《材料物理性能》课程教学资源（讲义）实验二 材料硬度测定（维氏硬度的测定）

维氏硬度的测定 硬度通常定义为材料抵御硬且尖锐的物体所施加的压力而产生永久压痕的能力。材料 的硬度是材料重要的机械性能之一。 材料的硬度与其他的物理性能之间存在着某种关系。例如，硬度和拉力试验基本上都 是测量金属抵抗塑性变形的能力。这两种试验在某种程度上都是测量同样的特性，其结果完 全可以相比较。硬度试验的优点在于：它是一种简单而又容易进行的试验，尤其突出的是它 是一种非破坏性测试。 习惯上把硬度试验分为两类：宏观硬度和显微硬度。宏观硬度是指采用1kg9.81N)以 上负荷进行的硬度试验。诸如工具、模具等金属材料的硬度试验。显微硬度是指采用 1kgf9.81N)或小于1kg9.81N)负荷进行的硬度试验，诸如极薄（薄至0.125mm)的板材，特别 小的零件，表面淬火、电镀或涂层材料的表面以及材料的各个组织的硬度。常用的硬度试验 有布氏硬度试验、洛氏硬度试验、表面洛氏硬度试验和显微硬度试验等，它们分别有各自不 同的适用范围。 本实验学习显微维氏硬度硬度测试的原理与方法。 一、目的意义 无机非金属材料硬度测试的目的，是为了检验材料抗磨蚀、耐刻划的能力。无机非金属 材料的硬度与材料的化学和物相组成以及显微结构等因素有关。非晶态材料的硬度随结构网 络外体离子半径的减小和原子价的增加而增加。晶体材料的硬度与键强弱有关。陶瓷材料的 硬度除与主晶相有关外，还受晶粒尺寸、晶界相和气孔及其分布等因素的影响。换句话说， 硬度是材料微观结构的宏观表现。在材料研究中，硬度数据的使用频率非常高，硬度测试的 目的，并不一定是用来表征所研究材料的使用性能，而是通过硬度试验获得材料微观结构的 有关信息。通过本试验要达到以下目的： ①了解材料维氏硬度测试的方法： ②学习维氏硬度测试的原理与方法。 二、基本原理 一般硬度测试的基本原理是：在一定时间间隔里，施加一定比例的负荷，把一定形状 的硬质压头压入所测材料表面，然后，测量压痕的深度或大小。 维氏硬度测试是用维氏金刚石压头来测量材料表面的硬度。维氏金刚石压头是将压头 磨成正四棱锥体，其相对两面夹角为136°。维氏硬度值是所施加的负荷(kg)除以压痕的表 面积(mm2)。 采用维氏金刚石压头时，其压痕深度约为对角线长度的1/门。维氏硬度的计算公式如下： H,-2Psm02_1854P-18542 2 (2) 2 9.811 式中1一一压痕对角线长的平均值，mm: 0一一金刚石压头相对面的夹角(136°)。 P-一所加载荷(N): D 一所加载荷(kg): 为了精确测量维氏金刚石压痕的对角线长度，压痕必须清晰可见。压痕清晰实际上是 衡量试样表面制备质量的一个标准。一般来说，试验负荷越轻，所要求的表面光洁度就越高。 当使用100g0.981N)以下负荷试验时，试样应进行金相抛光。同时，要求测量显微镜所测 压痕长度的误差应小于0.0005mm。 三、实验器材

