金属硬度检测方法

金属硬度检测方法作者：张凤林硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力。硬度检测是评价金属力学性能最迅速、最经济、最简单的一种试验方法。硬度检测的主要目的就是测定材料的适用性，或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种试验方法是应用最广的，它们是金属硬度检测的主要试验方法。这里的洛氏硬度试验又是应用最多的，它被广泛用于产品的检验，据统计，目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计。另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的，不可移动工件的硬度检测。各种金属硬度计就是根据上述试验方法设计的。下面分别介绍基于各种试验方法的硬度计的原理、特点与应用。1.布氏硬度计（GB/T231.1—2002）1.1布氏硬度计原理对直径为D的硬质合金球压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验力除以压痕表面积的商来计算。HB=F/S………………(1-1)=F/πDh………………(1-2)式中：F——试验力，N；S——压痕表面积，mm；D——球压头直径，mm；h——压痕深度，mm；d——压痕直径，mm。1、2布氏硬度计的特点：布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的是10mm直径球压头，3000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响，因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。1.3布氏硬度计的应用布氏硬度计主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。1.4布氏硬度试验条件的选择如同洛氏硬度试验关于标尺的选择一样，布氏硬度试验也要遇到试验条件的选择问题，即试验力F和压头球直径D的选择。这种选择不是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配，应用起来比洛氏硬度试验略显复杂。布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头，3000kg试验力。这一条件最能体现布氏硬度的特点。但是由于试样材质不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试验力，一种压头自然不能满足要求。在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循的规则有2个。1.4.1规则一，要使试验力和球压头直径的平方之比为一个常数。即F/D2=F1/D12=F2/D22=K…………（1－3）这个规则来源于相似律。根据相似律，不同直径的球压头D1、D2在不同的试验力F1、F2作用下压入试样表面，压痕直径d1、d2是不同的，但是只要压入角Ø1、Ø2相同，压痕就具有相似性。这时试验力和压头球直径的平方之比就是一个常数。在这种条件下，采用不同的试验力和不同直径的球压头，在同一试样上测得的硬度值是相同的，在不同的试样上测得的硬度值是可以相互比较的。试验力与压头球直径平方之比在采用公斤力的旧标准中表示为F/D2，在采用牛顿力的新标准中表示为0.102F/D2。1.4.2规则二，试验后要使压痕直径处于以下范围：0.24Dd0.6D…………（1-4）否则试验结果是无效的,应选择合适的试验力重新试验。人们的大量试验表明，当压头直径在0.24D~0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。布氏硬度试验可选择的试验力从3000kg到1kg大约有20个级别。布氏硬度试验可选择的压头直径为Ø10mm、Ø5mm、Ø2.5mm、Ø1mm共4种。布氏硬度试验可选择的0.102F/D2值为30、15、10、5、2.5、1共6种。标准GB/T231.1—2002中规定的试验条件如表1－1所示。表1－1布氏硬度试验条件硬度符号球直径D/mm试验力－压头球直径平方的比率0.102F/D2试验力F/NHBW10/3000HBW10/1500HBW10/1000HBW10/500HBW10/250HBW10/100HBW5/750HBW5/250HBW5/125HBW5/62.5HBW5/25HBW2.5/187.5HBW2.5/62.5HBW2.5/31.25HBW2.5/15.625HBW2.5/6.25HBW1/30HBW1/10HBW1/5101010101010555552.52.52.52.52.51111130151052.51301052.51301052.51301052.512942014710980749032452980.7735524521226612.9245.21839612.9306.5153.261.29294.298.0749.0324.529.807HBW1/2.5HBW1/1标准GB/T231.1—2002中规定试验力和压头直径平方之比（0.102F/D2）应按材料的种类和硬度范围来选择，如表1－2所示表1－2.试验力—压头直径平方之比的选择材料布氏硬度HRW试验力-压头球直径平方的比率0.102F/D2钢、镍合金、钛合金30铸铁1）140≥1401030铜及铜合金35535~2001020030轻金属及合金352.535~8051015801015铅、锡1１）对于铸铁的试验，压头球直径一般为2.5ｍｍ，5ｍｍ和10ｍｍ。