硬度試驗-鋼材檢驗

硬度試驗1、什么是硬度？金屬的硬度，是金屬材料抵抗局部變形，特別是抵抗塑性變形、壓痕或劃痕的能力，同時也是衡量金屬軟硬程度的判據(jù)。測定金屬材料的硬度能夠給出其軟硬程度的數(shù)量概念。由于金屬表面以不同深處所承受的應(yīng)力和產(chǎn)生的變形程度不同，因此硬度值可以綜合地反映壓痕附件局部體積內(nèi)金屬的彈性、微量塑變強化能力以及大量形變抗力。通常金屬的硬度越高，抵抗塑性變形的能力就越大，亦即產(chǎn)生塑性變形就越困難。此外，硬度與其它力學性能（如抗拉強度、延伸率和斷面收縮率）也有著一定的內(nèi)在聯(lián)系，所以從某種意義上來說，硬度的高低對機械零件或工具的使用性能和使用壽命均具有決定性的意義。總體而言，硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一個力學性能指標，它表示金屬表面上的局部體積內(nèi)抵抗變形的能力

。硬度不是一個簡單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。廣泛用于金屬材料性能檢測、工藝質(zhì)量監(jiān)督和新材料研發(fā)第一節(jié)硬度概述2、硬度分類

（1）劃痕硬度：主要用于比較不同礦物的軟硬程度，方法是選一根一端硬一端軟的棒，將被測材料沿棒劃過，根據(jù)出現(xiàn)劃痕的位置確定被測材料的軟硬。定性地說，硬物體劃出的劃痕長，軟物體劃出的劃痕短。如莫氏硬度。（2）壓入硬度：主要用于金屬材料，方法是用一定的載荷將規(guī)定的壓頭壓入被測材料，以材料表面局部塑性變形的大小比較被測材料的軟硬。

壓入硬度屬于靜力壓入法，靜態(tài)的。由于壓頭、載荷以及載荷持續(xù)時間的不同，壓入硬度有多種，主要是布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等幾種。

（3）回跳硬度：主要用于金屬材料，方法是使一特制的球體從一定高度自由下落沖擊被測材料的試樣，并以試樣在沖擊過程中儲存（繼而釋放）應(yīng)變能的多少（通過小錘的回跳高度測定）確定材料的硬度。

回跳硬度屬于動力壓入法，如肖氏硬度和里氏硬度屬于動力試驗法，試驗力為動態(tài)、具有沖擊性。

3、硬度的特點（1）試驗時應(yīng)力最小，因而無論是塑性材料還是脆性材料均能產(chǎn)生塑性變形。（2）金屬的硬度與強度指標存在一定對應(yīng)關(guān)系，如布氏硬度：

Rm=K*HB

式中：Rm----材料的抗拉強度

HB----布氏硬度

K----系數(shù)退回狀態(tài)的碳素鋼，其K=0.34-0.36；合金調(diào)質(zhì)鋼，其K=0.33-0.35。（3）材料的硬度與其耐磨性、疲勞強度等性能均有一定的關(guān)系。通常，硬度愈高，這些性能愈好。（4）測定金屬的硬度時，由于其局部體積內(nèi)近產(chǎn)生很小的壓痕，并不影響零件的使用，所以這種檢驗方法適合于成品檢驗。（5）設(shè)備簡單，操作迅速方便。第二節(jié)常見硬度的原理與測量一、布氏硬度布氏硬度的工作原理是對一定直徑D的碳化鎢合金球以一定試驗力F壓入試樣表面，經(jīng)過規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，測量被測表面壓痕直徑。布氏硬度值是試驗力除以壓痕球形表面積所得的商。布氏硬度值HBW與試驗力除以壓痕表面積的商成正比。由于壓痕深度測量較困難，將其換算為壓痕直徑的關(guān)系。布氏硬度HB的計算式為：

其中：d—壓痕直徑，mm；h—壓痕深度，mm。布氏硬度試驗原理示意圖只要測出壓痕直徑，即可通過計算或查表求出HB值。布氏硬度表示方法：按照GB/T231.1-2018金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法布氏硬度注意事項：1、2、布氏硬度優(yōu)缺點以及應(yīng)用范圍：

