金属硬度指标的实际应用.doc

金属硬度指标的实际应用钢铁研究总院 张久龙 摘要：本文从生产实际出发，探讨了各项硬度指标的应用。指出了产品的设计者应遵循的硬度制定原则；分析了质量测试人员应遵循的测试原则和 解决硬度测试难题的方法。关键词：硬度标准 实际应用Introducing the actual application of the metal hardness standardCentral iron and steel Research Institute 100081Zhang Jiulong Yang zhigangSummary: This article has discussed the applications of every hardness standards in the work fact. And point out the principle of the deviser must keep to. Analysis the principle and method of the quality testing personnel must keep to in the solving the hardness test problem.Key words: hardness standard application1. 引言纵观所有热处理技术书籍，着重探讨硬度指标的应用和解决方案的章节几乎没有。而在各理工大学的教材中，关于硬度的应用，也只是以短短的几张篇幅来介绍硬度标准的基本概念，并没有讲解如何应用。怎样去制定硬度指标；怎样去实现硬度指标的测量；当今的硬度计的发展到了怎样的技术水平。这些问题在热处理这个课题里一直都没有被充分的重视，更没有热处理专家去专门进行研究，并将这几个问题很好地予以解决。在实际工作中，工艺部门负责热处理工艺的编制，而质量检验部门（理化室）负责热处理后的产品硬度的检验。有的时候，工艺编制人员从充分体现材料的热处理结果的角度出发，制定硬度指标。但这种硬度指标的制定往往没有充分考虑产品的实际情况，使得质检人员无法进行检验工作，导致了工作矛盾。怎样解决这一矛盾，这是本文讨论的重点。2. 热处理工艺编制中硬度指标的选择对于产品设计人员和热处理工艺编制工程师来说，要制定合理的硬度指标，首先，必须很好地理解各项硬度标准的准确含义，然后才可能根据热处理工艺及其它的因素来制定硬度指标。2.1 硬度标准的含义及适应范围什么是硬度，简单地说，硬度是指物体抵抗外力对其进行变形的能力。这种抵抗力越强，则硬度值越高，反之，硬度就越低。2.1.1金属硬度标准主要有以下几种*1：l 金属布氏硬度HB采用硬质合金球压头，在一定的载荷（试验力）下，以压入金属的压痕面积来衡量金属的硬度。l 金属洛氏硬度HR采用圆锥金刚石压头，在一定的预载荷（试验力）和工作载荷（试验力）下，以压入金属的压痕深度差来衡量金属的硬度。l 金属维氏硬度HV采用菱形金刚石压头，在一定的载荷（试验力）下，以载荷（试验力）同压痕的对角线的平方的比值来衡量金属的硬度。l 金属努氏硬度HK采用横截面对角线为1：7的菱形金刚石压头，在一定的载荷（试验力）下，以载荷（试验力）同压痕的长对角线的平方的比值来衡量金属的硬度。l 金属里氏硬度HL采用冲击体，冲击金属表面，以距金属表面1mm处的速度之比，来衡量金属的硬度。l 金属肖氏硬度HS采用冲击体，冲击金属表面，以冲击体撞击金属前和撞击后的高度之差，来衡量金属的硬度。2.1.2各种金属硬度适应的范围如果把硬度比做一个由低到高的线段，那么每个硬度指标都有它所对应的范围。见下图硬度值维氏硬度里氏硬度布氏硬度 洛氏硬度如图所示，维氏硬度的适应范围最宽，维氏硬度的定义决定了它能够覆盖了金属所有的硬度范围。布氏硬度主要用在测量较软的金属硬度上，洛氏硬度主要用在较硬的金属的硬度测试上。对于动载荷（试验力）的里氏硬度，其主要适应于中等硬度范围。2.1.3 各种硬度标尺的载荷（试验力）洛氏（含表面洛氏）硬度标尺的载荷（试验力）为：15150kg布氏硬度标尺的载荷（试验力）为：15.63000kg（ISO标准还有更小的载荷（试验力）维氏（含显微维氏及努氏）硬度标尺的载荷（试验力）为：0.001100kg2.2 选择硬度标尺的原则在实际应用中，一般应遵照“宁大勿小”的原则来制定硬度标尺，这个原则包括以下意义：l 载荷（试验力）：宁大勿小l 压头：宁大勿小为什么应该这样选择硬度标尺那？我们知道，载荷（试验力）越大，压入的深度就越大，对样品的表面粗糙度要求就越低；压头尺寸越大，对组织局部的不均匀性的敏感度就越低，反映材料综合硬度指标的真实性就越高。所以，在选择硬度标尺时，应该尽可能地采用大载荷（试验力），同时，应该选择大尺寸的压头。当然，在实际工作中，由于材料的硬度、材料厚度及大小等原因，使得在制定工艺时不可能都采用 “宁大勿小”的原则，而是应该在该原则的基础上，充分考虑多种因素，选择适合的硬度标尺。怎样去解决这些问题，我们将在以下的内容中加以讨论。2.3 材料的成分及热处理工艺对选择硬度标尺的影响我们知道，不同的硬度标尺，适应不同的硬度范围。而金属（这里主要是指Fe-C合金，以下同）经过热加工后的硬度是由金属材料的成分及热处理工艺决定的。不同的碳含量，在相同的热处理工艺下，最终得到的硬度完全不同；相同的碳含量，在不同的热处理工艺下，最终得到的硬度也完全不同。根据金属材料成分及热处理工艺对硬度的影响，推荐选择的硬度标尺，见下表：热处理工艺退火正火淬火+回火表面热处理低碳钢HB30，HRBHB30，HRCHRCHRW，HV中碳钢HRB，HRCHRCHRCHRT，HV高碳钢HRCHRCHRC，HRAHRN，HV高合金中碳钢HRCHRCHRCHRN，HV高合金高碳钢HRCHRC，HRAHRA，HRCHRN，HV铸铁HB30HB30/HV硬质合金HRC，HRAHRA，HRCHRA，HVHV2.4 材料的组织均匀性对选择硬度标尺的影响锻造件的组织均匀性要好于铸造件，宏观硬度也大于铸铁件，所以在选择硬度标尺时，锻造件基本都采用洛氏硬度，而铸造件为了克服组织的不均匀性，通常都采用布氏硬度标尺。