金属硬度检测的试验方法

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1、.摘要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

2、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。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。关键词：硬度；物理量；试验方法；力学性能Abstract第1章 引言41.1金属材料硬度的定义41.2硬度试验的作用和特点41.3常用硬度试验方法的分类5第二章金属材料硬度的检测方法72.1 洛氏硬度检测方法72.1.1原理72.1.2符

3、号和计算公式72.1.3检测过程及其示意图82.1.4洛氏硬度标尺及技术参数82.1.5标尺的应用原则112.1.6应用范围及其特点112.1.7检测及注意事项122.2布氏硬度检测方法162.2.1原理162.2.2计算公式162.2.3相似原理及其应用172.2.4 K值于K常数的选用182.2.5应用范围及其优缺点192.2.6检测方法和技术条件192.3维氏硬度检测方法222.3.1原理222.3.2范围、符号和说明222.3.3 计算公式232.3.4相似原理242.3.5应用及其特点242.3.6检测方法和注意事项252.3.7试样最小厚度于检测力间关系26第三章 方法选用和硬度要

4、求283.1硬度检测方法的选用28第四章 金属硬度检测技术现状及其展望324.1硬度计发展现状324.2现代硬度计量测试的发展趋势334.3现代硬度计的展望33附录A部分发达国家有关硬度试验方法标准号不是全部35第1章 引言1.1金属材料硬度的定义硬度是金属材料力学性能中最常见的一个性能指标。硬度检测又是最迅速最经济的一种试验方法。但是对于金属材料的硬度,至今国内外还没有一个包括所有试验方法在内的统一而明确的定义。一般来说,金属的硬度常被人认为是：材料堆压入塑性变形、划痕、磨损或切削等的抗力。对压入法来讲,也被认为是：材料在一定条件下抵抗另一本身不发生残余变形物体压入的能力。之所以存在上述两种

5、说法,是因为硬度本身不是一个简单物理常数。它是一个不仅决定于所研究材料本身的宏观与微观条件如宏观的变形程度,冷热加工条件,微观的金属晶体点阵类型、晶格常数和原子间的结合力等,而且也决定于测试的特征和条件量。可以这样说对于被检测的材料而言,硬度是代表这在一定的压头合力的作用下所反映出的弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一些列不同物理量的综合性能指标。而实质上在这一比较中,还包括了两种材料的不同弹性、塑性变形能力和形变强化率等因素在内。因此,用更准确的定义去更科学的反映出硬度的客观实质,还有待于人们从试验中和对金属宏观和微观结构的深入研究中去获得。尽管如此,在不同试验方法的基础

6、上,正确运用试验原理和试验条件,得出的试验结果对于各行各业正确使用金属材料,监视工艺的正确性,判定产品品质以及在科学实验中均有重大的实际意义。1.2硬度试验的作用和特点在研究金属焊接结构时,可利用硬度试验法确定焊缝产生淬硬倾向以及热影响区范围。利用表面洛氏和轻负荷维氏硬度等试验法可测定表面热处理强化效果及硬度提督,表面强化层或渗层的深度。显微硬度试验法是金相分析方法的补充,除开用作测量显微组织中粗的硬度外,还有广泛的其他用途。又如,材料在高温或低温下使用,可以通过高温或低温硬度的测定来判断其适用性。总之,硬度试验方法的应用是非常广泛的。硬度试验方法的特点是经检测后的制件不被损坏,留在制件表面上

7、的痕迹很小,在大多数情况下对制件适用无影响,可视为无损检验。对于重要的产品可以逐个进行检查,如一些热处理后的模具、工具、工艺文件上都仅要求作硬度检测。硬度检测设备简单,易于掌握。不仅可以在固定的仪器上进行,而且还有便携式的小型硬度计,在生产线或特大件上进行检测。硬度检测有很高的工作效率,如洛氏硬度测定在同类的零件上一小时可测得120个以上数据。自动洛氏测定,每小时可达1000次。在我国机械制造工业中,硬度检测法常用于最终热处理效应检查。实际上,硬度检测法在工艺管理和生产过程中进行质量控制也是非常重要的一种手段,如对未经热处理的一些制件,为避免混料、错料,应进行硬度检测。在加工过程中,为避免切削

8、或磨削加工量过大而硬起退火造成性能改变,亦应用硬度检测加以监管。因此科学地应用硬度检测方法,很值得重视。由于金属硬度与强度之间有一定的对应关系,使硬度检测具有更广泛的实用意义。1.3常用硬度试验方法的分类自1722年雷奥姆尔Reaumvr首先应用了矿物对金属进行刻划的初始硬度试验以来,人们提出过几百种测量金属硬度的方法。除开常用的布氏、洛氏、维氏等外,还有钻孔法、磨料法以及摇摆硬度试验法等。通过在工业生产、科学实验中的应用与考验,有些方法逐渐被淘汰,有些则应用较少,而有些方法因为使用方便、测试准确而得到了广泛的应用。常用金属硬度试验方法一般有如下分类：1.按试验力施加速度分类 静力试验法 施加