鋼球直徑較大，在金屬材料表面上留下的壓痕也較大，故測得的硬度值比較準確。布氏硬度值和抗拉強度之間有一定的關(guān)系，因此可按布氏硬度值近似確定金屬材料的抗拉強度。

如被試金屬硬度過高，將影響硬度值的準確性，所以布氏硬度試驗一般適于測定布氏硬度值小于650的金屬材料。因此布氏硬度測量法適用于鑄鐵、非鐵合金、各種退火及調(diào)質(zhì)的鋼材，不宜測定太硬、太小、太薄和表面不允許有較大壓痕的試樣或工件。布氏硬度注意事項：3、第二節(jié)常見硬度的原理與測量二、洛氏硬度采用金剛石圓錐體或一定直徑的淬火鋼球作壓頭，壓入金屬材料表面，測量其壓痕深度計算確定硬度的大小，這種方法測量的硬度為洛氏硬度。按照GB/T230.1-2018金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法，洛氏硬度：洛氏硬度是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值的指標，以0.002毫米作為一個硬度單位。在洛氏硬度試驗中采用不同的壓頭和不同的試驗力，會產(chǎn)生不同的組合，對應(yīng)于洛氏硬度不同的標尺。二、洛氏硬度洛氏硬度試驗采用三種試驗力，三種壓頭，它們共有9種組合，對應(yīng)于洛氏硬度的9個標尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。這9個標尺的應(yīng)用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。要根據(jù)實驗材料硬度的不同，選用不同硬度范圍的標尺來表示：HRA60kg載荷金剛石錐壓入器；HRB100kg載荷1/16"直徑鋼球壓頭；HRC150kg載荷金剛石錐壓入器；最常用標尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC標尺用于測試淬火鋼、回火鋼、調(diào)質(zhì)鋼和部分不銹鋼。這是金屬加工行業(yè)應(yīng)用最多的硬度試驗方法。HRB標尺用于測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不銹鋼及較硬的銅合金。HRF標尺用于測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合金。HRA標尺盡管也可用于大多數(shù)黑色金屬，但是實際應(yīng)用上一般只限于測試硬質(zhì)合金和薄硬鋼帶材料。

二、洛氏硬度

表面洛氏硬度試驗采用三種試驗力，兩種壓頭，它們有6種組合，對應(yīng)于表面洛氏硬度的6個標尺。表面洛氏硬度試驗是對洛氏硬度試驗的一種補充，在采用洛氏硬度試驗時，當遇到材料較薄，試樣較小，表面硬化層較淺或測試表面鍍覆層時，就應(yīng)改用表面洛氏硬度試驗。這時采用與洛氏硬度試驗相同的壓頭，采用只有洛氏硬度試驗幾分之一大小的試驗力，就可以在上述試樣上得到有效的硬度試驗結(jié)果。表面洛氏硬度的N標尺適用于類似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD測試的材料；T標尺適用于類似洛氏硬度的HRB、HRF和HRG測試的材料。洛氏硬度計和表面洛氏硬度計的標尺（即不同的壓頭和試驗力組合）通常按材料種類、試樣厚度和硬度范圍三方面的因素來選擇，具體選擇方法敘述如下：按材料種類選擇A標尺多用于測量碳化鎢、硬質(zhì)合金、表面硬化零件等等的硬度；B標尺多用于測量有色金屬、合金及退火鋼等低硬度的零件的硬度；C標尺多用于測量碳鋼、工具鋼及合金鋼等經(jīng)淬火、回火處理的試樣的硬度。按材料選擇并不是一種嚴格的做法。因為每一種材料隨著其所采用的不同的熱處理工藝，其最終硬度不可能相同，因此所適應(yīng)的硬度標尺也不會相同。洛氏硬度注意事項：1、2、3、第二節(jié)常見硬度的原理與測量三、維氏硬度維氏硬度(HV)是以一定的試驗力和相對面夾角為136°的正四棱錐形金剛石壓入器壓入材料表面，保持規(guī)定時間后，測量壓痕對角線長度，用試驗力除以材料壓痕凹坑的表面積的值，單位為N/mm2。按照GB/T4340.1-2024金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法，維氏硬度：

