金属硬度检测的试验方法

金属硬度检测的试验方法 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 1 Abstract 2 第1章 引言............................................................. 5 1.1金属材料硬度的定义................................................ 5 1.2硬度试验的作用和特点.............................................. 5 1.3常用硬度试验方法的分类............................................ 6 第二章 金属材料硬度的检测方法 ........................................ 8 2.1 洛氏硬度检测方法 ................................................. 8 2.1.1原理........................................................ 8 2.1.2符号和计算 .............................................. 8 2.1.3检测过程及其示意图 .......................................... 9 2.1.4洛氏硬度标尺及技术参数 ..................................... 12 2.1.5标尺的应用原则 ............................................. 12 2.1.6应用范围及其特点 ........................................... 13 2.1.7检测及注意事项 ............................................. 13 2.2布氏硬度检测方法................................................. 18 2.2.1原理....................................................... 18 2.2.2计算公式 ................................................... 18 2.2.3相似原理及其应用 ........................................... 19 2.2.4 K值于K常数的选用 ......................................... 20 2.2.5应用范围及其优缺点 ......................................... 21 2.2.6检测方法和技术条件 ......................................... 21 2.3维氏硬度检测方法................................................. 24 2.3.1原理....................................................... 24 2.3.2范围、符号和说明 ........................................... 24 2.3.3 计算公式 .................................................. 25 2.3.4相似原理 ................................................... 26 2.3.5应用及其特点 ............................................... 27 2.3.6检测方法和注意事项 ......................................... 28 2.3.7试样最小厚度于检测力间关系 ................................. 29 第三章 方法选用和硬度要求.............................................. 30 3.1硬度检测方法的选用............................................... 30 第四章 金属硬度检测技术现状及其展望.................................... 34 4.1硬度计发展现状................................................... 34 4.2现代硬度计量测试的发展趋势....................................... 35 3 4.3现代硬度计的展望................................................. 35 附录A 部分发达国家有关硬度试验方法号(不是全部) .................. 37 4 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 5 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 (1) 静力试验法 施加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。 (2) 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 (1) 宏观硬度试验法。试验力?49.03N(?5kgf); (2) 小负荷硬度试验方法。试验力1.961N,49.03N(0.2,5kgf); (3) 显微硬度试验法。试验力0.0098N,1.96N(0.001,0.2kgf); (4) 超显微硬度试验法。试验力<0.0098N (<0.001kgf); (5) 纳米级硬度试验法。试验力<50Nn。 3.按试验温度分类 (1) 常温硬度试验法。在室温下进行; (2) 低温硬度试验法。在0?以下某一特定温度下进行; (3) 高温硬度试验法。在室温以上某一特定温度下进行。 6 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。 7 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。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。 