维氏硬度的测定 硬度通常定义为材料抵御硬且尖锐的物体所施加的压力而产生永久压痕的能力。材料 的硬度是材料重要的机械性能之一。 材料的硬度与其他的物理性能之间存在着某种关系。例如，硬度和拉力试验基本上都 是测量金属抵抗塑性变形的能力。这两种试验在某种程度上都是测量同样的特性，其结果完 全可以相比较。硬度试验的优点在于：它是一种简单而又容易进行的试验，尤其突出的是它 是一种非破坏性测试。 习惯上把硬度试验分为两类：宏观硬度和显微硬度。宏观硬度是指采用 1kgf(9.81N)以 上负荷进行的硬度试验。诸如工具、模具等金属材料的硬度试验。显微硬度是指采用 1kgf(9.81N)或小于 1kgf(9.81N)负荷进行的硬度试验，诸如极薄(薄至 0.125mm)的板材，特别 小的零件，表面淬火、电镀或涂层材料的表面以及材料的各个组织的硬度。常用的硬度试验 有布氏硬度试验、洛氏硬度试验、表面洛氏硬度试验和显微硬度试验等，它们分别有各自不 同的适用范围。 本实验学习显微维氏硬度硬度测试的原理与方法。 一、目的意义 无机非金属材料硬度测试的目的，是为了检验材料抗磨蚀、耐刻划的能力。无机非金属 材料的硬度与材料的化学和物相组成以及显微结构等因素有关。非晶态材料的硬度随结构网 络外体离子半径的减小和原子价的增加而增加。晶体材料的硬度与键强弱有关。陶瓷材料的 硬度除与主晶相有关外，还受晶粒尺寸、晶界相和气孔及其分布等因素的影响。换句话说， 硬度是材料微观结构的宏观表现。在材料研究中，硬度数据的使用频率非常高，硬度测试的 目的，并不一定是用来表征所研究材料的使用性能，而是通过硬度试验获得材料微观结构的 有关信息。通过本试验要达到以下目的： ①了解材料维氏硬度测试的方法； ②学习维氏硬度测试的原理与方法。 二、基本原理 一般硬度测试的基本原理是：在一定时间间隔里，施加一定比例的负荷，把一定形状 的硬质压头压入所测材料表面，然后，测量压痕的深度或大小。 维氏硬度测试是用维氏金刚石压头来测量材料表面的硬度。维氏金刚石压头是将压头 磨成正四棱锥体，其相对两面夹角为 136°。维氏硬度值是所施加的负荷(kgf)除以压痕的表 面积(mm2 )。 采用维氏金刚石压头时，其压痕深度约为对角线长度的 1/7。维氏硬度的计算公式如下： 2 2 2 9.81 2 sin / 2 1.854 1.854 l p l P l P HV = =  =  （2） 式中 l ——压痕对角线长的平均值，mm；  ——金刚石压头相对面的夹角(136°)。 P ——所加载荷（N）； p ——所加载荷（kgf）； 为了精确测量维氏金刚石压痕的对角线长度，压痕必须清晰可见。压痕清晰实际上是 衡量试样表面制备质量的一个标准。一般来说，试验负荷越轻，所要求的表面光洁度就越高。 当使用 100gf(0.981N)以下负荷试验时，试样应进行金相抛光。同时，要求测量显微镜所测 压痕长度的误差应小于 0.0005mm。 三、实验器材

HV一1000型维式硬度计由试验机主体、工作台、升降丝杠、加载系统、操作面板、高 倍率光学测量系统等部分组成（见图1所示。通过操作面板，能调节测量光源强弱，预置试 验力保持时间。 四、试样制备 试样应选择成分均匀、表面结构细致和平整度好的样品为待测试样。表面粗糙不平或 平整度差的试样，由于压痕会或多或少地发生变形，引起测量误差。 用切割工具切剖试样（试件最大高度65mm,试件最大宽度85mm),擦净测量面待用 12 13 14 图1HV-1000型显微维氏硬度计 1压头：2-压头钉：3-后盖：4一电桶头：5一主体：6一显示燥作国板：了一开路世杆：及一0×物檀 9一定位弹黄：10-德量飘明灯座：1数字式测徽目镜：1公-上：1赢相装口盖： 一试酸力变赖手轮 15一相、测量转拉任：16物、乐头转手轮， 五、测定步骤 5.1将水平仪放在十字试台上，调节前后水平螺钉，使水泡居中 5.2打开电源开关(22，指示灯(21)及光源灯亮(10)。 5.3转动物镜、压头转换手柄(16)，使40x物镜(18)处于主体前方位置。（光学系统总放 大倍率为400x,处于测量状态。) 5.4将试样安放在试台上，转动旋轮(20)使试台上升。眼睛接近测微目镜观察。当试样离 物镜下端2一3mm时，在目镜的视场中心出现明亮光斑，说明聚焦面即将来到，此时应 慢微量上升，直至在目镜中观察到试样表面的清晰成像，这时聚焦过程完成。 5.5如果在目镜中观察到的像呈模糊状或一半清晰一半模糊，则说明光源中心偏离系统光路 中心，需调节灯泡的中心位置。如果视场太暗或太亮可通过操作面板(6)上的软键调节光 顶强弱 5.6如果想观察试样上的较大视场范围，可将物镜压头转换手柄逆时针转至主体前方，此时 光学系统总放大倍数为100x,处于观察状态。 注：当转换10x和40物镜时聚焦面有微量变化，可调节丝杆，聚焦时建议在40x物镜 下进行

