材料顯微硬度的測定無機非金屬材料實驗—力學性能實驗硬度是材料微觀結構的宏觀表現。在材料研究中，硬度數據的使用頻率非常高，硬度測試的目的，并不一定是用來表征所研究材料的使用性能，而是通過硬度試驗獲得材料微觀結構的有關信息。材料抵抗機械作用的能力是材料最重要的性質之一。不論是金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料或復合材料，當它們用作機械部件、結構材料等用途時，一般都要測定其力學性能。材料力學性能試驗的內容較多，包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切、沖擊、疲勞、摩擦、硬度等。實驗四十材料顯微硬度的測定一．目的意義

在材料研究中，硬度數據的使用頻率非常高，硬度測試的目的，并不一定是用來表征所研究材料的使用性能，而是通過硬度試驗獲得材料微觀結構的有關信息。通過本試驗要達到以下目的：

1.了解無機非金屬材料顯微硬度測試的意義。

2.了解影響無機非金屬材料顯微硬度的因素。

3.學習顯微硬度測試的原理與方法。1.努氏金剛石壓頭是一個對面角分別為172030ˊ和1300,頂端橫刃不大于1μm的菱形四面錐體(見圖40—1所示)，在規定的荷重下（一般為0.1kgf=0.981N），在壓頭接觸試樣前開始，以0.20±0.05mm/min的低速壓人試樣表面，并使壓頭與試樣保持接觸20～50秒鐘，卸載后，測量壓痕的長對角線長。努氏硬度（KHN）值是所施加的負荷P與永久壓痕的投影面積S之比。即：KHN=P/S=P/CL2=p/9.81CL2(40—1)式中：P──所施加的負荷（kgf）；p──所施加的負荷（N）；S──永久壓痕的面積（mm2）；

L──壓痕長對角線的長度（mm）

C──1/2（ctgA/2×tgB/2）=0.07028A──縱向菱邊夾角（172030′±5′）

B──橫向菱邊夾角（1300±30′）由于努氏壓頭具有的特異形狀，壓痕為一長短對角線近似為1：7的菱形。根據壓頭的幾何形狀可知，使用較輕的負荷就能壓印出一個能清晰測量的菱形壓痕。因此，不管是硬質材料還是易碎材料的硬度試驗，均可采用努氏壓頭。努氏壓頭測試材料硬度的壓痕深度約為其長對角線長度的1/30。圖40—1努氏壓頭的幾何尺寸2.維氏金剛石壓頭是將壓頭磨成正四棱錐體，其相對兩面夾角為1360。維氏顯微硬度值是所施加的負荷（kgf）除以壓痕的表面積（mm2）。采用維氏金剛石壓頭時，其壓痕深度約為對角線長度的1/7。維氏硬度的計算公式如下：（40—2）

式中：

──壓痕對角線長的平均值（mm）

θ──金剛石壓頭相對面的夾角（1360

）三．實驗器材

HVS—1000型數顯顯微硬度計由試驗機主體、工作臺、升降絲杠、加載系統、軟鍵顯示操作面板、高倍率光學測量系統等部分組成（見圖40-2所示）。通過軟鍵輸入，能調節測量光源強弱，預置試驗力保持時間，維氏和努氏試驗方法切換。在軟鍵面板上的LCD顯示屏上，能顯示試驗方法、測試力、壓痕長度、硬度值、試驗力保持時間、測量次數等，并能鍵入測試時間。試驗結果由打印機輸出。1.壓頭2.壓頭螺釘3.后蓋4.電源插頭5.主體6.顯示操作面板7.升降絲桿

8.10×物鏡9.定位彈簧10.測量照明燈座11.數字式測微目鏡12.上蓋13.照相接口蓋14.試驗力變換手輪15.照相、測量轉換拉桿16.物鏡、壓頭轉換手輪17.轉盤18.40×物鏡19.十字試臺20.旋輪21.電源指示燈22.電源開關23.水平調節螺釘24.面板式打印機四．試樣制備

HVS—1000型數顯顯微硬度計可測定微小、薄形試件、表面滲鍍層試件的顯微硬度和玻璃、陶瓷、瑪瑙、寶石等脆性材料的顯微硬度。應選擇成分均勻、表面結構細致和平整度好的樣品為待測試樣。表面粗糙不平或平整度差的試樣，由于壓痕會或多或少地發生變形，引起測量誤差。用切割工具切割試樣（試件最大高度65mm,試件最大寬度85mm），擦凈測量面待用。五．測定步驟

㈠儀器使用前的準備

轉動試驗力變換手輪，選擇符合要求的試驗力。旋轉變換手輪時，應動作緩慢，防止動作過快產生沖擊。打開電源開關（22），LCD屏上顯示試驗力變換手輪所選擇的試驗力，同時屏上顯示“94年8月8日”初始化日期。3.光標位于“94年”下，按下“TIME+”或“TIME-”鍵選擇年份。按下“SPECI”鍵，光標移至“8月”下，按動“TIME+”或“TIME-”鍵選擇月份。同理，按上述步驟選擇日期。完成以上操作，當打印機輸出測試結果時，即打出所鍵入的日期。如不需要打印日期，可連按三次“SPECI”鍵。日期鍵入后，屏上顯示D1、D2、HV、N，儀器進入工作狀態。轉動物鏡（18）、壓頭轉換手柄（16），使40×物鏡處于主體前方。（光學系統總放大倍率為400×）。將標準硬度試塊（或被測試塊）安放在試樣臺上，轉動旋輪（20）使試樣臺上升，眼睛接近測微目鏡觀察。當標準試塊或試樣離物鏡下端2～3mm時，目鏡的視場中央出現明亮的光斑，說明聚焦面即將來到，此時應緩慢微量上升，直至在目鏡中觀察到試塊（樣）表面的清晰成像。此時聚焦過程完成。4.