2.1.1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F作用下，再加上主检测力F，在总检测力F作用下，将压头压入试样表面。01 之后卸除主检测力，在保留初始检测力F测量压痕深度残余增量e，100(或130)减0 去e值(e值以0.002mm为单位)即洛氏硬度值。 2.1.2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 α 金刚石圆锥角(120?) HRA A标尺洛氏硬度=100-e R 金刚石圆锥体顶部曲率半径/mm HRC C标尺洛氏硬度=100-e D 钢球直径/mm HRD D标尺洛氏硬度=100-e F初始试验力/N HRB B标尺洛氏硬度=130-e 0 F主试验力/N HRE E标尺洛氏硬度=130-e 1 F 总试验力/N HRF F标尺洛氏硬度=130-e h施加主试验力在初始试验力下的压痕深度/mm HRG G标尺洛氏硬度=130-e 0 在主试验力下的压痕深度增量/mm h 取出主试验力后，在初始试验力下的残余压痕深度HRH H标尺洛氏硬度=130-e 1 e 增量，用0.002mm为单位表示 HRK K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 8 (B.E.F.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1471N(150kgf)时，是HRC;如用1.587mm钢球作压头，总检测力为980.7N(100kgf)时，是B标尺HRB。 e是去除检测力后，在初始检测力F的残余压痕深度增量。用金刚石压头，1.471N0 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HRC(A)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。 2.1.3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 9 图2-1-3 用金刚石圆锥压头试验示意图 (HRA、HRC、HRD) 10 图2-1-4 用钢球压头试验示意图 (HRB、HRE、HRF、HRG、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F，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0 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F作用下，压头压入试样深度为h反映硬度的压入00深度是从h这一位置开始计算的。0 2位表示加上主检测力F后，杠杆向下，压头进一步压入试样，此时压入的深度1 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F作用下压头压入深度为h。 11 3位表示卸除主检测力F后，保留初始检测力F时，压头由于试样材料的弹性变10 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F，压头离开样品表面，百分表指针回零，光学洛氏硬度计投影0 11 屏上刻度向下移动至起始位置。 2.1.4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 洛氏硬度标尺及技术参数 洛氏硬度标硬度初始检测力主检测力总检测力压头类型 洛氏硬度范围 尺 符号 F/NF/NF/N 0 1 A HRA 120?金刚石圆锥 98.07 490.3N 588.4N 20,88HRA B HRB 1.5875mm钢球 98.07 882.6N 980.7N 20,100HRB C HRC 120?金刚石圆锥 98.07 1373N 1471N 20,70HRC D HRD 120?金刚石圆锥 98.07 882.6N 980.7N 40,77HRD E HRE 3.175mm钢球 98.07 882.6N 980.7N 70,100HRE F HRF 1.5875mm钢球 98.07 490.3N 588.4N 60,100HRF G HRG 1.5875mm钢球 98.07 1373N 1471N 30,94HRG H HRH 3.175mm钢球 98.07 490.3N 588.4N 80,100HRH K HRK 3.175mm钢球 98.07 1373N 1471N 40,100HRK 2.1.5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HRC,67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HRB,100的材料可用C标尺测定，当HRC,20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。 12 HRF——适用于韧化黄铜、紫铜、一般铝合金等。 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。 2.1.6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。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。 2.1.7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10,35?室温下进行。对精度要求较高时，室温应控制在(23?5)?。 (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。 13 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0.80μm. 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。 14 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2,8s内施加全部主检测力。 (6)应均匀平稳地施加检测力，不得有冲击与振动。 (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1,3s。 对于施加主检测力后随时间缓慢变形的试样，保持时间为6,8s。 对于施加主检测力后随时间明显变形的试样，保持时间为20,25s。 (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当减少。 