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维氏硬度

发布日期: 2021-10-26
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维氏硬度

 

维氏硬度,是指用一个相对面间夹角为136度的金刚石正棱锥体压头,在规定载荷F作用下压入被测试样表面,保持定时间后卸除载荷,测量压痕对角线长度d,进而计算出压痕表面积,最后求出压痕表面积上的平均压力,即为金属的维氏硬度值,用符号HV表示。在实际测量中,并不需要进行计算,而是根据所测d值,直接进行查表得到所测硬度值。

维氏硬度是英国史密斯(Robert L. Smith)和塞德兰德(George E. Sandland)于1921年在维克斯公司(Vickers Ltd)提出的。表示材料硬度的一种标准。

49.03~980.7N的负荷,将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后,用测量压痕对角线长度,再按公式来计算硬度的大小。它适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。维氏硬度尚有小负荷维氏硬度,它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定;显微维氏硬度,试验负荷<1.961N,适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。

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,用载荷值除以材料压痕凹坑的表面积,即为维氏硬度值(HV)。

计算公式为:

 

F=负荷(牛顿力),S=压痕表面积bai (平方毫米),α= 压头相对面夹角=136°,d=平均压痕对角线长度(毫米)。

报告维氏硬度值的标准格式为xHVy。例如185HV5中,185是维氏硬度值,5指的是测量所用的负荷值(单位:千克力)。

维氏硬度计测量范围宽广,可以测量工业上所用到的几乎全部金属材料,从很软的材料(几个维氏硬度单位)到很硬的材料(3000个维氏硬度单位)都可测量。

维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面小负荷维氏硬度试验,主要用于测试小型精密零件的硬度,表面硬化层硬度和有效硬化层深度,镀层的表面硬度,薄片材料和细线材的硬度,刀刃附近的硬度,牙科材料的硬度等。

由于试验力很小,压痕也很小,试样外观和使用性能都可以不受影响。显微维氏硬度试验主要用于金属学和金相学研究,用于测定金属组织中各组成相的硬度,用于研究难熔化合物脆性等。显微维氏硬度试验还用于极小或极薄零件的测试,零件厚度可薄至3μm。

广泛应用于测定微小、薄形试件、表面渗镀层等试件的显微硬度和测定玻璃、陶瓷、玛瑙、人造宝石等较脆而又硬的材料的努氏硬度,是科研机构、工厂及质监部门进行材料研究和检测的理想硬度测试仪器。

适用范围:热处理、碳化、淬火硬化层,表面覆层,钢,有色金属和微小及薄形零件等。配备努氏压头后能测定玻璃、陶瓷、玛瑙、人造宝石等较脆而又硬材料的努氏硬度。

硬度表示法

HV前面的数值为硬度值,后面则为试验力,如果试验力保持时间不是通常的10-15秒,还需在试验力值后标注保持时间。

如:600HV30/20---采用30千克力的试验力,保持20秒,得到硬度值为600。  

样品要求

虽然维氏硬度既可以测量较软的材料,又可以测量较硬的材料,但它对试样同样有着自己的要求。只有选择合适的试样,才能避免由此带来的误差,得到准确的维氏硬度值。

维氏硬度测试样品的要求大致如下:

试样外表要求

维氏硬度试样表面应光滑平整,不能有氧化皮及杂物,不能有油污。一般的,维氏硬度试样表面粗糙度参数Ra不大于0.40μm,小负荷维氏硬度试样不大于0.20μm,显微维氏硬度试样不大于0.10μm。(μm是表面粗糙度参数Ra的单位。)

试样制备的要求

维氏硬度试样制备过程中,应尽量减少过热或者冷作硬化等因素对表面硬度的影响。

此外,对于小截面或者外形不规则的试样,如球形、锥形,需要对试样进行镶嵌或者使用专用平台。 [2]

维氏硬度测试影响因素

硬度是材料性能的一项非常重要的性能指标,也是生产过程中一种快速进行质量控制的重要手段。常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度,其中维氏硬度因其可测硬度范围最广,同时根据测试力值的不同可测工件、镀层、渗层甚至不同显微组织的硬度,尤其是对于尺寸较小的样品,可以通过镶嵌等方式,得到准确的测试结果,因此维氏硬度的应用范围最广。然而维氏硬度测试时,对试样的表面粗糙度要求较高,尤其是小力值的维氏硬度,需要表面进行抛光处理才能得到准确的测试结果。然而在试样制备过程中,想要获取非常平整的表面比较困难,试样经磨抛后,测试面与压头不会完全垂直,会存在一定的角度偏差,尤其是一些镀层、渗层等在试样表面时,磨抛更是会产生一定的倒角,导致测试面与压头存在一定的角度偏差。

1)测试面与压头的角度

维氏硬度测试为压入法,压头在一定的力值作用下,垂直压入待测样品的表面,样品表面产生塑性变形留下菱形的压痕。而当样品表面存在一定的倾斜角度时,菱形压头的四个角位承受的力不一致,造成了压痕形貌有所差别。

未倾斜的样品压痕周围的塑性变形较为均匀,而倾斜的样品,倾斜角度越大,测试后的塑性变形越严重。与压头接触的坡上部分压痕周围变形更严重,压痕的对角线较短,而坡下部分压痕周围变形较少,压痕的对角线较长。将测试后的样品放平后在显微镜下观察发现,压痕均有不同程度的挤出现象,导致对角线边缘附近有“拱起"现象,这一现象随着倾斜角度的增大而越明显,从而导致压坑越大,造成了对角线长度的增大,硬度测试值变小。

维氏硬度测试时,测试面与压头的角度偏差会导致维氏硬度测试值偏低,且随角度的增大,偏差越大。为了得到更为准确的测试结果,应在制样时尽可能避免有明显的倾斜角度。同时,随倾斜角度的增大,导致压痕对角线的差值增大,倾斜角度为1~2°时,压痕差值满足国家标准要求,倾斜角度为3°时,不能满足要求。 [3]

2)参数值

在进行维氏硬度试验时,应确保硬度值的准确性,做好相关参数的优化工作,分析试验力的误差原因,并深入研究这些因素对维氏硬度值的影响,以有效降低测量误差。

杠杆系统、主轴、工作轴以及砝码重力经一定杠杆比放大形成的力等均属于试验力的组成部分,且还包括上述设施运动过程中受到的摩擦力。由此看出,维氏硬度试验力的误差主要来源于杠杆比、杠杆主轴、工作轴重力、摩擦力以及砝码重力等几部分。在维氏硬度试验过程中,相关参数直接影响着试验力结果,为了减小误差,工作人员应在考虑维氏硬度试验原理的基础上,选择恰当的试验力数值,针对误差超值原因采取有效的解决措施,从而提升维氏硬度试验的准确性。

 


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