9、试验力时缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于被测试样表面压痕的状况,即压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。这包括所有的静力压入法,如常用的布氏、洛氏、维氏、努普硬度试验法等。 动力试验法 施加试验力特点是动态和具有冲击力,包括肖氏、里氏、锤氏和弹簧加力试验法等。2.按试验力的大小分类 宏观硬度试验法。试验力49.03N； 小负荷硬度试验方法。试验力1.961N49.03N； 显微硬度试验法。试验力0.0098N1.96N； 超显微硬度试验法。试验力0.0098N ； 纳米级硬度试验法。试验力50Nn。3.按试验温度分类 常温硬度试验法。在室温下进行； 低温硬度试验法。在0以下某一特定

10、温度下进行；(3) 高温硬度试验法。在室温以上某一特定温度下进行。4.按试验原理分类可分为布氏、洛氏、维氏、肖氏、里氏、奴仆、韦氏、巴氏和划痕、锉刀以及其他物理监测方法,如超声波、磁矫顽力、磁导率等。第二章 金属材料硬度的检测方法2.1 洛氏硬度检测方法洛氏硬度检测法最初是由美国人洛克威尔S.P.RocKwell和H.M.RocKwell在1914年提出的。以后他们在1919年和1921年两次对硬度计的设计进行了改进,奠定了现代洛氏硬度及的锥形。到1930年威尔逊C.H.Wilson进行了更新设计,使洛氏硬度检测方法和设备更趋完善,一直沿用至今。现在我国已生产用数码管显示并自动打印的洛氏硬度计

11、。洛氏硬度检测方法的特点是操作简单,测量迅速,并可从百分表或光学投影屏或显示屏上直接读书。同布氏和维氏硬度检测法一样,成为三种最常用的硬度检测法之一。原理洛氏硬度检测法采用120金刚石圆锥或淬火钢球规定直径的作为压头,在初始检测力F0作用下,再加上主检测力F1,在总检测力F作用下,将压头压入试样表面。之后卸除主检测力,在保留初始检测力F0 测量压痕深度残余增量e,100或130减去e值e值以0.002mm为单位即洛氏硬度值。符号和计算公式洛氏硬度检测及计算公式所用符号及其含义见表2-1-1。表2-1-1 洛氏硬度符号及其说明符号说明符号说明RDF0F1Fh0h1e金刚石圆锥角120金刚石圆锥体

12、顶部曲率半径/mm钢球直径/mm初始试验力/N主试验力/N总试验力/N施加主试验力在初始试验力下的压痕深度/mm在主试验力下的压痕深度增量/mm取出主试验力后,在初始试验力下的残余压痕深度增量,用0.002mm为单位表示HRAHRCHRDHRBHREHRFHRGHRHHRKA标尺洛氏硬度=100-eC标尺洛氏硬度=100-eD标尺洛氏硬度=100-eB标尺洛氏硬度=130-eE标尺洛氏硬度=130-eF标尺洛氏硬度=130-eG标尺洛氏硬度=130-eH标尺洛氏硬度=130-eK标尺洛氏硬度=130-e计算公式：根据洛氏硬度读书如下：用金刚石压头A.C.D标尺为100-e；用钢球压头B.E.F

13、.G.H.K标尺为130-e,即HR=K-e。由HR=K-e公式看出,压痕深度的残余增量e越大,则洛氏硬度值越低；e越小,硬度值越高。式中K为定义常数,用钢球压头为130；用金刚石压头为100。所谓标尺,是用不同压头和总检测力的组合加以区分。例如用金刚石圆锥压头,总检测力为1471N150kgf时,是HRC；如用1.587mm钢球作压头,总检测力为980.7N100kgf时,是B标尺HRB。e是去除检测力后,在初始检测力F0的残余压痕深度增量。用金刚石压头,1.471N总检测力条件下,在卸除主检测力后,如e为0.08mm,因为每一洛氏硬度单位为0.002mm,则HRC=100-40=60。由此

14、可看出此值五量纲为一有条件的无名数。K值为什么定义为100和130？当压头为金刚石圆锥体时,因为HRCA规定用于测量较硬的蔡老,如淬火后的钢及硬质合金等,一般不会出现压入深的为0.2mm而使硬度值为零的情况。当压头为钢球时,多用于测量中等及较低的材料,硬度值跨越较大,为了避免出现负值,将用钢球的洛氏标尺K值均定为130。检测过程及其示意图洛氏硬度检测过程示意图2-1-1图2-1-4。图2-1-1 洛氏硬度检测过程示意图图2-1-2 洛氏硬度检测原理a金刚石圆锥 b钢球图2-1-3 用金刚石圆锥压头试验示意图HRA、HRC、HRD图2-1-4 用钢球压头试验示意图HRB、HRE、HRF、HRG、

15、HRH、HRK 图2-1-1图2-1-4中一位,表示试样台上升,试样表面接触压头后,开始加上初始检测力F0,杠杆向上,百分表大指针顺时针方向旋转二圈或三圈至零点,小指针同步指红点为止在光学洛氏硬度计投影屏上刻度向上移动,用金刚石锥,刻线指到100；用钢球相当于130。在初始检测力F0作用下,压头压入试样深度为h0反映硬度的压入深度是从h0这一位置开始计算的。2位表示加上主检测力F1后,杠杆向下,压头进一步压入试样,此时压入的深度决定于试样的硬软。百分表上指针反时针旋转到某一位置为止光学洛氏硬度计投影屏上可读向下移动到某一位置。在主检测力F1作用下压头压入深度为h1。3位表示卸除主检测力F1后,