d)检测结果处理 15 (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) 曲面半径/mm 洛氏硬度值 3 5 6.5 8 9.5 11 12.5 16 19 20 2.5 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 25 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 1.0 1.0 30 2.5 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 35 3.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 40 2.5 2.0 1.5 1.0 1.0 1.0 0.5 0.5 45 3.0 2.0 1.5 1.0 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 50 2.5 2.0 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 55 2.0 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0 60 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 65 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 70 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 75 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 80 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 85 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 90 0.5 0 0 0 0 0 0 0 0 表2-1-4 用1.5875mm钢球压头检测凸圆柱面修正值 (HRB、HRF、HRG) 曲面半径/mm 洛氏硬度值 3 5 6.5 8 9.5 11 12.5 20 4.5 4.0 3.5 3.0 30 5.0 4.5 3.5 3.0 2.5 40 4.5 4.0 3.0 2.5 2.5 50 4.0 3.0 3.0 2.5 2.0 60 5.0 3.5 3.0 2.5 2.0 2.0 70 4.0 3.0 2.5 2.0 2.0 1.5 80 5.0 3.5 2.5 2.0 1.5 1.5 1.5 90 4.0 3.0 2.0 1.5 1.5 1.5 1.0 100 3.5 2.5 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 表2-1-5 凸圆球面洛氏硬度修正值(HRC) 球体直径/mm 洛氏硬度值 4 6.5 8 9.5 11 12.5 5 20 25 55HRC 6.4 3.9 3.2 2.7 2.3 2.0 1.7 1.3 1.0 60HRC 5.8 3.6 2.9 2.4 2.1 1.8 1.5 1.2 0.9 65HRC 5.2 3.2 2.2 2.2 1.9 1.7 1.4 1.0 0.8 e)结果的书写 16 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。 17 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(J.A.Brinell)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。 2.2.1原理 在规定的检测力(F)作用下，将一定直径(D)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。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。 2单位为9.807N/mm。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。 2.2.2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450,650HBW硬度)。 按布氏硬度定义HBS(HBW),F/A。 压痕为一球冠形(见图2-2-1) 压痕面积为:A,πDh (2-2-1) 从图2-2-1看出: (2-2-2) 将式(2-2-2)代入式 (2-2-1) 则 (2-2-3) 式(2-2-3)是国家标准GB231,63《金属布氏硬度试验方法》中使用的一个公式。从 18 22 F2F DDDDd ,,,, 22 布氏硬度,, hOB,,,,,OAAB,,, ,,,, 22,D 22 22222,DD-D,d ,,,, D-Dd, ，， ，， 2 1 22 ,,,dDD ，， 2 1984年4月发布GB231,84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,,.101972kgf?0.102kgf。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,(2-2-4) 2式(2-2-4)表达力值单位为牛顿。表示在特定条件下9.80N/mm为一布氏硬度单位。因为,kgf?9.807N,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。 2.2.3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，2F 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(α)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; 布氏硬度值,，0.102对不同硬度值的材料能获得可比较的硬度值的结果。 19 22 ,D-Dd,D ，， 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。 222则:K=0.102F/D=0.102F/D=0.102F/D 1122 2.2.4 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φ10mm、φ5mm、φ2.5mm，增加φ2mm和φ1mm共5种)。