HV—1000 型维式硬度计由试验机主体、工作台、升降丝杠、加载系统、操作面板、高 倍率光学测量系统等部分组成(见图 1 所示)。通过操作面板，能调节测量光源强弱，预置试 验力保持时间。 四、试样制备 试样应选择成分均匀、表面结构细致和平整度好的样品为待测试样。表面粗糙不平或 平整度差的试样，由于压痕会或多或少地发生变形，引起测量误差。 用切割工具切剖试样(试件最大高度 65mm，试件最大宽度 85mm)，擦净测量面待用。 五、测定步骤 5.1 将水平仪放在十字试台上，调节前后水平螺钉，使水泡居中。 5.2 打开电源开关(22)，指示灯（21）及光源灯亮（10）。 5.3 转动物镜、压头转换手柄（16），使 40x 物镜（18）处于主体前方位置。（光学系统总放 大倍率为 400x , 处于测量状态。） 5.4 将试样安放在试台上，转动旋轮（20）使试台上升。眼睛接近测微目镜观察。当试样离 物镜下端 2～3mm 时，在目镜的视场中心出现明亮光斑，说明聚焦面即将来到，此时应缓 慢微量上升，直至在目镜中观察到试样表面的清晰成像，这时聚焦过程完成。 5.5 如果在目镜中观察到的像呈模糊状或一半清晰一半模糊，则说明光源中心偏离系统光路 中心，需调节灯泡的中心位置。如果视场太暗或太亮可通过操作面板（6）上的软键调节光 源强弱。 5.6 如果想观察试样上的较大视场范围，可将物镜压头转换手柄逆时针转至主体前方，此时， 光学系统总放大倍数为 100x，处于观察状态。 注：当转换 10x 和 40x 物镜时聚焦面有微量变化，可调节丝杆，聚焦时建议在 40x 物镜 下进行

5.7将转换手柄逆时针转动，使压头主轴处于主体前方，此时压头顶尖(1)与聚焦好的平 面之间间隙为0.405mm。 当测量不规则的试样时，要小心，防止压头碰及试样，损坏压头。 5.8转动试 力变换手轮，使试验力符合选择要求。旋转试验力变换手轮时，应小心缓慢的 进行，防止过快产生冲击。 5.9根据试验要求在操作面板上键入试验力延时保荷时间，（每键入一次为5秒，“+为加，“ 为减。) 5.I0按下操作面板(6)上“START键，此时加试验力，LOADING指示灯亮 511试验力施加完毕，延时DWE山亮 ,数码管显示逆计数时间到，试验力开始卸除，卸试 验力UNLOADINGD灯亮。在UNLOADING灯未灭前，不准转动物镜压头转换手柄， 否则会造成仪器损坏。 5.12当卸荷试验力指示灯UNLOADING灭，显示屏出现设定的时间方可将转换手柄逆时针 转动，使4x物镜处于主体前方 5.13通过测微目镜可看到一个正四棱形压痕 这时可测对角线长度 旋转测微目镜左鼓轮 使视场内的刻线同时左移，当左刻线刚好对在正四棱形对角线左端点，停止调节左鼓 然后调节右鼓轮使右刻线刚好对在正四棱形对角线右端点，这时可以读出测微目镜鼓荆 格数n。 5.14测量显微镜对压痕长度的计算方法如下： -y I 式中：L一一压痕对角线长度(um 一所测压痕的测微目镜鼓轮格数 -测微目镜鼓轮最小分度值(40时为0.5um) 根据测量长度查表得到显微维氏或努氏硬度值。 例：在9.8N试验力下测量显微维氏压痕平均对角线长度，鼓轮读数为99格： 1=00×05=45 m) 查附表《试验力为0.0098N(1g)的显微维氏硬度值》，从表中查得压痕对角线为49.5um 时显微维氏硬度值为0.7568HV则9.8(1000g)时显微维氏硬度值为： 0.7568×1000=756.8HV 注：压痕会由于样品的表面粗精不平或平整度差异或多或少的发生变形，所以刷量对角 应在两个垂直方向上进行，取其算术平均值 仪器使用完毕，取出被测样品，关闭电源 六、注意事项 《1)个同石压 将持测试样放在试台 ①金刚石压头和压头轴是仪器的精密的零件，因此在操作的整个过程中都要十分小心， 除施压测试时外，其他时间都不要触及压头。 ②压头应随时保持清洁，有油污或灰尘时，可用软布或脱脂棉蘸酒精或乙醚小心擦洗。 ③压头安装时，应将压头上的红点对准正前方，此时压痕对角线和红点成一线。 (2).测微日镜 ①由于各人观察目镜中的刻线存在视差，在更换观测者时，应微量调节焦距，使观 察到的视场内的刻线内侧清晰 ②测微目镜插在目镜管内，测量压痕两对角线时需90°转动目镜，要注意测微目镜应 紧贴在目镜管上，不能使其留有间隙，否则会影响到测量的准确度。 (3),品微镜光源

