硬度检测方法

硬 度 检 测 方 法
在经QPQ处理后可以在金属表面形成一层品质优良的致密的化合物层。该化合物完全由ε氮化铁组成，能够高效地提高金属表面的硬度、致密性、从而使金属表面拥有良好的耐磨性能。高硬度、高耐磨性是QPQ的重要技术指标，因此在生产中必须使用正确的方法测量硬度值。
1.硬度的定义：
硬度，物理学专业术语，材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度，是衡量金属材料软硬的一种性能指标，可以理解为抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力或为材料抵抗残余变形和反破坏的一种能力，一般硬度越高，耐磨性就越好。

2.基本概念：
按照测量的方法可分为三种：
①划痕硬度： 主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。
②压入硬度：  主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、和显微硬度等几种。其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。
③回跳硬度： 主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。主要是里氏硬度（HL）和肖氏硬度（HS）等几种。其值代表金属弹性变形功能的大小。
因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反应材料弹性、塑性、强度和韧性的一种综合性的指标。

刻化法测量硬度，硬度值表示金属抵抗表面局部破裂的能力。
压入法（布氏、洛氏、维氏）测量硬度，硬度值表示材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形的能力
回跳法（肖氏、里氏）测量硬度，硬度值代表金属弹性变形功能的大小。

实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有相对关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就相应地越高.

3.硬度的测量原理：
1： 里氏硬度

用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距离试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度之比计算出的数值，因LEEB博士提出而得名，故而叫里氏硬度。里氏硬度计的测量是基于一种相当简单的物理动态硬度检测原理。通过弹簧力将带有硬金属压头的冲击体推向试样表面，当冲击体撞击检测表面时会使表面产生变形，这将导致动能的损耗。通过据表面某一准确距离处测得的冲击和回弹速度计算出能量损耗，冲击体内部的永久磁铁在冲击装置的单线圈中产生一个感应电压，信号的电压与冲击体的速度成比例，经过电子技术处理的信号提供硬度读数供显示和储存。
里氏硬度计的计算公式如下：
HL=1000×Vb /Va 
HL————里氏硬度符号
Va————球头的冲击速度，m/s；
Vb————球头的反弹速度，m/s
优点：适用于所有金属，是生产环节检测的理想之选，适合重型、大型或已安装部件的现场检测。肖氏及里氏硬度均属动载测试法，但肖氏考察的是冲击体反弹的垂直高度，因此决定了肖氏硬度仪要垂直向下使用，这势必在实际使用中造成很大的局限性；而里氏就不同了，里氏考察的是冲击体反弹和冲击的速度，通过速度修正，可在任意方向上使用，极大地方便了使用者。
布、洛、维氏硬度计体积庞大，不便于在现场使用。里氏硬度仪无需工作台，其硬度传感器小如一只笔，可用手直接操作，无论是大、重型工件还是几何尺寸复杂的工件都能容易地检测。

2： 布氏硬度

       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。

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。
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HB<450的硬度范围。

3： 洛氏硬度

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。

洛氏硬度的压头采用锥角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm（1/6 inch)的钢球。载荷分两次加，先加初载P1，然后加主载荷P2，其总载荷为P=P1+P2.
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：

优点：操作简便快速，压痕小，测量迅速简便，效率高直接在工件表面进行测试，可测量各种金属的硬度，可测定较薄工件的硬度。
缺点：压痕小测量精度低，需要多次测量取平均值。

4： 维氏硬度

由英国科学家维克斯首先提出。以49.03~980.7N（5kg~10kg）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，试验负荷1.961~<49.03N，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，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值(HV)。显微硬度计和和维氏硬度计所用的载荷分别为1kg、2kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，常用的为1kg、2kg、5kg、10kg、30kg、50kg。
载荷的大小主要取决于试件的厚度

维氏硬度计算公式为：

值根据试验力的不同范围，维氏硬度试验分为三种形式：
①维氏硬度计：一般指最大负荷在10-50公斤的维氏硬度试验机。
②小负荷维氏硬度计：一般指最大负荷在5公斤的维氏硬度试验机。
③显微维氏硬度计：一般指最大负荷在1公斤的维氏硬度试验机。

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
QPQ试样表面应光滑平整，不能有杂物，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:
QPQ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。

优点：维氏硬度测量范围宽广，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。硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽的硬度范围内具有一个统一的标度。不存在压头变形的问题，压痕轮廓清晰，精确可靠。

缺点：测量前需要先测量对角线长度，然后校正后进行测量，效率不如洛氏硬度试验高。
对于试样表面的光洁度要求较高，通常需要制作专用的试样，操作不方便，通常只在实验室中使用。