不同K值的增加是为了将不同硬软和厚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。 2根据材料和布氏硬度范围选择F/D值见表2-2-2。 2表2-2-2 F/D值的选择表 2材料 布氏硬度 0.102F/D ,140 10 钢及铸铁 ?140 30 ,35 5 铜及其合金 35,130 10 ,130 30 ,35 2.5(1.25) 轻金属及其合金 35,80 10(5或15) 20 ,80 10(15) 铅、锡 1.25(1) 注:(1)当试验条件允许时，应尽量选用φ10mm球; 2值。 (2)当有关标准中没有明确规定时，应使用无括号的0.102F/D 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0.6D时，从表上不能查得硬度值，这说明钢球直径和检测 2力得选用不合理，应重新选用。当d小于0.24D时，K值(即 F/D)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φ5mm，检测力为2452(250kgf)，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(态接近0.24D)，经重新选用K值为30后，钢球直径为φ10mm，检测力为29.42kN(3000kgf)，测得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0.24,0.6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。 2.2.5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。 2.2.6检测方法和技术条件 1.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10,35?温度下进行。对温度有较高要求的试验，应控制在(23?5)?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Ra0.80μm。 表2-2-3 布氏硬度检测用钢球直径于检测力地关系表 2硬度符号 球直径D/mm 0(102F/D 检测力F/N或kN HBS(HBW)10/3000 10 30 29.42kN 21 HBS(HBW)10/1500 10 15 14.71 kN HBS(HBW)10/1000 10 10 9.807 kN HBS(HBW)10/500 10 5 4.903 kN HBS(HBW)10/250 10 2.5 2.452 kN HBS(HBW)10/125 10 1.25 1.226 kN HBS(HBW)10/100 10 1 980.7N HBS(HBW)5/750 5 30 7.355 kN HBS(HBW)5/250 5 10 2.452 kN HBS(HBW)5/125 5 5 1.226 kN HBS(HBW)5/62.5 5 2.5 612.9N HBS(HBW)5/31.25 5 1.25 306.5N HBS(HBW)5/25 5 1 245.2N HBS(HBW)2.5/187.5 2.5 30 1.839 kN HBS(HBW)2.5/62.5 2.5 10 612.9N HBS(HBW)2.5/31.25 2.5 5 306.5N HBS(HBW)2.5/15.625 2.5 2.5 153.2N HBS(HBW)2.5/7.813 2.5 1.25 76.61N HBS(HBW)2.5/6.25 2.5 1 61.29N HBS(HBW)2/120 2 30 1.177 kN HBS(HBW)2/40 2 10 392.3N HBS(HBW)2/20 2 5 196.1N HBS(HBW)2/10 2 2.5 98.07N HBS(HBW)2/5 2 1.25 49.03N HBS(HBW)2/4 2 1 39.23N HBS(HBW)1/30 1 30 294.2N HBS(HBW)1/10 1 10 98.07N HBS(HBW)1/5 1 5 49.03N HBS(HBW)1/2.5 1 2.5 24.52N HBS(HBW)1/1.25 1 1.25 12.26N HBS(HBW)1/1 1 1 9.807N 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 (2-2-5) 22 0.102F 0.102F ,HB h= ,Dh , DHB 直观检查:如试样背面及边缘出现变形痕迹，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2,8s黑色金属的保持时间为10,15s;有色金属为(30?2)s;布氏硬度小于35时为(60?2)s。 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0.24,0.6 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.当布氏硬度值大于等于100时，修约至整数;硬度值为10,100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(10,15s不标注)。 例如:120HBS10/1000/30表示用直径为10mm钢球在1000kgf(9.80kN)检测力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。 在查阅文献时应注意，国外有用BHN(Brinell hardness number的缩写)表示布氏硬度符号。 23 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.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(Vickers,Armstrongs)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。d 2 2.3.1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。 2.3.2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 F?49.03 ?HV5 维氏硬度检测 1.961?F?49.03 HV0.2,,HV5 小负荷维氏硬度检测 0.09807?F,1.961 HV0.01,,HV0.2 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0.020,1.400mm; 特殊材料或产品的维氏硬度试验应在相关标准中规定 24 符号及说明见表2-3-2。 