16、保留初始检测力F0时,压头由于试样材料的弹性变形,试样向上推起压头,推起的高度决定该材料的弹性回复大小。当杠杆向上,百分表指针顺时针旋转到某一刻度止在光学投影屏上刻度向上移动少许,此时可直接从百分表或光学投影屏上读出硬度数值。图2-1-1图2-1-4中e为被试材料的实际压入深度。卸掉初始检测力F0,压头离开样品表面,百分表指针回零,光学洛氏硬度计投影屏上刻度向下移动至起始位置。洛氏硬度标尺及技术参数已被代替的GB230-83金属洛氏硬度试验方法标准中只有HRA、HRB、HRC三个标尺。现行GB/T230-91金属洛氏硬度试验方法标准将原来三个洛氏标尺扩展为9个标尺。见表2-1-2。表2-1-2

17、 洛氏硬度标尺及技术参数洛氏硬度标尺硬度符号压头类型初始检测力F0/N主检测力F1/N总检测力F/N洛氏硬度范围ABCDEFGHKHRAHRBHRCHRDHREHRFHRGHRHHRK120金刚石圆锥1.5875mm钢球120金刚石圆锥120金刚石圆锥3.175mm钢球1.5875mm钢球1.5875mm钢球3.175mm钢球3.175mm钢球98.0798.0798.0798.0798.0798.0798.0798.0798.07490.3N882.6N1373N882.6N882.6N490.3N1373N490.3N1373N588.4N980.7N1471N980.7N980.7N58

18、8.4N1471N588.4N1471N2088HRA20100HRB2070HRC4077HRD70100HRE60100HRF3094HRG80100HRH40100HRK标尺的应用原则 HRA适用于测定坚硬或薄硬材料硬度,如硬质合金、渗碳后淬硬钢、经硬化处理后的薄钢带、薄钢板等。因为对于HRC67的材料如仍用1471N检测力易于损坏金刚石压头。宜用检测力较小,压入深度较浅的HRA标尺。 HRB适宜用于测定中等硬度的材料,如经退火后的中碳和低碳钢、可锻铸铁、各种黄铜和大多数青铜以及精固溶处理时效后的各种硬铝合金等。适用范围是HRB20-100。当试样硬度小于20HRB时,因为这些金属的蠕变

19、行为,试样在检测力作用下变形将持续很长时间,表上的指针或光学投影刻度过浅,灵敏度降低,影响测量精度。HRC最适用于测定径淬火极低温回火后的碳素钢、合金钢以及工、模具钢,也适用于测定冷硬铸铁、珠光体可锻铸铁、钛合金等。一般HRB100的材料可用C标尺测定,当HRC20时,由于金刚石压头压入过深,压头圆锥的影响增大,产生下滑现象,影响测量准确性,宜换用HRB标尺测定。HRD是介于HRA和HRC之间的一种标尺,适用于压入深度介于A和C标尺之间的各种材料,如表面热处理强化后的钢试样、珠光体可锻铸铁等。HRE适用于测定一般铸铁、铝合金、镁合金、轴承合金及其他类似软金属。HRF适用于韧化黄铜、紫铜、一般铝

20、合金等。HRG适用相当于HRB近于100的材料。因为这时可比HRB检测近于100时的灵敏度为高。HRH适用于铝、锌、铅等软金属合金,因为H标尺适用压头直径大；检测力又小,且可迅速直接读数。HRK适用于轴承合金和其他软金属材料。以上除洛氏A、B、C三个标尺外,其余洛氏D、E、F等6个标尺都是在修订后的标准中增添的。因为在ISO标准中,这些标尺早已有应用,我国加入WTO以后,国际贸易、技术交流将会更加频繁,为参照对比国际上各种硬度要求,这些标尺的应用是很重要的。应用范围及其特点洛氏硬度检测操作简便、迅速,工作效率高。由于其使用检测力小,所产生的压痕比布氏硬度检测的压痕小,因而对制件表面没有明显损伤

21、。由于适用金刚石压头和两种直径钢球作为压头,有三种检测力,共计有9个标尺见表2-2,可以测量从教软到较硬材料的硬度,使用范围宽广。再者有预见册立所以试件表面轻微的不平度对硬度值的影响比布氏、维氏为小。因此,适用于成批生产大量检测的机械、冶金热加工过程中以及半成品或成品检验。特别适用于刃具、模具、工具等成品制件检测。检测及注意事项a) 检测前的准备1用于进行硬度检测的硬度积极压头应符合GB2848洛氏硬度计技术条件要求。2试验一般在1035室温下进行。对精度要求较高时,室温应控制在235。3选择标尺时,根据试样的材质以及其热处理状态,参考42页,5节标尺的应用原则,选用压头及检测力。4如压头是取