維氏硬度表示方法：維氏硬度計測量范圍寬廣，可以測量工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料（幾個維氏硬度單位）到很硬的材料（3000個維氏硬度單位）都可測量。GB/T4340.1-2024標準，維氏硬度注意事項：1、2、GB/T4340.1-2024標準，維氏硬度注意事項：2、第二節(jié)常見硬度的原理與測量四、里氏硬度按照GB/T17394.1-2014金屬材料里氏硬度試驗第1部分：試驗方法里氏硬度計（LeebHardnessTester）是一種用于測量材料硬度的便攜式儀器。它采用了非破壞性的測試方法，可以快速、準確地對金屬材料的硬度進行評估。里氏硬度計廣泛應(yīng)用于機械制造、金屬加工、航空航天、汽車等領(lǐng)域，為質(zhì)量控制和材料分析提供了重要的參考數(shù)據(jù)。（一）里氏硬度優(yōu)缺點以及應(yīng)用范圍：1、優(yōu)點：便攜性好：里氏硬度計體積小、重量輕，便于攜帶。例如，在野外對大型機械零部件或者建筑結(jié)構(gòu)進行硬度檢測時，可以很方便地將儀器帶到現(xiàn)場操作。操作簡便：其操作相對簡單，對操作人員的專業(yè)要求不是特別高。一般只需要將沖擊裝置垂直地對準被測物體表面，按下測試按鈕就可以進行測量。對被測物體損傷?。阂驗槭菑椥詻_擊，在材料表面留下的壓痕非常小，對于一些表面質(zhì)量要求高或者不允許有較大損傷的材料檢測很合適，如一些精密機械零件或者裝飾性的金屬表面。2、缺點：精度受多種因素影響：測量精度會受到被測材料的表面粗糙度、材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻性、測試時沖擊體的垂直度、材料的彈性模量等因素的影響。例如，如果材料表面很粗糙，可能會導(dǎo)致沖擊體的回彈受到干擾，使測量結(jié)果不準確。需要校準：里氏硬度計需要定期校準，以確保測量的準確性。而且不同的材料可能需要不同的校準方式，這增加了使用的復(fù)雜性。3、應(yīng)用范圍金屬材料檢測：廣泛應(yīng)用于鋼鐵、有色金屬等各種金屬材料的硬度檢測。在機械制造行業(yè)，可以用來檢測機床刀具、模具、齒輪等零部件的硬度。例如，在汽車制造中，對發(fā)動機的曲軸、連桿等部件進行硬度檢測，確保其質(zhì)量符合要求。大型結(jié)構(gòu)件檢測：對于大型的焊接結(jié)構(gòu)、橋梁、壓力容器等結(jié)構(gòu)的硬度檢測也很有用。在建筑行業(yè)，可以對鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁柱等進行硬度監(jiān)測，評估其力學性能和質(zhì)量。（二）里氏硬度注意事項：1、2、（二）里氏硬度注意事項：3、4、（三）里氏硬度標尺的選擇（ASTMA956/A956M）：（三）里氏硬度標尺的選擇（ASTMA956/A956M）：（四）影響里氏硬度測定結(jié)果的主要操作誤差因素1、材料的彈性模量對里氏硬度計測定結(jié)果的影響里氏硬度計的測定除受材料強度的影響外，還要受材料的彈性模量E的影響。由于各種金屬材料化學成分、加工工藝和熱處理狀態(tài)不同，他們的E值也各不相同，所以在測量LD時一定要注意各種被測金屬材料的E值，以免測量結(jié)果有誤。

2、測試前用標準試塊進行校準，符合要求才能進行測試一般的校驗操作，以垂直向下方向在高硬度里氏標塊上均布的測試五次(這五次硬度值應(yīng)不含有粗大誤差值，否則應(yīng)刪除并補足次)。粗大誤差值是對同一試樣進行一組多次等精密測量時出現(xiàn)的因不正常因素造成明顯偏差的誤差。2.1誤差分類及處理誤差在出廠標準之內(nèi)(如±6HL)，硬度計性能良好，可以正常使用；誤差在±12HL以外的，硬度計性能降低太大，應(yīng)送生產(chǎn)廠商修理；誤差在出廠標準和±12HL之間的可以用于上產(chǎn)，但需要對測試值進行修正。2.2誤差值修正校驗誤差在標準和±12HL之間時，在實際應(yīng)用中應(yīng)測試值HL按下式修正后作為硬度值：