表2-3-2 符号及说明 符号 说明 α 金刚石压头顶部两相对面夹角(136?) F 检测力/N d 两压痕对角线长度d和d的算术平均值/mm 12 1362FsinHV F2维氏硬度,常数×检测力/压痕表面积, 0.1020.1891，,22dd 11常数=,,0.102注: g9.80665n 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(10,15s不标注)。如60HV10/30，硬度值为60。检测力为10kgf(98.07N)，保持时间30s。 在查阅文献资料时应注意，国外也有用DPN(DPN为diamond pyramid number的缩写);DPH(DPH为diamond pyramid hardness的缩写)表示维氏硬度;用HM、VPN、HD表示小负荷和显微维氏硬度。 2.3.3 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 25 据维氏硬度定义公式为: 检测力0.102F HV,，,常数 (2-3-1) 压痕表面积A 式中 HV——维氏硬度符号; F——试验力/N; 2 A——角维压痕面积/mm; 11,,0.102常数—— g9.80665n 211,,,,,,Salaa/2sin/sin 22242 ,2因为A=4S,所以 Aa/sin,2 d22a,又因为d,2a，所以 2 2d,,,,2故 (2-3-2) A=/sind/2sin,,,222,, 2式中 S——角锥凹印一个面之面积/mm; I——印痕凹印每面斜三角形之高/mm; A——4S; d——压痕对角线长度/mm。 将式(2-3-2)代入(2-3-1) ,0.102F2sin0.102F2则 ,,HV2,d2d/2sin2 0.102F2sin68FHV0.1891,,当α,136?时 (2-3-3) 22dd 2.3.4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α，这 2时，一定硬度材料的F/D是一常数。当检测力改变时，压痕的面积A于压痕对角线长 2度d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的 26 示值以便进行比较。在布氏检测中，当d,0.375D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，HV?HB。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。 2.3.5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(如几个硬度单位)测试到很硬的材料(超过3000个单位)。国家标准按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，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(HV0.2,,HV5, 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(HV0.01,,HV0.2, 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。 27 2.3.6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10,35?范围内。对精度要求较高的检测，应控制在(23?5)?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)/μm 维氏硬度试样 0.4 小负荷维氏硬度试样 0.2 显微维氏硬度试样 0.1 2) 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2,10s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10,15s。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/N HV5 49.03 HV0.2 1.961 HV0.01 0.09807 HV10 98.07 HV0.3 2.942 HV0.015 0.1471 HV20 196.1 HV0.5 4.903 HV0.02 0.1961 HV30 294.2 HV1 9.807 HV0.025 0.2452 HV50 490.3 HV2 19.61 HV0.05 0.4903 HV100 980.7 HV3 29.42 HV0.1 0.9807 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。 28 两相邻压痕中心之间距离，对于钢、铜及其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。 2.3.7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)根据三角关系，压痕深度h, 29 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φ10mm钢球，29.421kN(3000kgf)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255,207之间，同时要求压痕直径应在3.8,4.2mm之间。为满足这一要求，就必须选用φ10mm钢球和29.42kN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HBS<450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 30 布氏法有多种检测力和压头选择，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 灰口铸铁 150,280HBS 铸造铝合金 45,130HBS 球墨铸铁 130,320HBS 压铸铝合金 60,90HBS 铸造铜合金 44,169HBS 铁 可锻 黑心 120,290HBS 压铸铜合金 85,130HBS 铸铁 百心 ?230HBS 铸造锌合金 80,770HBS 耐热铸铁 160,364HBS 压铸锌合金 80,95HBS 优质碳素结热轧 131,302HBS 构钢 退火 187,255HBS 铅基 18,32HBS 有 锡基 