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。

图1布氏硬度试验原理

HB =F / S ……………… (1-1)
=F / πDh ……………… (1-2)
=0.102×2F / πDh（D－ ） ……………… （1-3）
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10mm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　　　　　　　　…………　　（１－４）

图1-2布氏硬度压痕相似原理
这个规则来源于相似律。根据相似律，在图１－２中不同直径的球压头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<D
否则试验结果是无效的,应选择合适的试验力重新试验。人们的大量试验表明，当压头直径在 0.24D~0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。
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/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
 

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
表１－２.试验力—压头直径平方之比的选择

材料
布氏硬度

HRW
试验力-压头球直径平方的比率

0.102F/D2

钢、镍合金、钛合金

30

铸铁1）
<140

≥140
10

30

铜及铜合金
<35
5

35~200
10

>200
30

 

轻金属及合金
<35
2.5

 

35~80
5

10

15

>80
10

15

铅、锡

１

１）对于铸铁的试验，压头球直径一般为2.5mm，5mm和10mm。
 

标准GB/T231.1—2002中规定，对于钢只有一种选择，就是0.102F/D2=30，对于其他材料，根据其不同的硬度范围，有2~3种0.102F/D2值可供选择。
1.4.3布氏硬度试验条件的选择过程：
1.4.3.1根据材料种类和硬度范围，按表1－2选择0.102F/D2值，一般较硬的材料选择较高的0.102F/D2值，较软的材料选择较低的0.102F/D2值，钢铁材料只选择0.102F/D2＝30一个值。
1.4.3.2根据试样的厚度和大小选择压头直径D和试验力F，对于较厚、较大的试样，应尽量选用Ø10mm的压头和相应的试验力，因为这样最能体现布氏硬度计的特点。对于较薄、较小的试样，应选用较小的压头和较小的试验力。以保证满足布氏硬度试验关于“试样厚度应大于压痕深度的8倍”的要求。
1.4.3.3完成上述选择之后应进行初步试验，确定压痕直径是否满足0.24D<D<0.6D。如果满足这一要求，就可进行正式测试，并查表得到布氏硬度值。如果不满足这一要求，当压痕直径小于0.24D时，说明压痕过小，应重新选择大一些的试验力。当压痕直径大于0.6D时，说明压痕过大，应重新选择小一些的试验力。

1.5布氏硬度与抗拉强度的关系
由于布氏硬度试验能够反映出试样较大范围内的综合性能，因此布氏硬度与材料的其他机械性能关系密切，尤其是与抗拉强度存在近似的换算关系：
σb=K•HB ……………… (1-6)
式中：σb—抗拉强度值，MN/m2；
K—常数，不同材料有不同的数值。
通过测试布氏硬度可以间接得到材料的抗拉强度。这一点在生产实际中具有重大意义。可以通过测量硬度的方法得到近似的强度值，这样既可以提高工作效率，又可以节省材料。
部分金属材料的换算关系如1－３表所示。

材 料
布氏硬度值
近似换算关系

钢
125~175

＞175
σb≈0.343HB×10MN/m2

σb≈0.363HB×10MN/m2

铸铝合金

σb≈0.26HB×10MN/m2

退火黄铜、青铜

σb≈0.55HB×10MN/m2

冷加工后的黄铜、青铜

σb≈0.40HB×10MN/m2