金屬硬度的試驗方法
硬度是評定金屬材料力學(xué)性能zui常用的指標(biāo)之一。硬度的實質(zhì)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(xué)性能zui迅速、、zui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(jìn)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(qiáng)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(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和熱處理工藝條件下性能的差異，因此硬度試驗廣泛應(yīng)用于金屬性能的檢驗、監(jiān)督熱處理工藝質(zhì)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(tài)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(tài)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zui長用的，它們是金屬硬度檢測的主要試驗方法。而洛氏硬度試驗又是應(yīng)用zui多的，它被廣泛用于產(chǎn)品的檢驗，據(jù)統(tǒng)計，目前應(yīng)用中的硬度計70%是洛氏硬度計。另一類試驗方法是動態(tài)試驗法，這類方法試驗力的施加是動態(tài)的和沖擊性的。這里包括肖氏和里氏硬度試驗法。動態(tài)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(jù)上述試驗方法設(shè)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(yīng)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(zhì)合金壓頭施加規(guī)定的試驗力，使壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)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）
= ……………… （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(yōu)點是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直徑球壓頭，3000kg試驗力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)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(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，精度高于洛氏，低于維氏。此外布氏硬度值與抗拉強(qiáng)度值之間存在較好的對應(yīng)關(guān)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(fù)雜，測量操作和壓痕測量都比較費(fèi)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(chǎn)生較大誤差，因此要求操作者具有熟練的試驗技術(shù)和豐富經(jīng)驗，一般要求由專門的實驗員操作。
1.3布氏硬度計的應(yīng)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(yīng)關(guān)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
布氏硬度試驗條件的選擇如同洛氏硬度試驗關(guān)于標(biāo)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(guī)則，并且要注意試驗力和壓頭球直徑的合理搭配，應(yīng)用起來比洛氏硬度試驗略顯復(fù)雜。布氏硬度試驗zui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zui能體現(xiàn)布氏硬度的特點。但是由于試樣材質(zhì)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(guī)則有2個。
1.4.1規(guī)則一，要使試驗力和球壓頭直徑的平方之比為一個常數(shù)。即
………… ?。ǎ保矗?br />
圖1-2布氏硬度壓痕相似原理
這個規(guī)則來源于相似律。根據(jù)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1、2 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(shù)。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(biāo)準(zhǔn)中表示為F/D2，在采用牛頓力的新標(biāo)準(zhǔn)中表示為0.102 F/D2。
1.4.2規(guī)則二，試驗后要使壓痕直徑處于以下范圍：
0.24D < d < 0.6D ………… ?。ǎ保担?br /> 否則試驗結(jié)果是無效的,應(yīng)選擇合適的試驗力重新試驗。人們的大量試驗表明，當(dāng)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(guān)。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10mm、5mm、2.5mm、1mm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(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1—2002中規(guī)定的試驗條件如表1-1所示。
表1-1布氏硬度試驗條件
硬度符號 球直徑D/mm 試驗力－壓頭球直徑平方的比率0.102F/D2 試驗力F/N
HBW10/3000
HBW10/1500
HBW10/1000
HBW10/500
HBW10/250
HBW10/100
HBW5/750
HBW5/250
HBW5/125
HBW5/62.5
HBW5/25
HBW2.5/187.5
HBW2.5/62.5
HBW2.5/31.25
HBW2.5/15.625
HBW2.5/6.25
HBW1/30
HBW1/10
HBW1/5
HBW1/2.5
HBW1/1
10
10
10
10
10
10
5
5
5
5
5
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
1
1
1
1
1
30
15
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1
29420
14710
9807
4903
2452
980.7
7355
2452
1226
612.9
245.2
1839
612.9
306.5
153.2
61.29
294.2
98.07
49.03
24.52
9.807
標(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1—2002中規(guī)定試驗力和壓頭直徑平方之比（0.102F/D2）應(yīng)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
材料 布氏硬度HRW 試驗力-壓頭球直徑平方的比率0.102F/D2
鋼、鎳合金、鈦合金 30
鑄鐵 <140
≥140 10
30
銅及銅合金 <35
35～200
>200 5
10
30
輕金屬及合金 35～80
>80 5
10
15
10
15
鉛、錫 1
1）對于鑄鐵的試驗，壓頭球直徑一般為2.5mm，5mm和10mm
標(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1—2002中規(guī)定，對于鋼只有一種選擇，就是0.102F/D2=30，對于其他材料，根據(jù)其不同的硬度范圍，有2～3種0.102F/D2值可供選擇。
1.4.3布氏硬度試驗條件的選擇過程：
1.4.3.1根據(jù)材料種類和硬度范圍，按表1－2選擇0.102F/D2值，一般較硬的材料選擇較高的0.102F/D2值，較軟的材料選擇較低的0.102F/D2值，鋼鐵材料只選擇0.102F/D2＝30一個值。
1.4.3.2根據(jù)試樣的厚度和大小選擇壓頭直徑D和試驗力F，對于較厚、較大的試樣，應(yīng)盡量選用10mm的壓頭和相應(yīng)的試驗力，因為這樣zui能體現(xiàn)布氏硬度計的特點。對于較薄、較小的試樣，應(yīng)選用較小的壓頭和較小的試驗力。以保證滿足布氏硬度試驗關(guān)于“試樣厚度應(yīng)大于壓痕深度的8倍”的要求。
1.4.3.3完成上述選擇之后應(yīng)進(jìn)行初步試驗，確定壓痕直徑是否滿足0.24D < d < 0.6D。如果滿足這一要求，就可進(jìn)行正式測試，并查表得到布氏硬度值。如果不滿足這一要求，當(dāng)壓痕直徑小于0.24D時，說明壓痕過小，應(yīng)重新選擇大一些的試驗力。當(dāng)壓痕直徑大于0.6D時，說明壓痕過大，應(yīng)重新選擇小一些的試驗力。
1.5布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
由于布氏硬度試驗?zāi)軌蚍从吵鲈嚇虞^大范圍內(nèi)的綜合性能，因此布氏硬度與材料的其他機(jī)械性能關(guān)系密切，尤其是與抗拉強(qiáng)度存在近似的換算關(guān)系：
σb=K·HB ……………… （1-6）
式中：σb—抗拉強(qiáng)度值，MN/m2；
K—常數(shù)，不同材料有不同的數(shù)值。
通過測試布氏硬度可以間接得到材料的抗拉強(qiáng)度。這一點在生產(chǎn)實際中具有重大意義?？梢酝ㄟ^測量硬度的方法得到近似的強(qiáng)度值，這樣既可以提高工作效率，又可以節(jié)省材料。
部分金屬材料的換算關(guān)系如1-3表所示。
材料 布氏硬度值 近似換算關(guān)系
鋼 125～175
＞175 σb≈0.343HB×10MN/m2
σb≈0.363HB×10MN/m2
鑄鋁合金 σb≈0.26HB×10MN/m2
退火黃銅、青銅 σb≈0.55HB×10MN/m2
冷加工后的黃銅、青銅 σb≈0.40HB×10MN/m2
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