20,34HBS 色铸造轴承合金结构钢 187,269HBS 铝基 35,40HBS 金合金 碳素工 退火 187,217HBS 铜基 60,65HBS 属具钢 淬火后 ?62HRC 材合金工 交货状态 179,268HBS 退火 90,200HBS 镍合金 料 钢 具钢 淬火 ?45,64HRC 冷轧 140,300HBS 高速工 交货状态 ?285HBS 铸造钛合金 ?210,365HBS 具钢 淬火回火 ?63,66HRC 镁合金 46,95HBS 硬质合金 ?82,93.3HRA 轴承钢 退火 170,207HBS 高比重(密度)合金 290,310HBS 制品 淬火回火 58,66HRC 热轧状态 ?285,321HBS 变形铝合金 ?190HB 弹簧钢 热处理 ?321HRS 变形铜合金 ?370HV 用洛氏硬度检测法测得的金属材料硬度值与布氏和维氏的结果比较，精度较低，这是因为洛氏法是以测量压痕深度间接反映硬度值的高低，检测点很小，且每一洛氏单位仅为0.002mm深，易于出现误差。但洛氏法方便、迅速，特别适用于钢铁材料的热处理工艺过程和最终产品检测。 对于大型铸件和已组装成整机上的制件，则多用肖氏、里氏和锤击试布氏硬度检测方法。 6.在一些特殊情况下，则可分别选用划痕、锉刀检验和努普、显微硬度等检测方法。 7.在同一系统实验与研究工作中，用同一种材料，由于处理工艺不同，其硬度差异较大，这时一般不宜变换检测方法，为求得统一的标尺比较，可选用维氏硬度检测方法，因为维氏法可以从很低硬度值测至很高硬度值，这样能获得便于比较又不用换算的理想结果。 8.根据零件的尺寸、数量、测试精度要求及热处理工艺不同，应正确选择相应的硬度检测方法。 有关硬度检测方法的选用见表3-2,表3-4。 表3-2 热处理后零件硬度测试方法选用参考(钢铁零件) 热处理类别 硬度测量方法 选用参考 正火和退火 布氏法GB 231-84 一般用GB231。 31 洛氏法GB 230-91 当硬度低于225HBS时，为比较 维氏法GB 4340.1-1999 可用GB 230 B标尺或GB 4340.1。 锤击或弹簧加力或布氏法 大件可用锤击或弹簧加力式或布氏法 洛氏法GB 230-91 一般用GB 230。 布氏法GB 231-84 对调质处理件可用GB 231。 淬火与回火 维氏法GB 4340.1-1999 对薄小件可用GB 4340.1。 调制处理 肖氏法GB 4341-84 对大件可用GB 4341或GB 17394。 锉刀试验法GB 13321-91 对大批量件可用GB 13321 里氏法GB 17394-1998 维氏法GB 4340.1-1999 作有效硬化层深度(DS)测量时用GB 4340.1。 洛氏法GB 230-91 只作表面硬度检测可用GB 1818。 感应淬火与 表面洛氏法GB 1818-94 渗层深度足够时，可用GB 230。 火焰淬火 锉刀试验法GB 13321-91 大批量件可用GB 13321。 肖氏法GB 4341-84 大件可用GB 4341或GB 17394 里氏法GB 17394-1998 维氏法GB 4340.1-1999 作有效硬化层深度(DC)测量时， 表面洛氏法GB 1818-94 应用GB 4340和GB 1818。 渗碳与碳氧 肖氏法GB 4341-84 只作表面硬度时可用GB 230(DC?0.65mm时) 共渗 锉刀试验法GB 13321-91 大批量件可用GB 13321。 里氏法GB 17394-1998 大件可用GB 4341或GB 17394 作渗氮层深度(DN)时，应用4340.1小负荷 维氏法GB 4340.1-1999 维氏法，检测力2.94N(0.3kgf)。 表面洛氏法GB 1818-94 作脆性评级时，用GB4340.1检测力9.807N(kgf)。 渗氮 肖氏法GB 4341-84 只作表面硬度可用GB 1818。 锉刀试验法GB 13321-91 大件用GB 4341或GB 17394。 里氏法GB 17394-1998 大批单件用GB 13321 渗硼、渗铬 维氏法GB 4340.1-1999 一般用GB 4340.1测量， 渗钒 努普法GB 18449.1-2001 检测力为0.490,0.981N(0.05,0.1kgf) 注:DS——表面淬火回火;DC——渗透或碳氮共渗后淬火回火;DC——渗氮 表3-3常用硬度试验方法及其选用参考表(适用钢铁材料) 硬度试验方法 适用范围 布氏硬度试验法 一般用钢球压头测量退火、正火、调质件及铸件的硬度。因为痕大对成品件不宜采GB/T 231-84 用 批量件、成品件及半成品件的硬度检验。 A标尺适于测量高硬度淬火件、较小警报件以及具有中等厚度硬化层零件的表面硬洛氏硬度试验法 度。 GB/T 230-91 B标尺适于用测量硬度较低的退火件、正火件及调质件。C标尺适于测量淬火、回火 后的零件，以及厚硬化零件的表面硬度，对晶粒粗大且组织部均匀的零件不宜采用 表面洛氏硬度试验法 测量薄件、小件的硬度以及具有浅或中等厚度硬化层零件的表面硬度。一般用N标GB/T 230-91 尺。T标尺适于退火、正火薄件 维氏硬度试验法 试验力一般不超过294.2N，主要用于测量具有中等厚度的硬化层试件的表面硬度，GB/T 4340.1-1999 测量小件、薄件以及具有浅硬化层零件的表面硬度，测量表面硬化零件的表层硬度小负荷维氏硬度试验法 梯度或硬化层深度，测量微小件、极薄件的硬度 32 GB/T 4340.1-1999 测量小件、薄件以及具有浅硬化层零件的表面硬度 显微维氏硬度试验法 测量表面硬化零件的表层硬度梯度或硬化层深度 GB/T 4340.1-1999 测量微小件、极薄件或显微组织合金相的硬度 肖氏硬度试验法 主要用于现场大件的检测，如检测各种压辊的硬度 G4341-84 钢铁硬度锉刀试验法 形状复杂零件、大件等的硬度检验。 GB/T 13321-91 批量零件的硬度快速检验。被检面的硬度不应低于40HRC 里氏硬度试验法 大件、组装件、形状较复杂零件的现场硬度检验 GB/T 17394-1998 努普硬度试验法 主要用于测量微小件、极薄件或显微组织的硬度， GB/T 18449.1-2001 以及具有极薄或极硬层、带脆性材料的硬度 超声硬度试验法 大件、组装件、薄件、渗氮件等的现场硬度检验 捶击式布氏试验法 正火、退货或调质处理大件及原材料的现场检验 表3-4有硬化层的零件表面硬度检测方法与检测力选择 有硬化层深度 表面硬度检测方法 /mm 采用标准 检测力/N ?0.1 GB 4340.1-1999 ?9.807 ,0.1,0.2 GB 4340.1-1999 9.807,49.03 GB 4340.1-1999 ,49.03,294.2 ,0.2,0.4 GB 1818(15N或30N) 147.1或294.2 GB 4340.1-1999 ,98.0,490.3 ,0.4,0.6 GB/T 230-91(A标尺) 588.4 ,0.6,0.8 GB/T 230-91(A或C标尺) 588.4或1471.0 ,0.8 GB/T 230-91(C标尺) 1471.0 33 第四章 金属硬度检测技术现状及其展望 4.1硬度计发展现状 硬度计在各种力学试验机种应用最为广泛，产品最多，得到人们广泛的关注。