金属硬度检测的试验方法

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 2 Abstract 3 第 1 章 引言 4 1 1 金属材料硬度的定义 4 1 2 硬度试验的作用和特点 4 1 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 7 2 1 洛氏硬度检测方法 7 2 1 12 1 1 原理原理 7 7 2 1 22 1 2 符号和计算公式符号和计算公式 7 7 2 1 32 1 3 检测过程及其示意图检测过程及其示意图 8 8 2 1 42 1 4 洛氏硬度标尺及技术参数洛氏硬度标尺及技术参数 8 8 2 1 52 1 5 标尺的应用原则标尺的应用原则 1111 2 1 62 1 6 应用范围及其特点应用范围及其特点 1111 2 1 72 1 7 检测及注意事项检测及注意事项 1212 2 2 布氏硬度检测方法 16 2 2 12 2 1 原理原理 1616 2 2 22 2 2 计算公式计算公式 1616 2 2 32 2 3 相似原理及其应用相似原理及其应用 1717 2 2 42 2 4 K K 值于值于 K K 常数的选用常数的选用 1818 2 2 52 2 5 应用范围及其优缺点应用范围及其优缺点 1919 2 2 62 2 6 检测方法和技术条件检测方法和技术条件 1919 2 3 维氏硬度检测方法 22 2 3 12 3 1 原理原理 2222 2 3 22 3 2 范围 符号和说明范围 符号和说明 2222 2 3 32 3 3 计算公式计算公式 2323 2 3 42 3 4 相似原理相似原理 2424 2 3 52 3 5 应用及其特点应用及其特点 2424 2 3 62 3 6 检测方法和注意事项检测方法和注意事项 2525 2 3 72 3 7 试样最小厚度于检测力间关系试样最小厚度于检测力间关系 2626 第三章 方法选用和硬度要求 28 3 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 32 4 1 硬度计发展现状 32 4 2 现代硬度计量测试的发展趋势 33 4 4 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 5 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 6 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 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 7 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 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 8 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 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 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 R D F0 F1 F h0 h1 e 金刚石圆锥角 120 金刚石圆锥体顶部曲率半径 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 HRA HRC HRD HRB HRE HRF HRG HRH HRK A 标尺洛氏硬度 100 e C 标尺洛氏硬度 100 e D 标尺洛氏硬度 100 e B 标尺洛氏硬度 130 e E 标尺洛氏硬度 130 e F 标尺洛氏硬度 130 e G 标尺洛氏硬度 130 e H 标尺洛氏硬度 130 e 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 9 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 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 10 图 2 1 3 用金刚石圆锥压头试验示意图 HRA HRC HRD 11 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 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 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 12 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 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 A B C D E F G H K HRA HRB HRC HRD HRE HRF HRG HRH HRK 120 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 07 98 07 98 07 98 07 98 07 98 07 98 07 98 07 98 07 490 3N 882 6N 1373N 882 6N 882 6N 490 3N 1373N 490 3N 1373N 588 4N 980 7N 1471N 980 7N 980 7N 588 4N 1471N 588 4N 1471N 20 88HRA 20 100HRB 20 70HRC 40 77HRD 70 100HRE 60 100HRF 30 94HRG 80 100HRH 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 13 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 14 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 80 m 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 15 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 16 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 356 589 51112 51619 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 3 0 2 5 2 0 1 5 1 5 1 0 1 0 0 5 0 5 0 5 3 0 2 5 2 0 2 0 1 5 1 0 1 0 1 0 0 5 0 5 0 5 0 3 0 2 5 2 0 2 0 1 5 1 5 1 0 1 0 1 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 2 5 2 5 2 0 1 5 1 5 1 0 1 0 1 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 0 2 0 2 0 1 5 1 5 1 0 1 0 1 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 0 1 5 1 5 1 5 1 0 1 0 1 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 0 0 1 5 1 0 1 0 1 0 1 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 5 0 5 0 5 0 5 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 356 589 51112 5 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5 0 4 0 3 5 5 0 4 0 3 5 3 0 2 5 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 4 5 4 5 4 0 3 0 3 0 2 5 2 0 1 5 1 5 4 0 3 5 3 0 3 0 2 5 2 0 1 5 1 5 1 0 3 5 3 0 2 5 2 5 2 0 2 0 1 5 1 5 1 0 3 0 2 5 2 5 2 0 2 0 1 5 1 5 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 46 589 51112 552025 55HRC 60HRC 65HRC 6 4 5 8 5 2 3 9 3 6 3 2 3 2 2 9 2 2 2 7 2 