HL=HL1*（HL標/HL標測）

HL1為試件測試值；HL標為標塊標準值；HL標測為標塊測試值。3、試件表面粗糙度有些里氏硬度試驗操作人員對粗糙的影響重視不足。在布氏、維氏那樣的靜態(tài)硬度試驗中，粗糙度對示值的影響更多的是因為較大的粗糙度使壓痕邊緣不清晰而造成人眼讀數(shù)不準，那么既然里氏硬度試驗示值是儀器電路自動顯示的，所以表面粗糙度的影響該是較小，這種認識是不準確、不全面的。里氏硬度計由于載荷的變動，示值受粗糙度的影響不但十分明顯且只會偏低。由于事實上并不存在Ra=O的理想表面，而微小R微不足道，因此標準中規(guī)定：D、DC型-Ra<1.6；G型一Ra<6.3；C型-Ra<0.4}。被測試件表面粗糙度大，表面凹凸不平，當沖頭落在試件表面上時，使凸起的部分產(chǎn)生了變形，吸收了沖頭的沖擊能量，從而降低了沖頭回彈速度，使測量值偏小。另外，由于凹凸表面的不規(guī)則性，使沖頭下落時消耗的能量不定，因此各次試驗數(shù)據(jù)的離散性變大。4、測量點的間距

每次對試件進行測量，都會在試件表面形成壓痕，每個壓痕形成后，在壓痕的周圍會形成相應(yīng)的“冷作硬化”，從而使該區(qū)域的硬度值增加，因此新壓痕及其應(yīng)力區(qū)應(yīng)離開這個區(qū)域，否則硬度值就會偏高。由于里氏硬度沖擊裝置沒有精確調(diào)整的壓痕中心定位機構(gòu)，壓痕間距一般要求由操作者目測控制，因此對D型沖擊裝置壓痕最小中心距離為3mm；對C型沖擊裝置壓痕最小中心距離為2mm；對G型沖擊裝置壓痕最小中心距離為4mm。

當壓痕距試件邊緣過近時，會使壓痕靠近邊緣部分產(chǎn)生變形，在沖頭回彈過程中產(chǎn)生分向切速度，使沖頭有效回彈速度VR減小，使測量結(jié)果變小。5、沖頭的沖擊方向因為里氏硬度計是以具有最大沖擊能量的垂直向下方向測得的，與其他方向相比測試值由于重力和摩擦的作用使VA和VR產(chǎn)生相應(yīng)變化使沖擊能量降低，因此其他方向的測試值均需要修正，且方向偏離垂直向下越大，修正的絕對值越大。方向的修正值共分為四檔，分別為對應(yīng)斜向下、水平、斜向上、垂直向上四個方向。相鄰方向差為45°。對同一種沖擊裝置、同一個要修正的方向，試件硬度越低，塑性變形就越大，彈性變形就相對變小，變形修正值的絕對值越大，反之亦然。各種沖擊裝置的方向修正表各不相同。每種沖擊裝置的方向修正值與試件材料的種類無關(guān)。在試驗過程中應(yīng)首選垂直向下測試。備注：6、試件的厚度里氏硬度試驗方法對均勻性能材質(zhì)試樣試驗部位在試驗方向上的厚度要求與布、洛、維氏等靜態(tài)硬度方法對厚度的要求有所不同，里氏硬度試樣對厚度的要求不僅要防止被打穿，還要防止因形狀原因使試樣在受到載荷沖擊時發(fā)生彈性或塑形變形，一旦發(fā)生變形就必然會使回彈速度降低，使測試結(jié)果變小。對于厚壁試件，厚度對測試結(jié)果的影響不是很敏感；而薄壁管，試件的剛性降低，容易吸收沖擊能量產(chǎn)生塑形位置變化和振動，從而使沖頭回彈速度VR降低，造成測量值偏低。7、多次打磨凹坑在多次打磨側(cè)量后，試件表面就會產(chǎn)生凹坑，導(dǎo)致沖頭距離試件的距離增大，因此使VR明顯減小使測量結(jié)果變小。8、系統(tǒng)穩(wěn)定性任何準確、有效的試驗都要求盡可能地避免各種外來的干擾。對于動態(tài)的里氏硬度試驗，系統(tǒng)穩(wěn)定就顯得尤為重要。這里的系統(tǒng)