22、下的,应首先安装好压头。如为侧面螺钉固紧压头,正确的装置方法是：把压头尾部插入主轴孔内,轻扭螺钉帽但不要上紧,用一试样加上初检测力,然后加主检测力,在受力情况下它的台阶面与主轴下端面靠紧,使无倾斜或间隙,然后再拧紧紧固螺钉。5选择好合适的试验台,试验台支承面应洁净,试样应能稳固的放置于试验台上,以保证在检测过程中不产生位移和变形。6检则前,应适用于试样硬度值相近的标准洛氏硬度块对硬度计进行校验,在符合允许误差范围内进行检测。b) 试样1式样在制备过程中,应尽量避免由于受热,冷加工等对试样表面硬度造成影响。2试样的厚度不小于e的十倍。试验后,试验背面不得有肉眼可见变形痕迹。试样最小厚度与洛氏硬度

23、值得关系见图2-1-5和图2-1-6。图2-1-5 试样最小厚度与洛氏硬度值3试样的试验面应尽可能是平面,不应有氧化皮及其污物、裂缝。表面粗糙度Ra一般不大于0.80m.c试验中注意事项1在任何情况下,不允许压头与试台及支柱、试样触碰。试样支承面、支座和试台工作面上均不得有压痕。图2-1-6 试样最小厚度和洛氏硬度值关系图2检测时,必须保证检测力方向与试样的检测面垂直。3在检测过程中,有关装置不应受到冲击和振动。4施加初检测力时,指针或指示线不得超过硬度计规定范围允差,否则应卸除检测力,在试样上另一位置检测。5调整示值指示器至零点后,应在28s内施加全部主检测力。6应均匀平稳地施加检测力,不得

24、有冲击与振动。7施加主检测力后,总检测力的保持时间应以示值指示器指示基本不变为准。总检测力保持时间推荐如下：对于施加主检测力后不随时间继续变形的试样,保持时间为13s。 对于施加主检测力后随时间缓慢变形的试样,保持时间为68s。 对于施加主检测力后随时间明显变形的试样,保持时间为2025s。 8达到要求的时间后,在2s内平稳地卸除主检测力,保持初始检测力,从相应的标尺刻度上读出硬度值。9两相邻压痕中心间距离至少应为压痕直径的4倍,但不得小于2mm。任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍,但不得小于2mm。10在每个试样上的检测点数应不少于四点第一点不记。对大批量试样的检测点数可适

25、当减少。d检测结果处理1检测报告中给出的洛氏硬度值应精确至0.5个洛氏硬度单位。2对于圆柱面和球面上测得的洛氏硬度值,应按表2-1-3表2-1-5进行修正。表中修正值均为正值。表2-1-3 用金刚石圆锥压头检测凸圆柱面修正值HRA、HRC、HRD洛氏硬度值曲面半径/mm356.589.51112.516192025303540455055606570758085903.02.52.01.51.51.01.00.50.50.53.02.52.02.01.51.01.01.00.50.50.503.02.52.02.01.51.51.01.01.00.50.50.50.502.52.52.01.5

26、1.51.01.01.00.50.50.50.50.5002.02.01.51.51.01.01.00.50.50.50.50.50.5001.51.51.51.01.01.00.50.50.50.50.50.50001.51.01.01.01.00.50.50.50.50.50.500001.01.01.00.50.50.50.50.500000001.01.00.50.50.50.50.500000000表2-1-4 用1.5875mm钢球压头检测凸圆柱面修正值HRB、HRF、HRG洛氏硬度值曲面半径/mm356.589.51112.520304050607080901005.04.03.

27、55.04.03.53.02.55.04.54.03.53.02.52.01.54.54.54.03.03.02.52.01.51.54.03.53.03.02.52.01.51.51.03.53.02.52.52.02.01.51.51.03.02.52.52.02.01.51.51.00.5表2-1-5 凸圆球面洛氏硬度修正值HRC洛氏硬度值球体直径/mm46.589.51112.55202555HRC60HRC65HRC6.45.85.23.93.63.23.22.92.22.72.42.22.32.11.92.01.81.71.71.51.41.31.21.01.00.90.8e结果的

28、书写洛氏硬度用符号HR表示,HR前为硬度数值,HR后面为使用的标尺。例如：50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50；80HRB表示用B标尺测定的洛氏硬度值为80。2.2布氏硬度检测方法布氏硬度检测方法最初是在1899-1900年间由瑞典工程师布利奈尔的研究热处理对轧钢组织影响时提出来的.这种方法使用最早,由于其压印痕较大,因而硬度值受试样组织显微偏析及成分布均匀的影响轻微,检测结果分散度小,复现性好,能比较客观的反映出材料的客观硬度。这正是布氏检测方法成为最广泛和常用的硬度检测方法之一的原因。原理在规定的检测力F作用下,将一定直径的钢球或硬质合金球压入试样表面,保持一定时间,然后去除检测力

29、。测量试样表面上所压印痕直径d。根据d可以计算出压痕凹印面积A。布氏硬度值是检测力除以压痕球形表面积A所得的商。单位为9.807N/mm2。压痕大即F/A值小表示钢球压入深,硬度值低；反之则硬度值高。计算公式布氏硬度符号表示为HBS钢球压头,适合测450HBS一下硬度；HBW硬质合金球压头适合测450650HBW硬度。按布氏硬度定义HBSHBWF/A。压痕为一球冠形见图2-2-1压痕面积为：ADh 从图2-2-1看出：将式代入式 则 式是国家标准GB23163金属布氏硬度试验方法中使用的一个公式。从1984年4月发布GB23184金属布氏硬度试验方法标准,并于1986年3月开始实施新标准后,试

