显微硬度的测定方法与设备.doc

实验八显微硬度的测定方法与设备
一．实验目的
熟悉显微硬度试验方法和显微硬度计的使用方法
二．显微硬度的基本概念
“硬度”是指固体材料受到其它物体的力的作用，在其受侵入时所呈现的抵抗弹性变形、塑性变形及破裂的综合能力。这种说法较接近于硬度试验法的本质，适用于机械式的硬度试验法，但仍不适用于电磁或超声波硬度试验法。“硬度”这一术语，并不代表固体材料的一个确定的物理量，而是材料一种重要的机械性能，它不仅取决于所研究的材料本身的性质，而且也决定于测量条件和试验法。因此，各种硬度值之间并不存在着数学上的换算关系，只存在着实验后所得到的对照关系。
“显微硬度”是相对“宏观硬度”而言的一种人为的划分。目前这一概念参照国际标准ISO6507/1-82“金属材料维氏硬度试验”中规定“负荷小于0.2kgf（1.961N）维氏显微硬度试验”及我国国家标准GB4342-84“金属显微维氏硬度试验方法”中规定“显微维氏硬度”负荷范围为“0.01~0.2kgf（98.07×10-3~1.961N）”而确定的。负荷≤0.2kgf（≤1.961N）的静力压入被试验样品的试验称为显微硬度试验。
以实施显微硬度试验为主，负荷在0.01~1kgf（9.907×10-3~9.807N）范围内的硬度计称为显微硬度计。
显微硬度的测试原理是采用一定锥体形状的金刚石压头，施以几克到几百克质量所产生的重力（压力）压入试验材料表面，然后测量其压痕的两对角线长度。由于压痕尺度极小，必须在显微镜中测量。
三．显微硬度试验方法
显微硬度测试采用压入法，压头是一个极小的金刚石锥体，按几何形状分为两种类型，一种是锥面夹角为136˚的正方锥体压头，又称维氏（Vickers）压头，另一种是棱面锥体压头，又称努普（knoop）压头。这两种压头分别示于图8-1a和图8-1b中。

图8-1a维氏压头图8-1b努氏压头
3.1维氏（Vickers）硬度试验法
1．维氏压头
二相对棱面间的夹角为136˚金刚石正方四棱角锥体，即为维氏压头（图8-1a）。
2．维氏硬度
维氏压头在一定的负荷作用下，垂直压入被测样品的表面产生凹痕，其每单位面积所承受力的大小即为维氏硬度。
维氏硬度计算公式：

式中：Hv—维氏硬度（kgf/mm2）；
P—负荷（kgf）；
S—压痕面积（mm2）；
d—压痕对角线长度（mm2）;
α—压头二相对棱面的夹角（136˚）
在显微硬度试验中，此公式表示为：
HV=1854.4P/d2
式中：HV—维氏硬度（gf/mm2）
P－负荷（gf）
d—压痕对角线长度（μm）
3.2努普（Knoop）硬度试验法
1．努普压头
二相对棱边的夹角分别为172˚30΄和130˚的四棱金刚石角锥体，即为努普压头（图8-1b）。
2．努普硬度
努普压头在一定的负荷作用下，垂直压入被测物体的表面所产生的凹痕在其表面的投影，每单位面积所承受的作用力的大小即为努普硬度。
努普硬度计算公式：

式中：HK—努普硬度（kgf/mm2）；
P—负荷（kgf）
S投—压痕的投影面积（mm2）
α—压头的第一棱夹角（172˚30΄）
ß—压头的第二棱夹角（130˚）
在显微硬度试验中此公式表示为：
HK=14228.9P/d2
式中：HK—努普硬度（gf/mm2）；
P—负荷（gf）
d—压痕的长对角线长度（μm）
3.3努普硬度试验法相对维氏硬度试验法的优缺点
1．优点
a.努普硬度适用于测定脆性材料。努普硬度试验法比维氏硬度试验法更适用于测定珐琅、玻璃、玛瑙、红宝石等脆性材料的硬度，压痕不易产生碎裂。
b.测量误差较小。当操作人员的人为瞄准精度一定时，压痕对角线越长，则由此瞄准误差所引起的测量误差越小。因此在采用相同负荷或保持相同的压入深度时，努普硬度试验要比维氏硬度试验的测量误差小。
c.压入深度浅。努普硬度试验较之维氏硬度试验更适用于薄件及表面层的硬度试验。
d.当努普压头测定硬度时，其压痕边缘由挤压而引起的凸缘比维氏压痕浅，因而由此类凸缘产生的不精确性可大大减小。
2、缺点
a.努普压头制造困难，因为努普压头的二相对棱夹角（尤其是第一对棱夹角172˚30΄）的误差对硬度值的影响要比维氏压头的二相对棱夹角的误差对硬度值的影响大得多。所以努普压头的二相对棱夹角的制造精度要求很高。
b.用努普压头测定某些材料（如各向异性的材料）的硬度时，其硬度随压头相对于材料的方向不同而有差异。因为努普硬度试验中只测量压痕的长对角线长，而维氏硬度试验中常测量压痕的二条对角线长度，取其平均值以消除二垂直方向对角线长度不一致而带来的硬度值误差。
c.努普硬度试验中对试样表面光洁度要求更高。因为在压痕顶端产生的起伏不平对压痕对角线长度产生的误差比维氏压痕更敏感。
d.努普硬度试验时，对压头相对于度样表面的垂直度要