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硬度计-金属硬度检测方法-布氏硬度计

硬度计-金属硬度检测方法-布氏硬度计
  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、维三种试验方法是最长用的,它们是金属硬度检测的主要试验方法。而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)
  = ……………… (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
  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
         …………  (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1、2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 < 0.6D       …………   (1-5)
  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10mm、5mm、2.5mm、1mm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 <140
≥140
10
30
铜及铜合金 <35
35~200
>200
5
10
30
轻金属及合金 35~80

>80
5
10
15
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10mm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
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
  

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