从20世纪80年代开始，随着改革开放形势和科学技术的迅速发展进步，各种硬度计及计量测试技术有很大的进展。由于采用了高灵敏度位移传感器，CCD图像处理系统及激光干涩仪等先进的测量技术，通过与微电子及计算机技术的结合，实现了压痕的自动测量及检测过程自动控制，推出了一批高精度全自动硬度计，达到了极点一体化，为科学技术的发展、产品品质的提高及计量检测工作提供了有力保障。 目前广泛使用的数显洛氏硬度计，HRS-150型等，已采用了高精度光栅位移传感器测量压痕深度，以微电子技术进行程序控制，实现了检测力施加自动化、硬度指示数字化，具有数据采集、计算、显示、打印及各种硬度值间及强度换算等功能。另外如HRD-150型电动洛氏硬度计，这种机型采用了自动对零专用表测量压痕深度，仅仅上升工作台操作即可完成施加预检测力和表针自动对零过程，消除了人工对零误差。该机主轴系统为无摩擦式结构，主检测力的施加、保持、卸除均电器控制达到自动完成一个检测过程。HRSS-150型数显洛氏表面硬度计除距类似以上型号的特点外，他还是具有集洛氏和表面洛氏硬度于一体的新型硬度计。 布氏硬度计除保留有HB-3000型(机械式换向开关，普及型)外，HB-3000B型为电子换向开关，以集成电路程序控制，电机起动、换向和检测力、保持时间全部可预先给定并自动完成。HB-3000A型以液压加卸检测力，用光栅测量压痕深度，数字显示硬度值(不用测量压痕直径)并可打印等。此外如小负荷布、维硬度计的应用，检测力为9.807N(1kgf)、19.614N(2.5kgf)、49.03N(5kgf)、98.07N(10kgf)\294.21N(30kgf), 并配备了φ1mm和φ2mm钢球压头，这为测定薄、软材料的布氏硬度提供了很好的条件。 单臂布氏硬度计HBD-3000型适用于普通布氏硬度计难以胜任的大型工件的检测，被测工件最大高度可达1.3m，可旋转350?进行测量。 维氏硬度计的改进多采用精密机械技术与光电技术结合，采用微机技术控制，通过软件调节光源强弱、检测力保持时间并以LEG显示。特别是显微维氏硬度计如MHV200型整机光、机、电一体化，备有RS232接口与计算机联结，采用CCD图像处理系统实现自动测量。并具有硬度值间、硬度与强度换算显示和结果打印输出等功能。 34 中国计量科学研究院及航天工业总公司204研究所等单位共同研制了全自动国家维氏硬度基准装置，采用CCD图像处理系统，在计算机程序控制下自动调焦，一次对每个压痕进行扫描，连续自动测量，并自动显示、打印出测量结果。其压痕测量准确度达到0.1μm，整机显示值不确定度不大于0.5%。此外，1980年以来，中国计量科学研究院、意大利国家计量机构先后建立起了激光洛氏硬度国家基准装置，采用激光干涉仪自动测量压痕深度，其分辨率可达到0.04μm，整机示值不确定度不大于0.1HR。以上基准机构具有世界先进水平。可见，随着科学技术的进步，必将推出更多全新的、高精度的硬度计产品，为科学技术的发展和国民经济建设服务。 为适应原材料、半成品、大型制件的硬度测量，各种携带式的硬度计也有了很大的发展。特别是里氏硬度计，这种仪器操作简便，测量范围宽，应用广泛，生产量逐渐增大，年产达数千台。肖氏硬度(包括新应用的E型)和超声硬度计也得到相应的发展。 4.2现代硬度计量测试的发展趋势 随着国民经济建设的迅速发展，工业产品的品质和品种及新材料、新工艺的采用，使得硬度计必将有更大的进步。 1. 硬度计的自动测量一直为人们所关注。只有采用先进的测量技术，排除了人员的测量误差，达到客观读书，才能显著地提高测量精确度，提供准确可靠数据。全新的自动测量和机电光一体化的产品是达到世界进步水平的必由之路。 2. 随着产品的规模化和生产流程的自动化，以及更加严格的品质控制要求，在生产过程中的连续专用自动测量系统必将是发展要求的必然趋势，以便达到解决在线测量和一些重要零件全检测的要求，并通过计算机控制和数据分析进行质量控制。 3. 提高硬度计计量检测的准确性和可靠性，除可靠的硬度计产品外，必须使硬度检测化，严格执行相关检测方法标准，以保证检测结果准确可靠。另外，硬度计本身的质量管理，如长期稳定性检定，考核等也是很重要的。 4. 关注硬度计发展趋势和国外高技术产品动态，追综新的检测方法，开展硬度理论基础研究工作，以便保证硬度计量检测工作不断前进跻身世界先进水平。 4.3现代硬度计的展望 目前硬度量值的传递系统如图4-3a所示。国家标准硬度之间依靠相互比对来联系。设想的硬度传递系统如图4-3b，即将来建立国际标准硬度装置后的情况。 35 国际比对 国际标准硬度计 标准硬度块 工作硬度计 国家标准硬度装置 标准硬度块 国家标准硬度计 标准硬度块 工作硬度计 图5-3硬度量值的传递系 36 附录A 部分发达国家有关硬度试验方法标准号(不是全部) 1. 国际标准化组织标准 ISO 6505—1—1999 金属材料布氏硬度试验 第1部分:试验方法 ISO 6505—1—1999 金属材料布氏硬度试验 第2部分:硬度计的检验和校准 ISO 6505—3—1999 金属材料布氏硬度试验 第3部分:硬度块的校准 ISO 6507—1—1999 金属材料维氏硬度试验 第1部分:试验方法 ISO 6507—2—1999 金属材料维氏硬度试验 第2部分:硬度计的校准 ISO 6507—3—1999 金属材料维氏硬度试验 第3部分:硬度块的校准 ISO 6508—1—1999 金属材料洛氏硬度试验 第1部分:试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K标尺) ISO 6508—2—1999 金属材料洛氏硬度试验 第2部分:硬度计的检验和校准 A、B、C、D、E、F、G、H、K标尺) ISO 6508—3—1999 金属材料洛氏硬度试验 第3部分:标准硬度块的校准(A、B、C、D、E、F、G、H、K标尺) ISO 4545—1993 金属材料硬度试验 努氏试验 ISO 4546—1993 金属材料硬度试验 努氏硬度计的检定 ISO 4547—1993 金属材料硬度试验 努氏硬度用标准硬度块的检定 ISO 3738—1—1982 硬质合金洛氏硬度试验(A标尺)第1部分:试验方法 ISO 3738—2—1988 硬质合金洛氏硬度试验(A标尺)第2部分:标准试块的制备和检定 ISO 3738—1983 硬质合金维氏硬度试验 ISO/TR 10108—1989 钢硬度与抗张强度的换算 ISO/4546—1984 