淺談金屬硬度指標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用

1、淺談金屬硬度指標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用鋼鐵研究總院 張久龍 摘要：本文從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，探討了各項(xiàng)硬度指標(biāo)的應(yīng)用。指出了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者應(yīng)遵循的硬度制定原則；分析了質(zhì)量測(cè)試人員應(yīng)遵循的測(cè)試原則和 解決硬度測(cè)試難題的方法。關(guān)鍵詞：硬度標(biāo)準(zhǔn) 實(shí)際應(yīng)用Introducing the actual application of the metal hardness standardCentral iron and steel Research Institute 100081Zhang Jiulong Yang zhigangSummary: This article has discussed the applica

2、tions 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. 引言縱觀所有熱處理技術(shù)書籍，著重探討硬度指標(biāo)的應(yīng)用和解

3、決方案的章節(jié)幾乎沒(méi)有。而在各理工大學(xué)的教材中，關(guān)于硬度的應(yīng)用，也只是以短短的幾張篇幅來(lái)介紹硬度標(biāo)準(zhǔn)的基本概念，并沒(méi)有講解如何應(yīng)用。怎樣去制定硬度指標(biāo)；怎樣去實(shí)現(xiàn)硬度指標(biāo)的測(cè)量；當(dāng)今的硬度計(jì)的發(fā)展到了怎樣的技術(shù)水平。這些問(wèn)題在熱處理這個(gè)課題里一直都沒(méi)有被充分的重視，更沒(méi)有熱處理專家去專門進(jìn)行研究，并將這幾個(gè)問(wèn)題很好地予以解決。在實(shí)際工作中，工藝部門負(fù)責(zé)熱處理工藝的編制，而質(zhì)量檢驗(yàn)部門（理化室）負(fù)責(zé)熱處理后的產(chǎn)品硬度的檢驗(yàn)。有的時(shí)候，工藝編制人員從充分體現(xiàn)材料的熱處理結(jié)果的角度出發(fā)，制定硬度指標(biāo)。但這種硬度指標(biāo)的制定往往沒(méi)有充分考慮產(chǎn)品的實(shí)際情況，使得質(zhì)檢人員無(wú)法進(jìn)行檢驗(yàn)工作，導(dǎo)致了工作矛盾。怎樣

4、解決這一矛盾，這是本文討論的重點(diǎn)。2. 熱處理工藝編制中硬度指標(biāo)的選擇對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員和熱處理工藝編制工程師來(lái)說(shuō)，要制定合理的硬度指標(biāo)，首先，必須很好地理解各項(xiàng)硬度標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確含義，然后才可能根據(jù)熱處理工藝及其它的因素來(lái)制定硬度指標(biāo)。2.1 硬度標(biāo)準(zhǔn)的含義及適應(yīng)范圍什么是硬度，簡(jiǎn)單地說(shuō)，硬度是指物體抵抗外力對(duì)其進(jìn)行變形的能力。這種抵抗力越強(qiáng)，則硬度值越高，反之，硬度就越低。金屬硬度標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾種*1：l 金屬布氏硬度HB采用硬質(zhì)合金球壓頭，在一定的載荷（試驗(yàn)力）下，以壓入金屬的壓痕面積來(lái)衡量金屬的硬度。l 金屬洛氏硬度HR采用圓錐金剛石壓頭，在一定的預(yù)載荷（試驗(yàn)力）和工作載荷（試驗(yàn)力）下，以

5、壓入金屬的壓痕深度差來(lái)衡量金屬的硬度。l 金屬維氏硬度HV采用菱形金剛石壓頭，在一定的載荷（試驗(yàn)力）下，以載荷（試驗(yàn)力）同壓痕的對(duì)角線的平方的比值來(lái)衡量金屬的硬度。l 金屬努氏硬度HK采用橫截面對(duì)角線為1：7的菱形金剛石壓頭，在一定的載荷（試驗(yàn)力）下，以載荷（試驗(yàn)力）同壓痕的長(zhǎng)對(duì)角線的平方的比值來(lái)衡量金屬的硬度。l 金屬里氏硬度HL采用沖擊體，沖擊金屬表面，以距金屬表面1mm處的速度之比，來(lái)衡量金屬的硬度。l 金屬肖氏硬度HS采用沖擊體，沖擊金屬表面，以沖擊體撞擊金屬前和撞擊后的高度之差，來(lái)衡量金屬的硬度。各種金屬硬度適應(yīng)的范圍如果把硬度比做一個(gè)由低到高的線段，那么每個(gè)硬度指標(biāo)都有它所對(duì)應(yīng)的范

6、圍。見(jiàn)下圖硬度值維氏硬度里氏硬度布氏硬度 洛氏硬度如圖所示，維氏硬度的適應(yīng)范圍最寬，維氏硬度的定義決定了它能夠覆蓋了金屬所有的硬度范圍。布氏硬度主要用在測(cè)量較軟的金屬硬度上，洛氏硬度主要用在較硬的金屬的硬度測(cè)試上。對(duì)于動(dòng)載荷（試驗(yàn)力）的里氏硬度，其主要適應(yīng)于中等硬度范圍。 各種硬度標(biāo)尺的載荷（試驗(yàn)力）洛氏（含表面洛氏）硬度標(biāo)尺的載荷（試驗(yàn)力）為：15150kg布氏硬度標(biāo)尺的載荷（試驗(yàn)力）為：15.63000kg（ISO標(biāo)準(zhǔn)還有更小的載荷（試驗(yàn)力）維氏（含顯微維氏及努氏）硬度標(biāo)尺的載荷（試驗(yàn)力）為：0.001100kg2.2 選擇硬度標(biāo)尺的原則在實(shí)際應(yīng)用中，一般應(yīng)遵照“寧大勿小”的原則來(lái)制定硬度