30、验条件和计算公式都有所变化。因为在国际单位制中,现行力值计算单位由千克力kgf改为牛顿简称为N。两种单位的换算关系为：kgf.80665N；N.101972kgf0.102kgf。根据国际标准化组织ISO的规定。为了保持原硬度试验中的硬度数值不变,布氏硬度值计算公式为：布氏硬度值式2-2-4表达力值单位为牛顿。表示在特定条件下9.80N/mm2为一布氏硬度单位。因为kgf9.807N,所以试验力改用N 后,公式乘以0.102其结果于原用千克力是相同的。因此,所有原用试验力为千克力单位的技术文件、书刊、手册中的布氏硬度数值仍然是有效的。不因试验力值单位的改变而修改。式2-2-4为GB231-84

31、布氏硬度数值的计算公式。一般硬度检测时均不用以上公式去计算,而是在测得压痕直径后,通过查表得到硬度数值。相似原理及其应用在进行布氏硬度试验时,照常理分析,即用同一钢球对应同一试样,当变换试验力时,凹印面积会有变化,试验力大压痕深,凹印面积大;试验力小压痕浅,凹印面积小,但单位面积上的抗力应是相同的,即布氏硬度值应为常数。对于不同硬软的试样,当变换试验力时应有对应的差值,保证不同材料的可比性。实际上,在硬度检测中试验力于钢球任意变换时,直径的变化于凹印面积的变化在球冠于接近球径处是非线性关系的,对于硬软差异大的试样,压头压入深浅不同其应力状况也是复杂的。所以,上述理想状态不存在。也就是说,在布氏

32、硬度试验中不能任意选择压头于试验力,必须遵守一定的规则,这就提出了相似原理问题。相似原理的应用,在布氏硬度试验方法中是非常重要的,对它应有清楚的认识和理解,才能应用自如和获得较准确以及可比较的数据。对于硬度不同的各种材料,如能采用变换试验力和相应变换压头球径的方法获得统一的压入角见图2-2-2这就可能获得准确的可比的硬度值。但在实际工作中,由于材料的千差万别,不同材料硬度值的变化范围很大,目前还不能实现这一技术要求。因此,进行布氏硬度试验时,为了得到较理想的结果和技术上便于实现的办法,注意选择试验力和球径的合理搭配,控制压入角和压痕直径d在一定范围内变化,就能获得对同一种材料有相同的硬度值；对

33、不同硬度值的材料能获得可比较的硬度值的结果。2图2-2-2压痕相似原理对同一种材料,只要试验力F于钢球直径D的平方之比保持为一常数,则其压入角相同,所测得的结果定会相同,对不同材料所测得的硬度值可以进行比较。则：K=0.102F1/D12=0.102F2/D22=0.102F/D2 K值于K常数的选用K值为试验力F于球径直径D的平方之比。GB231-63金属布氏硬度试验方法中规定的K值为30、10、2.5。修订后的GB231-84中K值增加为30、15、10、5、2.5、1.25、1共7种同时,球径由过去10mm、5mm、2.5mm,增加2mm和1mm共5种。不同K值的增加是为了将不同硬软和厚

34、薄的材料区分的更细些,便于对K值、试验力和球径进行更合理的选择。另一方面这种修订也于SIO国际标准化组织标准中布氏硬度试验方法相一致。根据材料和布氏硬度范围选择F/D2值见表2-2-2。表2-2-2 F/D2值的选择表材料布氏硬度0.102F/D2钢及铸铁1401401030铜及其合金353513013051030轻金属及其合金353580802.5101015铅、锡1.251注：1当试验条件允许时,应尽量选用10mm球； 2当有关标准中没有明确规定时,应使用无括号的0.102F/D2值。在进行布氏硬度检测时,一般在测得压痕直径d后,应查表得到HB硬度值。当d小于钢球直径0.24D或大于0.6

35、D时,从表上不能查得硬度值,这说明钢球直径和检测力得选用不合理,应重新选用。当d小于0.24D时,K值即 F/D2应向增大方向选用；当d小于大于0.6D时,K值应向减小方向选用。笔者认为当小d很接近0.24D或0.6D时,虽能从数值表上查处硬度值,但为获得较准确结果,它应重新选用K值。例如ZG25MnGrNiMo钢,铸态经900加热正火处理,在670回火后,K值用10时,钢球为5mm,检测力为2452250kgf,测得d为1.21mm,查表硬度值为214HBS,此时d为1.21mm相当于钢球直径0.242D,经重新选用K值为30后,钢球直径为10mm,检测力为29.42kN3000kgf,测得

36、D值为4.19mm,经查表为208HBS,此时d为4.19mm相当于0.42D,d值处于0.240.6中间位置,其结果的可比性是较好得。K值现已由3种增到7种,合理选用,可获得较准确测试关系。应用范围及其优缺点由于布氏硬度检测采用的压力大,压头球径大,压痕直径大,它适合具有大晶粒金属材料的硬度测得。例如铸铁及其合金,各种退火、调制处理后以及大多数出厂供货的钢材等。特别是对于较软的金属,如纯铝、铜、锡、锌等及其合金,测定出的硬度是很准确的。此种方法具有高的测量精度,因此复现性和代表性好。它的不足是：操作时间较长,对不同硬软材料试样要选择和更换压头及检测力,压痕测量也稍费时。检测方法和技术条件1.

