金属材料硬度检测

金属硬度检测方法硬度：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。硬度检测方法：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、维三种试验方法是最常用的，它们是金属硬度检测的主要试验方法。而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。布氏硬度测定法布氏硬度计原理：对直径为D的硬质合金压头施加规定的试验力P，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。P/F即为布氏硬度，用符号HB表示。布氏硬度的测量原理如图所示。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。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。布氏硬度试验条件：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相应规则。压头直径有Φ2.5mm，Φ5mm，Φ10mm三种;载荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种;材料的软硬不同要配合使用。为了在不同直径的压头和不同载荷下进行测试时，同一种材料的布氏硬度值相同。D与P之间要满足相似原理。金属类型布氏硬度范围HB试件厚度mm载荷P与压头直径D的关系钢球直径D.mm载荷P.Kg载荷保持时间，s黑色金属140~1506~34~32P=30D2105.02.53000750187.51014066~33P=10D2105.02.5100025062.510有色金属1306~34~32P=30D2105.02.53000750187.53036~1309~-36~33P=10D2105.02.5100025062.5308~3566~33P=2.5D2105.02.525062.515.630布氏硬度的实验规范布氏硬度的表示方法：用Φ10mm钢球，在3000kg载荷下保持10s，测得的布氏硬度值表示为字母HB加上所测得的硬度值，例如HB400。在其他试验条件下，在HB后面要注明钢球直径、载荷大小及保载时间。例如：130HBW10/1000/30表示用Φ10mm的硬质合金球在9.807kN载荷下保持30s测得的布氏硬度为130。硬度值表示法中一般不写单位。布氏硬度与抗拉强度的关系材料硬度值HB-Rm近似换算关系钢125-175175Rm≈0.343HB×10MN/m2Rm≈0.362HB×10MN/m2铸铝合金Rm≈0.26HB×10MN/m2退火黄铜、青铜Rm≈0.55HB×10MN/m2冷加工后黄铜、青铜Rm≈0.40HB×10MN/m2测量注意事项:1、d的范围应为0.25Dd0.6D，否则测量结果无效；2、由于压痕周围存在变形硬化现象约2-3倍的d，要求相邻两个点的距离≥4d，软材料≥6d；否则测得的值将高于实际值；3、试件厚度不小于压痕深度的10倍；4、压痕离试件边缘的距离应不小于压痕直径;5、安全注意事项。洛氏硬度测定法洛氏硬度的测量原理：用顶角为120°的金刚石圆锥或φ为1.588mm的淬火钢球为压头,在规定载荷（初载荷及主载荷）的作用下压入材料表面,经规定保持时间后,卸除主试验力，根据压痕深度来确定硬度值。图1表示了洛氏硬度的测量原理。图1.洛氏硬度试验原理示意图数字表示含义：0-0：未加载荷，压头未接触试件时的位置。1-1：压头在预载荷P0(98.1N)作用下压入试件深度为h0时的位置。h0包括预载所引起的弹形变形和塑性变形。2-2：加主载荷P1后，压头在总载荷P=P0+P1的作用下压入试件的位置。3-3：去除主载荷P1后仍保留预载荷P0时压头的位置，压入深度为h1。由于P1所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了h，主载荷引起的塑性变形深度为:h=h1-h0h值越大，试件越软，h值越小，试件越硬。为适应数值越大硬度越高的概念，用一常数K减去h表示硬度的高低。并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则：测量值直接在表盘上读出。用金刚石圆锥压头时，常数K为0.2mm，硬度值由黑色表盘表示;用钢球(Φ=1.588mm)压头时，常数K为0.26mm，硬度值由红色表盘表示。为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压头和不同的总载荷配成不同标尺的洛氏硬度。洛氏硬度共有15种标尺供选择，它们分别为：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV；表面洛氏硬度标尺：HR45N、HR30N、HR15N和HR45T、HR30T、HR15T。其中常用的几种标尺见表1。