视域内观察到物象轮廓后，再用细调手轮调整至清晰。注意调整时不要使镜头与试样碰撞。n8）仔细观察图象，选择有代表性组织进行拍照或图象采集。n9）对组织进行分析、测量n10）写出试验或检验报告。
