金屬硬度試驗方法

金屬硬度檢測方法
　　硬度是評定金屬材料力學性能最常用的指標之一。硬度的實質是材料抵抗另一較硬材料壓入的能力。硬度檢測是評價金屬力學性能最迅速、最經濟、最簡單的一種試驗方法。硬度檢測的主要目的就是測定材料的適用性，或材料為使用目的所進行的特殊硬化或軟化處理的效果。對于被檢測材料而言，硬度是代表著在一定壓頭和試驗力作用下所反映出的彈性、塑性、強度、韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能。由于通過硬度試驗可以反映金屬材料在不同的化學成分、組織結構和熱處理工藝條件下性能的差異，因此硬度試驗廣泛應用于金屬性能的檢驗、監督熱處理工藝質量和新材料的研制。金屬硬度檢測主要有兩類試驗方法。一類是靜態試驗方法，這類方法試驗力的施加是緩慢而無沖擊的。硬度的測定主要決定于壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小。靜態試驗方法包括布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等。其中布、洛、維三種試驗方法是最長用的，它們是金屬硬度檢測的主要試驗方法。而洛氏硬度試驗又是應用最多的，它被廣泛用于產品的檢驗，據統計，目前應用中的硬度計70%是洛氏硬度計。另一類試驗方法是動態試驗法，這類方法試驗力的施加是動態的和沖擊性的。這里包括肖氏和里氏硬度試驗法。動態試驗法主要用于大型的，不可移動工件的硬度檢測。
　　各種金屬硬度計就是根據上述試驗方法設計的。下面分別介紹基于各種試驗方法的硬度計的原理、特點與應用。
　　1.布氏硬度計（GB/T231.1—2002）
　　1.1布氏硬度計原理
　　對直徑為D的硬質合金壓頭施加規定的試驗力，使壓頭壓入試樣表面，經規定的保持時間后，除去試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度用試驗力除以壓痕表面積的商來計算。
　　
　　圖1布氏硬度試驗原理
　　HB =F / S ……………… (1-1)
　　=F / πDh ……………… (1-2)
　　= ……………… （1-3）
　　式中：F —— 試驗力，N；
　　S —— 壓痕表面積，mm；
　　D —— 球壓頭直徑，mm；
　　h —— 壓痕深度， mm；
　　d —— 壓痕直徑，mm
1.2布氏硬度計的特點：
　　布氏硬度試驗的優點是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直徑球壓頭，3000kg試驗力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內金屬各組成相綜合影響的平均值，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響，因此特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料。它的試驗數據穩定，重現性好，精度高于洛氏，低于維氏。此外布氏硬度值與抗拉強度值之間存在較好的對應關系。
　　布氏硬度試驗的缺點是壓痕較大，成品檢驗有困難，試驗過程比洛氏硬度試驗復雜，測量操作和壓痕測量都比較費時，并且由于壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓滑過渡都會使壓痕直徑的測量產生較大誤差，因此要求操作者具有熟練的試驗技術和豐富經驗，一般要求由專門的實驗員操作。
　　1.3布氏硬度計的應用
　　布氏硬度計主要用于組織不均勻的鍛鋼和鑄鐵的硬度測試，鍛鋼和灰鑄鐵的布氏硬度與拉伸試驗有著較好的對應關系。布氏硬度試驗還可用于有色金屬和軟鋼，采用小直徑球壓頭可以測量小尺寸和較薄材料。布氏硬度計多用于原材料和半成品的檢測，由于壓痕較大，一般不用于成品檢測。
　　1.4布氏硬度試驗條件
　　布氏硬度試驗條件的選擇如同洛氏硬度試驗關于標尺的選擇一樣，布氏硬度試驗也要遇到試驗條件的選擇問題，即試驗力F和壓頭球直徑D的選擇。這種選擇不是任意的，而是要遵循一定的規則，并且要注意試驗力和壓頭球直徑的合理搭配，應用起來比洛氏硬度試驗略顯復雜。布氏硬度試驗最常用的試驗條件是采用10mm直徑的球壓頭，3000kg試驗力。這一條件最能體現布氏硬度的特點。但是由于試樣材質不同，硬度不同，試樣大小，薄厚也不同，一種試驗力，一種壓頭自然不能滿足要求。在試驗力和壓頭球直徑的選擇方面需要遵循的規則有2個。
　　1.4.1規則一，要使試驗力和球壓頭直徑的平方之比為一個常數。即
　　　　　　　　　　…………　　（１－４）
　　
　　圖1-2布氏硬度壓痕相似原理
　　這個規則來源于相似律。根據相似律，在圖1-2中不同直徑的球壓頭D1、D2在不同的試驗力F1、F2作用下壓入試樣表面，壓痕直徑d1、d2是不同的，但是只要壓入角1、2 相同，壓痕就具有相似性。這時試驗力和壓頭球直徑的平方之比就是一個常數。在這種條件下，采用不同的試驗力和不同直徑的球壓頭，在同一試樣上測得的硬度值是相同的，在不同的試樣上測得的硬度值是可以相互比較的。試驗力與壓頭球直徑平方之比在采用公斤力的舊標準中表示為F/D2，在采用牛頓力的新標準中表示為0.102 F/D2。
1.4.2規則二，試驗后要使壓痕直徑處于以下范圍：
　　0.24D < d < 0.6D　　　　　　　…………　　　（１－５）
　　否則試驗結果是無效的,應選擇合適的試驗力重新試驗。人們的大量試驗表明，當壓頭直徑在0.24D～0.6D之間時，測得的硬度值與試驗力大小無關。布氏硬度試驗可選擇的試驗力從3000kg到1kg大約有20個級別。布氏硬度試驗可選擇的壓頭直徑為10mm、5mm、2.5mm、1mm共4種。布氏硬度試驗可選擇的0.102F/D2值為30、15、10、5、2.5、1共6種。
　　標準GB/T231.1—2002中規定的試驗條件如表1-1所示。
　　表1-1布氏硬度試驗條件
　
硬度符號 球直徑D/mm 試驗力－壓頭球直徑平方的比率0.102F/D2 試驗力F/N
HBW10/3000
HBW10/1500
HBW10/1000
HBW10/500
HBW10/250
HBW10/100
HBW5/750
HBW5/250
HBW5/125
HBW5/62.5
HBW5/25
HBW2.5/187.5
HBW2.5/62.5
HBW2.5/31.25
HBW2.5/15.625
HBW2.5/6.25
HBW1/30
HBW1/10
HBW1/5
HBW1/2.5
HBW1/1
10
10
10
10
10
10
5
5
5
5
5
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
1
1
1
1
1
30
15
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1
29420
14710
9807
4903
2452
980.7
7355
2452
1226
612.9
245.2
1839
612.9
306.5
153.2
61.29
294.2
98.07
49.03
24.52
9.807
　　標準GB/T231.1—2002中規定試驗力和壓頭直徑平方之比（0.102F/D2）應按材料的種類和硬度范圍來選擇，如表1-2所示
　　表1-2試驗力—壓頭直徑平方之比的選擇
材料 布氏硬度HRW 試驗力-壓頭球直徑平方的比率0.102F/D2
鋼、鎳合金、鈦合金 30
鑄鐵 <140
≥140 10
30
銅及銅合金 <35
35～200
>200 5
10
30
輕金屬及合金 35～80

