金属硬度检测的试验方法.doc

1、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

2、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2Abstract3第 1 章 引言 .41.1 金属材料硬度的定义 .41.2 硬度试验的作用和特点 .41.3 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 .72.1 洛氏硬度

3、检测方法 .72.1.1 原理 .72.1.2 符号和计算公式 .72.1.3 检测过程及其示意图 .82.1.4 洛氏硬度标尺及技术参数 .82.1.5 标尺的应用原则 .112.1.6 应用范围及其特点 .112.1.7 检测及注意事项 .122.2 布氏硬度检测方法 .162.2.1 原理 .162.2.2 计算公式 .162.2.3 相似原理及其应用 .172.2.4 K 值于 K 常数的选用 .182.2.5 应用范围及其优缺点 .192.2.6 检测方法和技术条件 .192.3 维氏硬度检测方法 .222.3.1 原理 .222.3.2 范围、符号和说明 .222.3.3 计算公式

4、 .232.3.4 相似原理 .242.3.5 应用及其特点 .242.3.6 检测方法和注意事项 .252.3.7 试样最小厚度于检测力间关系 .26第三章 方法选用和硬度要求 .283.1 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 .324.1 硬度计发展现状 .324.2 现代硬度计量测试的发展趋势 .3344.3 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） .355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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、.03N(5kgf)；(2) 小负荷硬度试验方法。试验力 1.961N49.03N(0.25kgf)；(3) 显微硬度试验法。试验力 0.0098N1.96N(0.0010.2kgf)；(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

11、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

12、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RDF0F1Fh0h1e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

13、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HRAHRCHRDHRBHREHRFHRGHRHHRKA 标尺洛氏硬度=100-eC 标尺洛氏硬度=100-eD 标尺洛氏硬度=100-eB 标尺洛氏硬度=130-eE 标尺洛氏硬度=130-eF 标尺洛氏硬度=130-eG 标尺洛氏硬度=130-eH 标尺洛氏硬度=130-eK 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=

14、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。

15、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）