4 2 2 2 3 2 1 1 9 2 0 1 8 1 7 1 7 1 5 1 4 1 3 1 2 1 0 1 0 0 9 0 8 e 结果的书写 17 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 18 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 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 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 Dh 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 22 22 22 DDDDd hOBOAAB 22222 1 DDd 2 22 22 F2F D D D Dd D Dd 2 布氏硬度 19 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 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 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 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 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 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 对不同硬度值的材料能获得可比较的硬度值的结果 22 2F 0 102 D D Dd 布氏硬度值 20 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 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 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 140 10 21 14030 铜及其合金 35 35 130 130 5 10 30 轻金属及其合金 35 35 80 80 2 5 1 25 10 5 或 15 10 15 铅 锡1 25 1 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 6D 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 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 10mm 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 22 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 80 m 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 mm0 102F D2检测力 F N 或 kN HBS HBW 10 3000 HBS HBW 10 1500 HBS HBW 10 1000 HBS HBW 10 500 HBS HBW 10 250 HBS HBW 10 125 HBS HBW 10 100 HBS HBW 5 750 HBS HBW 5 250 HBS HBW 5 125 HBS HBW 5 62 5 HBS HBW 5 31 25 HBS HBW 5 25 HBS HBW 2 5 187 5 HBS HBW 2 5 62 5 HBS HBW 2 5 31 25 HBS HBW 2 5 15 625 HBS HBW 2 5 7 813 HBS HBW 2 5 6 25 HBS HBW 2 120 HBS HBW 2 40 HBS HBW 2 20 HBS HBW 2 10 HBS HBW 2 5 HBS HBW 2 4 HBS HBW 1 30 HBS HBW 1 10 HBS HBW 1 5 HBS HBW 1 2 5 HBS HBW 1 1 25 HBS HBW 1 1 10 10 10 10 10 10 10 5 5 5 5 5 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 30 15 10 5 2 5 1 25 1 30 10 5 2 5 1 25 1 30 10 5 2 5 1 25 1 30 10 5 2 5 1 25 1 30 10 5 2 5 1 25 1 29 42kN 14 71 kN 9 807 kN 4 903 kN 2 452 kN 1 226 kN 980 7N 7 355 kN 2 452 kN 1 226 kN 612 9N 306 5N 245 2N 1 839 kN 612 9N 306 5N 153 2N 76 61N 61 29N 1 177 kN 392 3N 196 1N 98 07N 49 03N 39 23N 294 2N 98 07N 49 03N 24 52N 12 26N 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 23 因 故 2 2 5 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 在查阅文献资料时应注意 国外有用 BHN Brinell hardness number 的缩写 表示 布氏硬度符号 0 102F HB Dh 0 102F h D HB A 24 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 d2 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 1 961 F 49 03 0 09807 F 1 961 HV5 HV0 2 HV5 HV0 01 HV0 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 0 020 1 400mm 25 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 F d 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和 d2的算术平均值 mm HV 维氏硬度 常数 检测力 压痕表面积 22 136 2Fsin F 2 0 1020 1891 dd 注 n 11 0 102 g9 80665 常数 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 26 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 2 3 1 0 102F HV A 检测力 常数 压痕表面积 式中 HV 维氏硬度符号 F 试验力 N A 角维压痕面积 mm2 常数 n 11 0 102 g9 80665 2 11 Sa la a 2sin sin 22242 AA A 因为 A 4S 所以 2 Aa sin 2 又因为 d2 2a2 所以 d a 2 故 2 3 2 2 2 d A sind 2sin 222 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 A 4S d 压痕对角线长度 mm 将式 2 3 2 代入 2 3 1 则 2 2 0 102F 2sin 0 102F 2 HV d d 2sin 2 A 当 136 时 2 3 3 22 0 102F 2sin68F HV0 1891 dd A 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 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的 27 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 28 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 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 4 0 2 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 HV10 HV20 HV30 HV50 HV100 49 03 98 07 196 1 294 2 490 3 980 7 HV0 2 HV0 3 HV0 5 HV1 HV2 HV3 1 961 2 942 4 903 9 807 19 61 29 42 HV0 01 HV0 015 HV0 02 HV0 025 HV0 05 HV0 1 0 09807 0