37、检测应严格遵照GB231-84金属布氏硬度试验方法规定执行。2.检测应在1035温度下进行。对温度有较高要求的试验,应控制在235之内。3.应按表2-2-3中规定选用球径和检测力。4.试样的检测面应是光滑平面,不应有氧化物和外来污物。检测面粗糙度必须保证压痕直径能精确地测量,一般不应低于Ra0.80m。表2-2-3 布氏硬度检测用钢球直径于检测力地关系表硬度符号球直径D/mm0102F/D2检测力F/N或kNHBS10/3000HBS10/1500HBS10/1000HBS10/500HBS10/250HBS10/125HBS10/100HBS5/750HBS5/250HBS5/125HBS5

38、/62.5HBS5/31.25HBS5/25HBS2.5/187.5HBS2.5/62.5HBS2.5/31.25HBS2.5/15.625HBS2.5/7.813HBS2.5/6.25HBS2/120HBS2/40HBS2/20HBS2/10HBS2/5HBS2/4HBS1/30HBS1/10HBS1/5HBS1/2.5HBS1/1.25HBS1/1101010101010105555552.52.52.52.52.52.522222211111130151052.51.251301052.51.251301052.51.251301052.51.251301052.51.25129.42k

39、N14.71 kN9.807 kN4.903 kN2.452 kN1.226 kN980.7N7.355 kN2.452 kN1.226 kN612.9N306.5N245.2N1.839 kN612.9N306.5N153.2N76.61N61.29N1.177 kN392.3N196.1N98.07N49.03N39.23N294.2N98.07N49.03N24.52N12.26N9.807N试样在制备过程中,应尽量避免由于受热及冷却加工等对试样表面硬度的影响。试样厚度至少应为压痕深度的10倍,为了检查压痕深度h是否小于试样厚度的10倍,h可按下式求得：因故 直观检查：如试样背面及边缘出

40、现变形痕迹,检测结果应视为无效。此时应选用直径较小钢球及相应检测力,重新检测。5.施加试验力的时间为28s黑色金属的保持时间为1015s；有色金属为302s；布氏硬度小于35时为602s。6.压痕中心距试样边缘距离不应小于压痕平均直径的2.5倍,两相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的4倍。布氏硬度小于35时,上述距离应分别为压痕直径的3倍和6倍。7.检测后,压痕直径应在0.240.6 D之间。8.应在两相互垂直方向测量压痕直径,压痕两直径最大差不应超过较小直径的2。对各项异性明显的材料,两直径差可不受此限制,但应在有关标准中规定。9.用压痕两直径的算术平均值计算或查表得出布氏硬度值。10.当

41、布氏硬度值大于等于100时,修约至整数；硬度值为10100时,修约至一位小数；硬度值小于10时,修约至两位小数。11.如试样或零件为圆柱面,测得数据需修正。12.结果的表示。符号HBS或HBW之前为硬度值,符号后面按一下顺序用数值表示检测条件：球体直径；检测力；检测力保持时间1015s不标注。例如：120HBS10/1000/30表示用直径为10mm钢球在1000kgf9.80kN检测力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。在查阅文献资料时应注意,国外有用BHNBrinell hardness number的缩写表示布氏硬度符号。2.3维氏硬度检测方法维氏硬度检测法是在1924年由史密斯R

42、.L.Smith和桑德兰德G.E.Sandlnd合作首先提出德。以后由英国维克斯阿姆斯特朗VickersArmstrongs公司在1925年第一个制造出这种硬度计,因而习惯称为维氏硬度检测方法。d2原理维氏硬度检测法氏用面角为136的正四棱锥体金刚石压头,在一定的静检测力作用下压入试样的表面,保持规定时间后,卸除检测力,测量试样表面压痕对角线长度见图2-3-1。并据此计算出压痕凹印面积,维氏硬度是检测力除以压痕表面积所得的商,压痕被视为具有正方形基面并与压头角度相同的理想形状。图2-3-1 检测原理图依据这一原理,按检测力大小的差别,应用三种类型的维氏硬度检测仪,相应有金属维氏硬度试验方法；金

43、属小负荷维氏硬度试验方法；金属显微维氏硬度试验方法三个国家标准。范围、符号和说明标准按三个检测力范围规定了测定金属维氏硬度的方法见表2-3-1。表2-3-1 三种维氏硬度检测力范围检测力范围/N硬度符号 检测名称F49.031.961F49.030.09807F1.961HV5HV0.2HV5HV0.01HV0.2维氏硬度检测小负荷维氏硬度检测显微维氏硬度检测注：标准规定维氏硬度压痕对角线的长度范围为0.0201.400mm；特殊材料或产品的维氏硬度试验应在相关标准中规定符号及说明见表2-3-2。表2-3-2 符号及说明符号说明Fd金刚石压头顶部两相对面夹角136检测力/N两压痕对角线长度d1