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7.如果目鏡中的成像呈模糊狀或一半清晰一半模糊，則說明光源偏離系統光路中心，需調節燈泡的位置。視場亮度可通過操作面板上的軟鍵來調節。8.如果想在目鏡中獲得較大的視場，可將物鏡、壓頭轉換手柄逆時針轉至主體前方，將光學系統的放大倍率調為100×。轉換10×和40×物鏡時，聚焦面發生變化，可調節升降絲杠。聚焦時建議在40×物鏡下進行。9.將轉換手柄逆時針轉動，使壓頭主軸處于主體前方，此時壓頭頂尖（1）與焦平面間的間隙約0.4～0.5mm。當測量不規則的試樣時，一定要注意不要使壓頭碰及試樣，以免造成壓頭損壞。根據試驗要求鍵入需要的試驗力延時保荷時間。每鍵一次為5秒，“+”為加，“-”為減。按下”START”鍵，此時加試驗力，（LOADING）LED指示燈亮。試驗力施加完畢，延時（DWELL）LED亮，LCT屏上T按所選定時間倒計時，延時時間到，試驗力卸除，卸力指示（UNLOADING）LED亮。在LED未滅前，不得轉動壓頭測量轉換手柄，否則會影響壓痕測量精度，甚至損壞儀器。將轉換手柄順時針轉動，使40×物鏡處于主體前方，這時可在目鏡中測量壓痕對角線長度。在測量前，先將測微鏡右邊的鼓輪順時針旋轉，使目鏡內的兩刻線邊緣相近移動。當兩刻線邊緣相近時，透光縫隙逐漸減少，當兩刻線間處于無光隙的臨界狀態時，按下“CL”鍵清零。10.

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13.

16.如對本次測量結果不滿意。可重復進行測量或按“SPECI”、“RESET”復位鍵重新進行試驗。17.LCD屏顯示測量次數N＞1時，可按“SPECI”、“PRI”輸出測試結果。第一次結果（N=0）不予打印。18當目鏡中觀察到的壓痕太小或太大影響測量時，需轉動試驗力變換手輪，使試驗力符合要求，這時應按下“SPECI”和“RESET”鍵，LCD屏顯示所選試驗力。㈡試樣的測定上述測量正常后，將標準試件取下，將待測試樣放在試臺上，按上述方法進行測定。五.注意事項

1.金剛石壓頭

1）金剛石壓頭⑴和壓頭軸是儀器的精密的零件，因此在操作的整個過程中都要十分小心，除施壓測試時外，其它時間都不要觸及壓頭。

2）壓頭應隨時保持清潔，有油污或灰塵時，可用軟布或脫脂棉蘸酒精或乙醚小心擦洗。3）壓頭安裝時，應將壓頭上的紅點對準正前方，此時壓痕對角線和紅點成一線。

2）光線強弱可通過面板軟鍵LIGHT+或LIGHT-來調節使視場光線柔和，反差適中。4.試樣

1）試樣表面必須請潔。如表面沾有油污，可用汽油、酒精或乙醚等擦拭。

2）當試樣為細絲、薄片或小件時，可分別使用相應的夾持臺夾持后，在放在十字試臺上進行試驗。如試樣小到無法夾持，則可將試樣鑲嵌拋光后再進行試驗5.顯微攝影儀

1）本儀器配有顯微攝影儀，當需要攝影時，卸下照相接口蓋（13）螺釘，取下蓋板，將照相機接口旋入目鏡座螺紋內。

2）取下照相機標準鏡頭，將照相機接口對準照相機鏡頭孔內，使卡簧卡位。3）再測微目鏡中觀察試樣表面，當成像清晰后，將主體左邊上的照相測量轉換拉桿（15）拉出，此時光路轉換到拍攝狀態。

4）在攝影儀的目鏡中觀察試樣表面，如不太清晰，可微調視度調節圈或升降絲杠（7），視成像清晰。按動快門，拍攝成像表面。6.環境要求本儀器應安裝在遠離灰塵、震動、腐蝕性氣體的環境中，室溫不應超過20℃±5℃，相對濕度不大于65%的環境中。當光線零件沾有灰塵時，可用電吹風吹去或用軟毛筆小心拭去。若沾上污穢時可用脫脂棉或鏡頭紙蘸少許酒精輕輕擦拭，但應光學零件的粘合劑脫膠。孫淑珍、張洪泉，陶瓷工藝實驗，武漢工業大學，1995年，79～82。祝桂洪編著，陶瓷工藝實驗，中國建筑工業出版社，1987年6月(第一版)，121～125。廖目嶽、金文博譯［美］