标准GB/T231.1—2002中规定，对于钢只有一种选择，就是0.102F/D2=30，对于其他材料，根据其不同的硬度范围，有2~3种0.102F/D2值可供选择。1.4.3布氏硬度试验条件的选择过程：1.4.3.1根据材料种类和硬度范围，按表1－2选择0.102F/D2值，一般较硬的材料选择较高的0.102F/D2值，较软的材料选择较低的0.102F/D2值，钢铁材料只选择0.102F/D2＝30一个值。1.4.3.2根据试样的厚度和大小选择压头直径D和试验力F，对于较厚、较大的试样，应尽量选用Ø10mm的压头和相应的试验力，因为这样最能体现布氏硬度计的特点。对于较薄、较小的试样，应选用较小的压头和较小的试验力。以保证满足布氏硬度试验关于“试样厚度应大于压痕深度的8倍”的要求。1.4.3.3完成上述选择之后应进行初步试验，确定压痕直径是否满足0.24Dd0.6D。如果满足这一要求，就可进行正式测试，并查表得到布氏硬度值。如果不满足这一要求，当压痕直径小于0.24D时，说明压痕过小，应重新选择大一些的试验力。当压痕直径大于0.6D时，说明压痕过大，应重新选择小一些的试验力。1.5布氏硬度与抗拉强度的关系由于布氏硬度试验能够反映出试样较大范围内的综合性能，因此布氏硬度与材料的其他机械性能关系密切，尤其是与抗拉强度存在近似的换算关系：σb=K·HB………………(1-5)式中：σb—抗拉强度值，MN/m2；K—常数，不同材料有不同的数值。通过测试布氏硬度可以间接得到材料的抗拉强度。这一点在生产实际中具有重大意义。可以通过测量硬度的方法得到近似的强度值，这样既可以提高工作效率，又可以节省材料。部分金属材料的换算关系如1－3表所示。材料布氏硬度值近似换算关系钢125~175＞175σb≈0.343HB×10MN/m2σb≈0.363HB×10MN/m2铸铝合金σb≈0.26HB×10MN/m2退火黄铜、青铜σb≈0.55HB×10MN/m2冷加工后的黄铜、青铜σb≈0.40HB×10MN/m22.洛氏硬度计（GB/T230.1—2004）2.1洛氏硬度计原理在规定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度ｈ代表硬度的高低。1—在初始试验力F0下的压入深度；2—在总试验力F0+F1下的压入深度；3—去除主试验力F1后的弹性回复深度；4—残余压入深度h；5—试样表面；6—测量基准面；7—压头位置洛氏硬度值按下式计算：N－常数，对于A、C、D、N、T标尺，N=100；其他标尺，N=130；h－残余压痕深度，mm；S－常数，对于洛氏硬度，S=0.002mm，对于表面洛氏硬度，S=0.001mm。每一洛氏硬度单位对应的压痕深度，洛氏硬度为0.002mm，表面洛氏硬度为0.001mm。压痕越浅，硬度越高。洛氏硬度试验分为2种，一种是普通洛氏硬度试验，一种是表面洛氏硬度试验。洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和Ø1.587mm、Ø3.175mm钢球三种压头，采用60kg、100kg、150kg三种试验力，它们共有九种组合，对应于洛氏硬度的九个标尺，即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。表面洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和Ø1.587mm钢球2种压头，采用15kg、30kg、45kg三种试验力，它们共有六种组合，对应于表面洛氏的六个标尺，即HR15N、HR30N、HR45N、HR15N、HR30T、HR45T。洛氏硬度试验条件如表2－1所示。洛氏硬度标尺的选用如表2－2所示表2－1洛氏硬度试验条件洛氏硬度标尺技术条件洛氏硬度标尺硬度符号压头类型初试验力F0（N）主试验力F1（N）总试验力F0+F1（N）适用范围AHRA120°金刚石圆锥98.07490.3588.420～88HRABHRB1.5875mm钢球98.07882.6980.720～100HRBCHRC120°金刚石圆锥98.071373147120～70HRCDHRD120°金刚石圆锥98.07882.6980.740～77HRDEHRE3.175mm钢球98.07882.6980.770～100HREFHRF1.5875mm钢球98.07490.3588.460～100HRFGHRG1.5875mm钢球98.071373147130～94HRGHHRH3.175mm钢球98.07490.3588.480～100HRHKHRK3.175mm钢球98.071373147140～100HRK表面洛氏硬度标尺技术条件表面洛氏硬度标尺硬度符号压头类型初试验力F0（N）主试验力F1（N）总试验力F0+F1（N）适用范围15NHR15N120°金刚石圆锥29.42117.7147.170～94HR15N30NHR30N264.8294.242～86HR30N45NHR45N411.9441.320～77HR45N15THR15T1.5875mm钢球29.42117.7147.167～93HR15T30THR30T264.8294.229～82HR30T45THR45T411.9441.310～72HR45T取自国家标准GB/T230.1-2004注：力值单位9.8N=1kg表2－2洛氏硬度标尺的选择被测材料压头标尺总试验力（kg）鼓轮读取刻度高硬度或薄硬材料。如硬质合金、硬化薄钢带、渗碳后的淬硬钢。金刚石压头A60C中低硬度材料。如退火后的中