>80 5
10
15
10
15
鉛、錫 1
　　1)對于鑄鐵的試驗，壓頭球直徑一般為2.5mm，5mm和10mm
　　標準GB/T231.1—2002中規定，對于鋼只有一種選擇，就是0.102F/D2=30，對于其他材料，根據其不同的硬度范圍，有2～3種0.102F/D2值可供選擇。
　　1.4.3布氏硬度試驗條件的選擇過程：
　　1.4.3.1根據材料種類和硬度范圍，按表1－2選擇0.102F/D2值，一般較硬的材料選擇較高的0.102F/D2值，較軟的材料選擇較低的0.102F/D2值，鋼鐵材料只選擇0.102F/D2＝30一個值。
　　1.4.3.2根據試樣的厚度和大小選擇壓頭直徑D和試驗力F，對于較厚、較大的試樣，應盡量選用10mm的壓頭和相應的試驗力，因為這樣最能體現布氏硬度計的特點。對于較薄、較小的試樣，應選用較小的壓頭和較小的試驗力。以保證滿足布氏硬度試驗關于“試樣厚度應大于壓痕深度的8倍”的要求。
　　1.4.3.3完成上述選擇之后應進行初步試驗，確定壓痕直徑是否滿足0.24D < d < 0.6D。如果滿足這一要求，就可進行正式測試，并查表得到布氏硬度值。如果不滿足這一要求，當壓痕直徑小于0.24D時，說明壓痕過小，應重新選擇大一些的試驗力。當壓痕直徑大于0.6D時，說明壓痕過大，應重新選擇小一些的試驗力。
　　1.5布氏硬度與抗拉強度的關系
　　由于布氏硬度試驗能夠反映出試樣較大范圍內的綜合性能，因此布氏硬度與材料的其他機械性能關系密切，尤其是與抗拉強度存在近似的換算關系：
　　σb=K·HB ……………… (1-6)
　　式中：σb—抗拉強度值，MN/m2；
　　K—常數，不同材料有不同的數值。
　　通過測試布氏硬度可以間接得到材料的抗拉強度。這一點在生產實際中具有重大意義。可以通過測量硬度的方法得到近似的強度值，這樣既可以提高工作效率，又可以節省材料。
　　部分金屬材料的換算關系如1-3表所示。
材料 布氏硬度值 近似換算關系
鋼 125～175
＞175 σb≈0.343HB×10MN/m2
σb≈0.363HB×10MN/m2
鑄鋁合金 σb≈0.26HB×10MN/m2
退火黃銅、青銅 σb≈0.55HB×10MN/m2
冷加工后的黃銅、青銅 σb≈0.40HB×10MN/m2
　　

作者：張鳳林
時間：2006.9.10
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