44、和d2的算术平均值/mmHV维氏硬度常数检测力/压痕表面积注：维氏硬度用HV表示,符号之前为硬度值,符号之后按如下顺序排列：选择的检测力值,检测力保持时间1015s不标注。如60HV10/30,硬度值为60。检测力为10kgf98.07N,保持时间30s。在查阅文献资料时应注意,国外也有用DPNDPN为diamond pyramid number的缩写；DPH表示维氏硬度；用HM、VPN、HD表示小负荷和显微维氏硬度。 计算公式维氏硬度压痕计算原理图,见图2-3-2。图2-3-2维氏硬度压痕计算原理图据维氏硬度定义公式为： 式中 HV维氏硬度符号； F试验力/N； A角维压痕面积/mm2；常数

45、因为A=4S,所以又因为d22a2,所以故 式中 S角锥凹印一个面之面积/mm2； I印痕凹印每面斜三角形之高/mm；A4S；d压痕对角线长度/mm。将式代入则 当136时 相似原理维氏硬度检测是人们在使用布氏和洛氏检测法的基础上发展起来的。维氏法从压头设计和压头材料的选择上进行了改进,采用正四棱锥金刚石压头,选用一定面角,这时,一定硬度材料的F/D2是一常数。当检测力改变时,压痕的面积A于压痕对角线长度d2车钩正比关系。因此,在维氏硬度检测时对于硬度均匀的材料可以任意选择检测力,其硬度值不变,这是维氏硬度检测法最大的优点。维氏法之所以选择面角为136的角锥体,是为了使维氏硬度和布氏硬度有相近

46、的示值以便进行比较。在布氏检测中,当d0.375D时,检测力对布氏硬度值影响最小。此时钢球的压入角为44,钢球压印的外切交角为136。维氏的压头选用正四棱角锥,并使其四角为136,这样角锥体压头的压入角为44。因为压入角相同,在中低硬度值范围内布氏和维氏两种检测方法对于同一均匀材料会得到相等或相近的硬度值。例如：当硬度值为400以下时,HVHB。这是因为两者检测方法均是以凹印的单位面积上承受抗力的大小来反映硬度值的高低,压入角相同44情况下,同一材料单位面积上的抗力相等。应用及其特点维氏硬度检测方法广泛应用于材料检测和材料科学研究工作中。它能从很软的材料测试到很硬的材料超过3000个单位。国家

47、标准按3个检测力范围在应用上也有区别。1 维氏硬度检测HV5除特别小和薄试样层的样品外,测量范围可覆盖所有金属。和布氏洛氏法比较,它们所获得的压痕不受检测力的影响并具有相似几何形状,对任意性质相同的材料在变换检测力后得到的硬度值是相同或相近的。压痕具有清晰轮廓的正方形,对角线的测量精度高,这对保证硬度经测量精确度有利。维氏法中压痕对角线增长与其压痕面积增加成正比,而布氏硬度压痕d增大大一定程度后,d值变化小面积增大多,这时测量误差对测量结果影响较大。因此,采用对角线长度计量的维氏法较布氏法要精确。与洛氏法比较,它有一个统一的标尺,可适用于较大范围变化的硬度测试,如某一种金属材料,经过各种处理,

48、硬度从低到高变化很大,都可以以一种标尺来反映其硬度变化情况。2 小负荷维氏硬度检测HV0.2HV5小负荷维氏硬度检测,它的原理、计算公式都同于维氏硬度检测。其特点是检测力值介于维氏和显微维氏硬度检测之间。特别适宜于测量钢表面强化层及化学热处理表面层以及各种渗层、渡层等的表面硬度。配合好硬度计所带附件,还可以测量较薄的仪表材料、量规、卡尺测量面、滚刀、小齿轮以及各种刃具等。经测量后的零件,由于压痕很小,外观及使用性能完全不受影响。3 显微维氏硬度检测HV0.01HV0.2显微维氏硬度最早应用于20世纪30年代。经过多年应用和改革,现在已有多种专用金相显微镜式的显微硬度计。这种检测方法除用于产品的

49、工艺检验外,同时在材料科学于工程的研究中也得到了广泛的应用。成为金属学、金相学研究方面最常用的试验方法之一。检测方法和注意事项1检测前的准备1用于进行维氏硬度检测的硬度计和压头应符合GB/T4340.2的规定。2室温一般应控制在1035范围内。对精度要求较高的检测,应控制在235内。2试样1 试样表面应平坦光洁,建议试样表面粗糙度应达到表2-3-3要求。表2-3-3 表面粗糙度要求试样类型表面粗糙度参数最大值Ra/m维氏硬度试样小负荷维氏硬度试样显微维氏硬度试样0.40.20.12 对于小负荷维氏和显微维氏试样建议根据材料种类选择合适的抛光和电解抛光进行表面处理。3试样或检测层厚度至少应为压痕

50、对角向长度的1.5倍。4 负荷和显微维氏检测时,如试样特小或不规则时,应将试样镶嵌或用专用夹具夹持后测试。3.检测方法1 检测力的选择 根据试样硬度、厚薄、大小等情况,应选用表2-3-4示出的检测力进行试样。2 检测加力时间 从加力开始至全部检测力施加完毕的时间应为210s之内。对于小负荷维氏和显微维氏硬度检测,压头下降速度应不大于0.2mm/s。检测力保持时间为1015s。对于特别软的材料保持时间可以延长,但误差应在2s之内。表2-3-4 推荐的维氏硬度检测力分级维氏硬度小负荷维氏硬度试验显微维氏硬度试验硬度符号检测力/N硬度符号检测力/N硬度符号检测力/NHV5HV10HV20HV30HV