5.7 将转换手柄逆时针转动，使压头主轴处于主体前方，此时压头顶尖（1）与聚焦好的平 面之间间隙为 0.4~0.5mm。当测量不规则的试样时，要小心，防止压头碰及试样，损坏压头。 5.8 转动试验力变换手轮，使试验力符合选择要求。旋转试验力变换手轮时，应小心缓慢的 进行，防止过快产生冲击。 5.9 根据试验要求在操作面板上键入试验力延时保荷时间，（每键入一次为 5 秒，“+”为加，“-” 为减。） 5.10 按下操作面板（6）上“START”键，此时加试验力，LOADING 指示灯亮。 5.11 试验力施加完毕，延时 DWELL 亮，数码管显示逆计数时间到，试验力开始卸除，卸试 验力 UNLOADINGD 灯亮。在 UNLOADING 灯未灭前，不准转动物镜压头转换手柄， 否则会造成仪器损坏。 5.12 当卸荷试验力指示灯 UNLOADING 灭，显示屏出现设定的时间方可将转换手柄逆时针 转动，使 4x 物镜处于主体前方。 5.13 通过测微目镜可看到一个正四棱形压痕，这时可测对角线长度。旋转测微目镜左鼓轮， 使视场内的刻线同时左移，当左刻线刚好对在正四棱形对角线左端点，停止调节左鼓轮; 然后调节右鼓轮使右刻线刚好对在正四棱形对角线右端点，这时可以读出测微目镜鼓轮 格数 n。 5.14 测量显微镜对压痕长度的计算方法如下： L= n × l 式中：L——压痕对角线长度（um） n——所测压痕的测微目镜鼓轮格数 l——测微目镜鼓轮最小分度值（40x 时为 0.5um） 根据测量长度查表得到显微维氏或努氏硬度值。 例：在 9.8N 试验力下测量显微维氏压痕平均对角线长度，鼓轮读数为 99 格： L=99×0.5=49.5(um) 查附表《试验力为 0.0098N(1gf)的显微维氏硬度值》，从表中查得压痕对角线为 49.5um 时显微维氏硬度值为 0.7568HV 则 9.8（1000gf）时显微维氏硬度值为： 0.7568×1000=756.8HV 注：压痕会由于样品的表面粗糙不平或平整度差异或多或少的发生变形，所以测量对角线 应在两个垂直方向上进行，取其算术平均值。 仪器使用完毕，取出被测样品，关闭电源。 六、注意事项 （1）．金刚石压头 将待测试样放在试台上 ①金刚石压头和压头轴是仪器的精密的零件，因此在操作的整个过程中都要十分小心， 除施压测试时外，其他时间都不要触及压头。 ②压头应随时保持清洁，有油污或灰尘时，可用软布或脱脂棉蘸酒精或乙醚小心擦洗。 ③压头安装时，应将压头上的红点对准正前方，此时压痕对角线和红点成一线。 （2）．测微目镜 ①由于各人观察目镜中的刻线存在着视差，在更换观测者时，应微量调节焦距，使观 察到的视场内的刻线内侧清晰。 ②测微目镜插在目镜管内，测量压痕两对角线时需 90°转动目镜，要注意测微目镜应 紧贴在目镜管上，不能使其留有间隙，否则会影响到测量的准确度。 （3）.显微镜光源

①光源照明灯的中心位置将直接影响压痕的像质。如果像质模糊或光亮不均匀，则需 调节光源中心。微量调节三个螺钉，使灯泡中心位置和光源中心位置一致。 ②光源强弱可通过面板软件调节，使观察视场柔和。 (4)试样 ①试样表面必须清洁。如果表面沾有油脂和污物，则会影响测量准确性。在清洁试样时， 可用酒精或乙醚抹擦。 ②当试样为细丝、薄片或小件时，可分别用细丝夹持台、薄片夹持台和平口夹持台， 再放在十字试台上进行试验。如试件很小无法夹持，则将试件镶嵌抛光后再进行试验。 思考题 材料硬度测试有几种方法？它们的使用对象是什么？

①光源照明灯的中心位置将直接影响压痕的像质。如果像质模糊或光亮不均匀，则需 调节光源中心。微量调节三个螺钉，使灯泡中心位置和光源中心位置一致。 ②光源强弱可通过面板软件调节，使观察视场柔和。 （4）试样 ①试样表面必须清洁。如果表面沾有油脂和污物，则会影响测量准确性。在清洁试样时， 可用酒精或乙醚抹擦。 ②当试样为细丝、薄片或小件时，可分别用细丝夹持台、薄片夹持台和平口夹持台， 再放在十字试台上进行试验。如试件很小无法夹持，则将试件镶嵌抛光后再进行试验。 思考题 材料硬度测试有几种方法？它们的使用对象是什么？