標題金屬硬度檢測方法

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、維三種試驗方法是應用最廣的，它們是金屬 硬度檢測的主要試驗方法。這里的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的硬質合金球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）
           =0.102×2F / πDh（D－ ）     ………………  （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10mm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
      F/D²=F1/D1² = F2/D2² =K　　　　　　　　…………　�。ǎ保�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Ø1、Ø2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      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Ø10mm、Ø5mm、Ø2.5mm、Ø1mm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

      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