当然，如果要测量铸造件的微观组织的硬度，应该采用维氏硬度。这点将在以下的内容中予以叙述。2.5 样品的尺寸对选择硬度标尺的影响样品的尺寸对选择硬度标尺非常重要。一般来说，样品越小，硬度标尺的载荷（试验力）就应该越小。对于非常薄的样品以及表面热处理（包括化学热处理和感应淬火等）的样品，按照硬度标准的规定，样品的最小可测量厚度应该大于压痕深度的8倍。所以，我们在选择硬度标尺的时候，根据被测部位的厚度来选择相应的载荷（试验力），相应的对应表如下：Minimum thickness in millimiters of specimensRockwell Load KpHRC203040506070150.410.330.260.190.140.09300.690.580.470.360.260.17450.910.770.630.500.370.25801.000.900.800.700.600.501501.801.601.401.201.000.80Minimum thickness in millimiters of specimensVickers Load KpHV205010020030040060080010000.20.190.120.090.060.050.040.040.030.0310.430.280.190.140.120.100.080.070.0620.620.390.280.190.160.140.120.100.0951.000.620.440.310.250.220.180.150.14101.400.870.620.430.360.310.250.220.19Minimum thickness in millimiters of specimensBrinell Ball DiamLoad KpHBmm4060801001502003004005002.5187.5HB/302.401.601.200.800.600.4851252.01.31.00.800.53HB 51010008.05.34.03.202.101.60HB 10103000HB/309.606.304.803.202.401.90当然，根据“宁大勿小” 的原则，我们在选择硬度标尺的时候，应根据以上表格来尽可能地选取较大的载荷（试验力）和压头。2.6 样品表面加工余量对选择硬度标尺的影响我们知道，任何硬度计都必须要在样品表面压出压痕。载荷（试验力）越大，压痕越深。对于加工余量少的样品，一般采用载荷（试验力）较小的表面洛氏或维氏硬度标尺。对于加工余量大的毛坯件，一般采用载荷（试验力）较大的布氏硬度标尺。2.7 样品表面粗糙度对选择硬度标尺的影响载荷（试验力）越小的硬度标尺，对样品表面粗糙度的要求就越高，载荷（试验力）越大，对样品表面粗糙度的要求就越低。反过来，如果样品表面的粗糙度较低，我们一般采用较大载荷（试验力）的硬度标尺来测试样品的硬度。2.8 现有硬度计的技术水平对选择硬度标尺的影响上面所述都是理论上的分析，在实际工作中，仅仅从以上分析来决定设计的硬度标尺是远远不够的。有些场合，从理论上来分析，应该采用某种硬度标尺，但是，实际上那是不可行的。原因是硬度计的技术水平无法达到要求。例如：对于直径很小的棒材，如果非要测量其布氏硬度值，那就很不合理。所以，产品设计人员和热处理工艺编制人员，在制定硬度标尺时，必须充分考虑样品的形状及测试部位的条件。硬度标尺的选择是一项复杂的综合知识的判断结果，在实际应用中决不能照搬照抄、死记硬套。应该根据产品的特点及要求，灵活地给出一个可执行的指标，以达到控制产品质量的目的。3. 质量检查中硬度测试硬度测试是热处理工艺的最后一个步骤。它要求检验人员按照图纸设计的要求或者工艺的要求，对经过热处理后的工件的硬度指标进行测试。检测人员在进行硬度测试时，应遵循以下几点要求。3.1 “直接测试”原则“直接测试”是指对于任何一种硬度标尺，应该采用其相应的标准所规定的载荷（试验力）和压头，通过规定的计算方法（包括查表），得到硬度值。在实际应用中，为了保证测试结果的真实性，应尽可能地避免采用换算的方法得到硬度值，不建议采用数据对比的方法来获得所要求的硬度标尺的硬度值。3.2 “多次测试”原则对于每个样品，作为硬度值，应该是一个范围。每次测量都应有一定的偏差。“多次测试”原则就是要求对同一样品，在设计允许的情况下，应尽可能地多测量几个硬度值，以获取它们的平均值。3.3 样品表面的粗糙度要求每种硬度标尺，都有一个最低粗糙度要求。常用的硬度标尺对应的表面粗糙度，见下表：HV0.5HV1HV5HV10HRCHRBHRAHB30HB10HB5Ra0.20.40.60.81.61.60.83.21.61.63.4 根据样品的特点选择硬度计随着科学技术的不断进步，现在的硬度计应用了大量的高新技术。新技术的应用，满足了对各种不同形状和条件的样品进行精确的测试要求，硬度计已经从简单的测试工具发展成为了具有许多功能的过程控制硬度计。同传统的硬度计相比，过程控制硬度计可以解决过去无法解决的硬度测试问题，比如：测试速度更快，体积更小巧，实现测试原理的方法更多，操作更简便，读数更精确和方便等等。对于过去无法测试的各种硬度难题，如：沟槽硬度测试难题、孔内壁硬度测试难题、弯曲薄片硬度测试难题、平衡支撑问题、大型铸件的硬度测试难题、维氏及布氏硬度数显难题等，现代的硬度计都已经能够完全解决。使得过去无法解决的硬度测试都能得以实现。