金属硬度检测方法

金属硬度检测方法
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。这里的洛氏硬度试验又是应用最多的,它被广泛用于产品的检验,据统计,目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计。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。
各种金属硬度计就是根据上述试验方法设计的。下面分别介绍基于各种试验方法的硬度计的原理、特点与应用。
1.布氏硬度计(GB/T231.1—2002)
1.1布氏硬度计原理
对直径为d的硬质合金球压头施加规定的试验力,使压头压入试样表面,经规定的保持时间后,除去试验力,测量试样表面的压痕直径d,布氏硬度用试验力除以压痕表面积的商来计算。

HB =F / S ……………… (1-1)
=F / πdH ……………… (1-2) 式中:F —— 试验力,N; S —— 压痕表面积,mm; d —— 球压头直径,mm; H —— 压痕深度, mm; d —— 压痕直径,mm。 1、2布氏硬度计的特点:
布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好,由于通常采用的是10 mm直径球压头,3000kG试验力,其压痕面积较大,能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值,而不受个别组成相及微小不均匀度的影响,因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。它的试验数据稳定,重现性好,精度高于洛氏,低于维氏。此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。
布氏硬度试验的缺点是压痕较大,成品检验有困难,试验过程比洛氏硬度试验复杂,测量操作和压痕测量都比较费时,并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差,因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验,一般要求由专门的实验员操作。
1.3布氏硬度计的应用
布氏硬度计主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试,锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢,采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测,由于压痕较大,一般不用于成品检测。
1.4布氏硬度试验条件的选择
如同洛氏硬度试验关于标尺的选择一样,布氏硬度试验也要遇到试验条件的选择问题,即试验力F和压头球直径d的选择。这种选择不是任意的,而是要遵循一定的规则,并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配,应用起来比洛氏硬度试验略显复杂。
 布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头,3000kG试验力。这一条件最能体现布氏硬度的特点。但是由于试样材质不同,硬度不同,试样大小,薄厚也不同,一种试验力,一种压头自然不能满足要求。在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循的规则有2个。
1.4.1规则一,要使试验力和球压头直径的平方之比为一个常数。即
F/d2=F1/d12 = F2/d22 =K        …………  (1-3) 这个规则来源于相似律。根据相似律,不同直径的球压头d1 、d2 在不同的试验力F1 、F2作用下压入试样表面,压痕直径d1、d2是不同的,但是只要压入角Ø1、Ø2相同,压痕就具有相似性。这时试验力和压头球直径的平方之比就是一个常数。在这种条件下,采用不同的试验力和不同直径的球压头,在同一试样上测得的硬度值是相同的,在不同的试样上测得的硬度值是可以相互比较的。
试验力与压头球直径平方之比在采用公斤力的旧标准中表示为F/d2,在采用牛顿力的新标准中表示为0.102 F/d2。 1.4.2规则二,试验后要使压痕直径处于以下范围: 0.24d 布氏硬度试验可选择的试验力从3000kG到1kG大约有20个级别。布氏硬度试验可选择的压头直径为Ø10mm、Ø5mm、Ø2.5mm、Ø1mm共4种。
布氏硬度试验可选择的0.102F/d2值为30、15、10、5、2.5、1共6种。
标准GB/T231.1—2002中规定的试验条件如表1-1所示。 表1-1布氏硬度试验条件硬度符号球直径d/mm试验力-压头球直径平方的比率0.102F/d2试验力F/NHBW10/3000HBW10/1500HBW10/1000HBW10/500HBW10/250HBW10/100
HBW5/750HBW5/250HBW5/125HBW5/62.5HBW5/25
HBW2.5/187.5HBW2.5/62.5HBW2.5/31.25HBW2.5/15.625HBW2.5/6.25
HBW1/30HBW1/10HBW1/5HBW1/2.5HBW1/1101010101010
55555
2.52.52.52.52.5
1111130151052.51
301052.51
301052.51
301052.512942014710980749032452980.7
735524521226612.9245.2
1839612.9306.5153.261.29
294.298.0749.0324.529.807 标准GB/T231.1—2002中规定试验力和压头直径平方之比(0.102F/d2)应按材料的种类和硬度范围来选择,如表1-2所示
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