表1各种洛氏硬度值的符号及应用标度符号压头总载荷N(kg)表盘上刻度颜色常用硬度值范围应用举例HRA金刚石圆锥588.6(60)黑色70-85碳化物、硬质合金、表面淬火钢等HRB1.588mm钢球981(100)红色25-100软钢、退火钢、铜合金HRC金刚石圆锥1471.5(150)黑色20-67淬火钢、调质钢等HRD金刚石圆锥981(100)黑色40-77薄钢板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm钢球981(100)红色70-100铸铁、铝、镁合金、轴承合金HRF1.588mm钢球588.6(60)红色40-100薄板软钢、退火铜合金HRG1.588mm钢球1471.5(150)红色31-94磷青铜、铍青铜HRH3.175mm钢球588.6(60)红色铝、锌、铅洛氏硬度测定的优缺点优点:操作简便、迅速，适宜大生产；压痕小，适宜测成品；适用范围广，从极软到极硬、从极薄到极硬的材料都能测定。缺点：不同标尺硬度值之间不能相互比较；对粗大组织的金属不适用。金属洛氏试验执行的现行标准为：《GB/T230.1－2004金属洛氏硬度试验》注意事项：1、试样表面要平滑干净；2、试样或试验层最小厚度不小于金刚石压头h的10倍或钢球压头h的5倍；3、试验后试样背面不得有肉眼可见的变形痕迹。维氏硬度测试法维氏硬度的测量原理：测量原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是用金刚石正四棱锥压头。正四棱锥两对面的夹角为136°，底面为正方形，如图所示。维氏硬度所用的载荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，负载的选择主要取决于试件的厚度。维氏金刚石棱锥压头维氏硬度的测试原理压痕是一个底面为正方形的正四棱锥。用显微镜测定方坑对角线长度d，维氏硬度值HV等于所用载荷与压痕面积的比值。压痕面积F为：F=d2/2sin68ْ硬度表示为：HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2式中：P——载荷；d——对角线长度；F——压痕面积。当载荷P已知时，只要测得压痕对角线长度d，就可以求出维氏硬度值。通常是在测量d值后从《压印对角线与维氏硬度对照表》中查出相应的硬度值。压痕对角线的测量：压痕对角线长度是用附在硬度计上的显微测微器测量的。测量精度可达10-3mm。应测出两条互相垂直的对角线的长度，取平均值。规定两条压痕对角线之差与较短对角线之比不大于2%。若材料各个方向上的硬度不均匀而使比值2%者，需要在硬度值后面注明。维氏硬度表示法：640HV30表示用136°金刚石压头在294.2N试验力作用下保持10～15秒测得的维氏硬度值为640。640HV30/20表示用136°金刚石压头在294.2N试验力作用下保持20秒测得的维氏硬度值为640。对试样的要求：要求试样经过抛光，试样硬度至少是压痕深度的10倍或者不小于压痕对角线的1.5倍，在满足这个条件的情况下尽可能选用较大载荷，可减少测量误差。优缺点及注意事项优点：可测定从极软到极硬各种金属材料的硬度,且不同载荷下的维氏硬度值可以进行比较。维氏硬度值测量精确可靠，在材料科学研究中被广泛应用。缺点：维氏硬度需测量对角线的长度，然后通过计算或查表才能得到硬度值。测量过程繁琐，工作效率低。在测量过程中，采用计算机控制测量过程，采集和处理数据，可能克服上述缺点并大大提高工作效率。注意：维氏硬度两相邻压痕中心之间的距离，对于钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长度的3倍；对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕对角线长度的6倍。如果相邻两压痕大小不同，应以较大压痕确定压痕间距。金属维氏硬度试验执行的现行标准为：《GB/T4340.1－1999金属维氏硬度试验》第1部分：试验方法。显微硬度测试法显微硬度的测量原理：显微硬度的测量原理与维氏硬度一样，也是用压痕单位面积上所承受的载荷来表示的。只是试样需要抛光腐蚀制成金相显微试样，以便测量显微组织中各相的硬度。显微硬度一般用HM表示。显微硬度测试用的压头有两种：一种是和维氏硬度压头一样的两面之间的夹角为136°的金刚石正四棱锥压头;另一种显微硬度压头。这种压头叫克努普(Knoop)金刚石压头。它的压痕长对角线与短对角线的长度之比为7.11。如图所示:维氏金刚石棱锥压头努氏金刚石棱锥压头维氏硬度压头硬度计算公式两面之间的夹角为136°的金刚石正四棱锥压头时,显微硬度的计算公式为：HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2式中：P——载荷(g)；d——压痕对角线长度(μm)。显微硬度值与维氏硬度完全一致，计算公式差别只是测量时用的载荷和压痕对角线的单位不同造成的。压头用克努普(Knoop)金刚石压头时,显微硬度值为：HK=P/A=14229P/L2kg/mm2式中：P——载荷(g)；L——压痕对角线长度(μm)。显微硬度如用kg/mm2为单位时，可以将单位省去，例如HM