51、50HV10049.0398.07196.1294.2490.3980.7HV0.2HV0.3HV0.5HV1HV2HV31.9612.9424.9039.80719.6129.42HV0.01HV0.015HV0.02HV0.025HV0.05HV0.10.098070.14710.19610.24520.49030.9807注：1.维氏硬度试验可使用大于980.7N的检测力；2.显微维氏硬度试验的检测力为推荐值。3 压痕中心至试样边缘距离 钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长度的2.5倍；轻金属、铅、锡及其合金至少应为压痕对角线长度的3倍。两相邻压痕中心之间距离,对于钢、铜及其铜合金至少应为

52、压痕对角线长度的3倍；对于轻金属、铅、锡及其合金至少应为压痕对角线长度的6倍。4 测量压痕两对角线长度之差应不超过对角线平均值的5,如果超过则应在报告中注明。5 在曲面试样上检测,其结果应参照表进行修正。6 在一般情况下,建议对每个试样报出三个点的硬度测试值。试样最小厚度于检测力间关系在维氏硬度检测中,由于检测力范围宽应用上又有它的特点,所以最小厚度和最大检测力的选择非常重要,如在薄试样或覆盖层上测定其硬度,由于覆盖层一般不会很厚,检测力大了,可能打穿或产生底部效应；检测力小了,影响检测精度。因此,强调了解期间关系,并利用计算公式作合理选用,使能得到理想测试结果。1.试样最小厚度计算1根据三角

53、关系,压痕深度h第三章 方法选用和硬度要求3.1硬度检测方法的选用从硬度检测方法分类中可以看出,仅常用的硬度检测法就有好多种。这些方法不仅在原理上有区别,而且在同一种方法中,还有不同的检测力、压头和标尺。如何根据待测材料的种类、工艺状态、几何尺寸和检测要求等待点来选择一种的硬度监测方法和检测条件,使进行硬度检测的首先应予认真考虑。硬度检测方法的正确选用,一般应注意以下原则：1. 根据材料的特点以及其工艺状态,对其硬度的高低估计来选用检测方法。当不能作出大致的估计时,应该按较高的硬度来选择,如洛氏C标尺或维氏法。检测的结果可供进一步正确选择方法参考。常用金属材料的硬度参见表3-1。2. 在选定一

54、种检测法后,如试样的硬度范围、厚度、大小等允许,则应选用较大的检测力进行检测,这有利于减少检测结果的相对误差。如在布氏硬度检测中,在检测条件允许时,应选用10mm钢球,29.421kN3000kgf检测力。在实际应用中,如碳素工具钢、合金工具钢等,对退火后的硬度要求不仅仅是布氏硬度值不大于多少或范围多大,还要求压痕直径不小于多少或范围多大。这实际上就是对检测条件提出了限制和要求。又如：碳素工具钢T8A要求HBS不大于187,同时压痕要求直径不小于4.4mm；合金工具钢CrWMn要求HBS值在255207之间,同时要求压痕直径应在3.84.2mm之间。为满足这一要求,就必须选用10mm钢球和29

55、.42kN检测力。3. 根据试样的厚薄以及吃力工艺,如对较薄的试样或有覆盖层试样,或经强化处理后硬化层深度不同的试样测定硬度时,必须根据试样厚薄,覆盖层或强化层层深厚、材料硬度,选择相适应检测方法和检测力大小。一般情况下,对薄和有覆盖层、强化层的试样,多选用小负荷维氏或表面洛氏、努普氏等检测方法。4. 再实验和材料研究工作中,如欲将试验数据与查得文献资料中的硬度进行比对时,应尽可能选用与资料相同的检测方法,避免因换算引入误差。5. 对于HBS450的金属材料,包括退火、正火、调制钢,各种铸铁以及各种有色金属及其合金包括铝、铜、镁、铅、锌、锡等用布氏硬度检测方法比较合理。因为布氏法有多种检测力和

56、压头选择,压痕直径大,能测出较大范围内金属各组成部分的综合性能,而不易受个别相或局部组织的影响,数据较准确稳定,复现性较好。表3-1 常用金属材料的硬度范围参考表金属种类硬度范围金属种类硬度范围铁灰口铸铁球墨铸铁150280HBS130320HBS有色金属材料铸造铝合金压铸铝合金铸造铜合金压铸铜合金铸造锌合金压铸锌合金45130HBS6090HBS44169HBS85130HBS80770HBS8095HBS可锻铸铁黑心百心120290HBS230HBS耐热铸铁160364HBS钢优质碳素结构钢热轧退火131302HBS187255HBS铸造轴承合金铅基锡基铝基铜基1832HBS2034HBS3540HBS6065HBS合金结构钢187269HBS碳素工具钢退火淬火后187217HBS62HRC合金工具钢交货状态淬火179268HBS4564HRC镍合金退火冷轧90200HBS140300HBS高速工具钢交货状态淬火回火285HBS6366HRC铸造钛合金镁合金硬质合金高比重密度合金210365HBS4695HBS8293.3HRA290310HBS轴承钢制品退火淬火回火170207HBS5866HRC弹簧钢热轧状态