钢硬度称掳法 ISO 1024—1989(E)金属材料表面洛氏硬度试验(15N、30N、45N、15T、30T、45T标尺) ISO 4384—1—2000 滑动轴承合金的硬度试验 第1部分:复合材料 ISO 4384—2—1982 滑动轴承合金的硬度试验 第2部分:固体材料 ISO 4498—1—1990 不包括硬质合金的烧结金属材料 表面硬度的测定 第1部分:界面硬度基本均匀的材料 ISO 4498—2—1981 不包括硬质合金的烧结金属材料 表面硬度的测定 第2部分:表面渗碳或渗碳和氮的表面硬化出色金属材料 ISO4507—2000 烧结类材料渗碳或碳氮共渗用显微硬度测试法测定和验证表面硬度深度 ISO 3754—1976 钢火焰或感应淬火硬深度的测定 37 ISO 2639—1982 钢渗碳层和硬化层的有效深度的测定和检验 ISO 642—1979 钢的淬透性末端淬火试验方法 ISO 4970—1979 钢的薄表面总硬化层深度或有效硬化层深度的测定 ISO 3887—1976 钢,非合金和低合金钢脱碳层深度测定 ISO 1024—1989(E)金属覆盖层和其他的覆盖层维氏和努氏显微硬度试验 ISO 10250:—1994 金属材料 硬度试验 在平面商进行测试用的努氏硬度值 2. 美国材料与试验协会标准 ASTM E 10—98 金属材料的布氏硬度测试方法 ASTM E 18—98 金属材料的洛氏硬度和洛氏表面硬度测试方法 ASTM E 92—1982(1997) 金属材料的维氏硬度测试方法 ASTM E 448—82(1997) 金属材料的肖氏硬度测试方法 ASTM E 384—89(1997) 材料的显微硬度测试方法 ASTM E 110—82(1997) 用便携式硬度计测定金属材料压痕硬度的试验方法 ASTM B 647—84 金属材料的布氏硬度测试方法 ASTM C 661—91 金属材料的布氏硬度测试方法 ASTM E 384—89(1997) 金属的硬度换算表“布氏、维氏、洛氏表面硬度和努氏硬度之间的关系” ASTM B 294—1992 硬质合金硬度试验方法 ASTM B 648—1978(94) 用巴氏压痕仪测定铝合金压痕硬度试验方法 ASTM B 724—1983(91) 用新型轻便非卡尺型仪器测定铝合金压痕硬度试验方法 ASTM B 103—1984(96) 金属材料快速压痕硬度试验方法 ASTM B 277—1995 电接触材料的硬度试验方法 ASTM B 647—1988 铝合金韦氏硬度试验方法 3. 英国标准 BS 240—1986(61) 布氏硬度试验和布氏硬度试验机的校验 BS 891—1989 洛氏硬度试验方法和洛氏硬度试验机的校验 BS 427—1990 维氏硬度试验方法和维氏硬度试验机的校验 BS 4175—1989 表面洛氏硬度试验方法和表面洛氏硬度试验机的校验 BS EN 23878—1993 硬质合金 维氏硬度试验 BS 24498—1993 烧结金属材料(布包括硬质合金)表观硬度的测定 基本均匀材料截面硬度 4. 日本工业标准 JIS Z 2243—1992 布氏硬度试验方法 JIS Z 2244—1998 维氏硬度试验方法 38 JIS Z 2245—1992 洛氏硬度试验方法 JIS Z 2246—1992 肖氏硬度试验方法 JIS Z 2251—1998 显微硬度试验方法 JIS Z 2252—1991 高温维氏硬度试验方法 JIS Z 3114—1985 沉积金属硬度试验方法 5. 原苏联标准 гOCT9012—1959 金属布氏硬度试验方法 гOCT9013—1959 金属洛氏硬度试验方法 гOCT23273—1978 金属及合金 用?弹法测定硬度(肖氏硬度法) гOCT22975—1978 金属及合金 小负荷洛氏硬度试验方法(用表面洛氏硬度计) гOCT20017—1974 烧结硬质合金 洛氏硬度试验方法 гOCT22761—1977 金属及合金用静力作用下手提式硬度计测定布氏硬度法 гOCT22762—1977 金属及合金 用球压痕深度法测定硬度 гOCT25172—1982 硬质合金 维氏硬度测定方法 гOCT25172—1983 粉末制品 硬度测定方法 6. 德国标准 DIN ISO 409—1—1987 金属材料 硬度试验 平面试验用维氏硬度值表 第1部分:5,100 HV DIN ISO 409—2—1987 金属材料 硬度试验 平面试验用维氏硬度值表 第2部分:0.7,5 HV DIN ISO 3738—1—1991 硬质合金 洛氏硬度试验(A标尺)第1部分:试验方法 DIN ISO 3878—1991 硬质合金 维氏硬度试验 DIN 50133—1985 金属材料检验 维氏硬度试验HV0.2,HV100 HV 7. 法国标准 NF EN 10003.1—1994 金属材料 布氏硬度试验 第1部分 试验方法 NF EN 10109.1—1994 硬度试验 第1部分:洛氏表面硬度试验方法(15N、30N、45N、15T、30T、45T标尺) NF A 03—253—1972 铝及铝合金、铜及铜合金 维氏硬度试验0.2kgf和120kgf的负荷 NF A 03—820—1981 锌及锌合金 重叠箔和带卷的硬度试验 NF A 95—321—1—1993 粉末合金 烧结金属材料(不包括硬质合金)表观硬度的测定 第1部分:同一截面上硬度基本相同的材料 NF A 95—321—2—1988 粉末合金 烧结金属材料(不包括硬质合金)表观硬度 39 的测定 第2部分:渗碳或碳氮共渗的钢铁材料表面硬化 NF A 95—321—3—1988 粉末合金 烧结金属材料(不包括硬质合金)表观硬度的测定 第3部分:用NF A 95—321—2标准以外的方法处理烧结制品表面硬化 40 参考文献 [1] AM包尔兹迪卡著.金属的高温机械性能试验.孟繁杰译.冶金工业出版社，1957 [2] 热处理手册编委会编.热处理手册(第四分册).机械工业出版社，1978 [3] 力值与计量手册编写组编.力值与计量手册.科学出版社，1978 [4] 魏文光编著.金属的力学性能试验.科学出版社，1980 [5] 戴莲瑾主编.力学计量技术.中国计量出版社，1992 [6] 高汉文，.任颂赞.工厂理化测试手册，上海科学技术文献出版社，1994 [7] 谢存毅.纳米压痕技术在材料科学中的应用.无力杂志，2001年第7期 [8] 王煜明.薄膜和镀层力学性能的无力方法测试.理化检验(吴立分册).上海材料研究所，2002年 第11期 [9] 刘仲全.检验铝材织结构的简易方法.理化检验(物理分册).上海材料研究所，1982年第5期 [10](美)JH韦斯特布鲁克，H康拉德.硬度试验科学及其应用.李承欧等译.中国计量出版社，1987 [11] 全国热处理标准化技术委员会.金属热处理标准应用手册，机械工业出版社，1994 41