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5种测量材料硬度的方法

通过Krystal Nanan.
发布日期:2020年11月30日
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硬度没有由任何一个普遍规模或衡量单位定义。有几种测试可用于评估此属性,每个都具有其独特的优点和缺点。

资料来源:kimtaro / dreamstime.com

硬度的材料被限定为特定的材料的耐局部塑性变形或压痕。该术语也可用于描述材料的抗刮擦,磨损或切割。关于金属,最常用的硬度来评估其抵抗由于浓缩载荷的永久变形的能力。金属的硬度越大,在外力存在下保持其形状的能力就越大。

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金属的硬度很大程度上取决于其他参数,如刚度、强度、应变、延展性屈服强度.知道金属的硬度非常有用,因为它有助于合适的材料的选择为特定的应用程序。金属硬度的先验知识有助于评估金属加工的容易程度或在操作中它的表现。(有关正确的材料选择如何防止腐蚀的更多信息,请阅读如何通过改进设计来控制腐蚀。)

硬度测试方法

与其他明确规定的材料特性不同,硬度没有标准的标尺。材料的测试使用各种方法,每一种测试都用它自己任意定义的尺度来表示硬度。在本文中,我们将探讨测量材料硬度的五种最常见的测试方法,它们如何不同,以及在哪些情况下它们最适合。

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Brinell硬度测试

布氏硬度测试需要测量所引起的恒定集中力压痕直径施加由钢或碳化物在试样球形压头。钢球压头首先被放置在与材料接触被施加并保持10至15秒的持续时间,被称为驻留时间之前一个恒定的力。的停留时间完成之后,球形压头被除去,留下样品上的圆形凹口。

使用以下公式计算Brinell硬度:

Brinell硬度,Hb =以千克力(kgf)的施加试验力(kgf)÷表面积压痕(mm2

这种硬度测试方法是本文提到的5种测试方法中压痕最宽和最深的,允许测试在更大的试件表面积上进行。这提供了在更宽的材料表面积上的硬度测试平均值,这具有考虑表面和表面的优点粮食不规则上的金属。然而,的布氏硬度试验比其它试验方法慢并且留下一个大的永久印象在试样

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布氏试验的描述见金属材料布氏硬度的标准试验方法

洛氏硬度试验

洛氏硬度测试通过测量由于施加的浓缩负载来测量凹陷的永久性深度来评估材料的硬度。罗克韦尔硬度刻度的数量越高,材料越难以。通过使用金刚石锥体或材料表面上的钢球压力施加10kg的轻微力来进行测试。从该初步载荷进行缩进的深度被记录并用作参考点。

然后施加指定的主要负载以用于指定的停留时间,进一步缩进测试样品。计算和记录由于主要负载引起的压痕深度之间的差异作为凹陷的永久深度。

图1.一个操作者执行的洛氏硬度试验。

图1.一个操作者执行的洛氏硬度试验。(来源:交通运输部阿肯色州。)

洛氏硬度是使用以下公式计算:

罗克韦尔硬度,HRC = [0.2 - 永久性深度缩进(mm)] x 500

罗克韦尔硬度试验被开发为比Brinell测试更少的破坏性和便宜。使用差分深度测量硬度有助于消除由于表面缺陷引起的误差。此外,无需额外的光学仪器即可读取硬度值,使之成为最常见的硬度测试方法之一。

洛氏试验中所描述ASTM E18 - 20(金属材料硬度的标准试验方法)

维克斯硬度测试

维克斯硬度测试涉及使用基于4侧方形的金字塔压痕,在试样上具有精确定义的恒定力,以评估压痕的表面积。首先提升样品,直到它与压头接触。然后通过压痕施加测试力,对试样施加,缓慢增加,直至其达到其特定值。然后将该力保持适当的停留时间,并且计算金刚石或方形凹口的表面积。

该材料的维氏硬度,然后使用下式求出:

维氏硬度,在千克力HV =施加试验力(千克力)÷压痕面积(mm2)或,hk = 1.854 x(f / d2

通过使用与球体相反的菱形压头(如在布氏硬度和洛氏硬度测试中),维氏硬度测试可以用更小的力完成,可以达到更高的精度水平.通过放大测试金属的表面上,所述试验可用于靶向微结构组合物,如马氏体或者贝恩特.由于维氏硬度测试需要使用光学和测量设备和材料制备,因此成本趋于高于其他硬度测试,并且与罗克韦尔测试相比,也可以花费更长的时间来完成。

维氏和努氏试验中所描述ASTM E92 - 17(维氏硬度和金属材料康复性的标准试验方法

图2。操作者进行维氏硬度测试的录像。

努氏硬度试验

努氏硬度试验是非常相似的维氏硬度试验在于金刚石/金字塔形的压头施加到该试验材料的特定的停留时间。然而,努氏压头是细长菱形,从而允许其测试没有开裂的材料和薄层。

努普压头有一个主对角线比维氏对角线和穿透材料长大约在韦氏测量深度的一半约三倍,使得它更适合用于测试脆性材料,如陶瓷

努普硬度测试产生一个菱形压痕,其中一条对角线比另一条长7倍。

通过以下公式计算Knoop硬度:

努氏硬度,HK =施加的试验力,单位为公斤力(kgf) ÷压痕表面积(mm)2)或,hk = 14.229 x(f / d2

莫氏硬度试验

莫氏硬度与前面提到的测试不同,测试不涉及通过压头施加的力。这个测试通过定义一种材料抵抗其他物质划痕的能力来衡量其相对硬度。由德国地质学家和矿物学家弗里德里希·莫赫斯(Friedrich Mohs)提出,一种材料的硬度是通过观察其表面是否会被另一种已知硬度的材料划伤来确定的。

通过沿着由10个矿物质组成的硬度刻度(MOHS刻度)排列矿物,将数值分配给该属性。规模上的数量越高,矿物质越难。例如,如果通过正向酶但不磷灰石划伤未知硬度的物质,则其MOHS硬度在5至6之间。

MoHS硬度刻度的硬度增量非常任意,而不是线性或比例。正是由于这个测试主要用于仅确定矿物质的相对硬度,而不是在诸如金属的其他材料上使用。

莫氏试验中所描述ASTM C1895 - 20(测定MOHS划痕硬度的标准试验方法)

图3.莫赫和Knoop硬度尺度之间的比较。

图3.莫赫和Knoop硬度尺度之间的比较。(来源:Eurico Zimbres, CC BY-SA 2.5,通过Wikimedia Commons)

我们学到了什么

材料的硬度没有通用的测量标准、尺度或单位。存在几种测试(一些在这里描述,另一些在本文中包含材料破坏性试验的3种基本类型),每个都用自己独特的任意尺度定义硬度。了解每个测试的优点和缺点是确定哪种方法最适合于待测材料的关键。

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写道Krystal Nanan.|土木工程师

简介南安克里斯塔尔图片
Krystal是一名土木工程师和项目经理,拥有建筑工程和管理理学硕士学位。她的经验包括重大基础设施项目的项目管理、施工监理,以及道路、路面、交通安全要素、排水等各种基础设施要素的设计。Krystal也是华盛顿特区交通研究委员会的出版作者

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