7、標(biāo)尺，這個(gè)原則包括以下意義：l 載荷（試驗(yàn)力）：寧大勿小l 壓頭：寧大勿小為什么應(yīng)該這樣選擇硬度標(biāo)尺那？我們知道，載荷（試驗(yàn)力）越大，壓入的深度就越大，對(duì)樣品的表面粗糙度要求就越低；壓頭尺寸越大，對(duì)組織局部的不均勻性的敏感度就越低，反映材料綜合硬度指標(biāo)的真實(shí)性就越高。所以，在選擇硬度標(biāo)尺時(shí)，應(yīng)該盡可能地采用大載荷（試驗(yàn)力），同時(shí)，應(yīng)該選擇大尺寸的壓頭。當(dāng)然，在實(shí)際工作中，由于材料的硬度、材料厚度及大小等原因，使得在制定工藝時(shí)不可能都采用 “寧大勿小”的原則，而是應(yīng)該在該原則的基礎(chǔ)上，充分考慮多種因素，選擇適合的硬度標(biāo)尺。怎樣去解決這些問(wèn)題，我們將在以下的內(nèi)容中加以討論。2.3 材料的成分及熱處

8、理工藝對(duì)選擇硬度標(biāo)尺的影響我們知道，不同的硬度標(biāo)尺，適應(yīng)不同的硬度范圍。而金屬（這里主要是指Fe-C合金，以下同）經(jīng)過(guò)熱加工后的硬度是由金屬材料的成分及熱處理工藝決定的。不同的碳含量，在相同的熱處理工藝下，最終得到的硬度完全不同；相同的碳含量，在不同的熱處理工藝下，最終得到的硬度也完全不同。根據(jù)金屬材料成分及熱處理工藝對(duì)硬度的影響，推薦選擇的硬度標(biāo)尺，見(jiàn)下表：熱處理工藝退火正火淬火+回火表面熱處理低碳鋼HB30，HRBHB30，HRCHRCHRW，HV中碳鋼HRB，HRCHRCHRCHRT，HV高碳鋼HRCHRCHRC，HRAHRN，HV高合金中碳鋼HRCHRCHRCHRN，HV高合金高碳鋼H

9、RCHRC，HRAHRA，HRCHRN，HV鑄鐵HB30HB30/HV硬質(zhì)合金HRC，HRAHRA，HRCHRA，HVHV2.4 材料的組織均勻性對(duì)選擇硬度標(biāo)尺的影響鍛造件的組織均勻性要好于鑄造件，宏觀硬度也大于鑄鐵件，所以在選擇硬度標(biāo)尺時(shí)，鍛造件基本都采用洛氏硬度，而鑄造件為了克服組織的不均勻性，通常都采用布氏硬度標(biāo)尺。當(dāng)然，如果要測(cè)量鑄造件的微觀組織的硬度，應(yīng)該采用維氏硬度。這點(diǎn)將在以下的內(nèi)容中予以敘述。2.5 樣品的尺寸對(duì)選擇硬度標(biāo)尺的影響樣品的尺寸對(duì)選擇硬度標(biāo)尺非常重要。一般來(lái)說(shuō)，樣品越小，硬度標(biāo)尺的載荷（試驗(yàn)力）就應(yīng)該越小。對(duì)于非常薄的樣品以及表面熱處理（包括化學(xué)熱處理和感應(yīng)淬火等）

10、的樣品，按照硬度標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，樣品的最小可測(cè)量厚度應(yīng)該大于壓痕深度的8倍。所以，我們?cè)谶x擇硬度標(biāo)尺的時(shí)候，根據(jù)被測(cè)部位的厚度來(lái)選擇相應(yīng)的載荷（試驗(yàn)力），相應(yīng)的對(duì)應(yīng)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 t

11、hickness 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

12、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當(dāng)然，根據(jù)“寧大勿小” 的原則，我們?cè)谶x擇硬度標(biāo)尺的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)以上表格來(lái)盡可能地選取較大的載荷（試驗(yàn)力）和壓頭。2.6 樣品表面加工余量對(duì)選擇硬度標(biāo)尺的影響我們知道，任何硬度計(jì)都必須要在樣品表面壓出壓痕。載荷（試

13、驗(yàn)力）越大，壓痕越深。對(duì)于加工余量少的樣品，一般采用載荷（試驗(yàn)力）較小的表面洛氏或維氏硬度標(biāo)尺。對(duì)于加工余量大的毛坯件，一般采用載荷（試驗(yàn)力）較大的布氏硬度標(biāo)尺。2.7 樣品表面粗糙度對(duì)選擇硬度標(biāo)尺的影響載荷（試驗(yàn)力）越小的硬度標(biāo)尺，對(duì)樣品表面粗糙度的要求就越高，載荷（試驗(yàn)力）越大，對(duì)樣品表面粗糙度的要求就越低。反過(guò)來(lái)，如果樣品表面的粗糙度較低，我們一般采用較大載荷（試驗(yàn)力）的硬度標(biāo)尺來(lái)測(cè)試樣品的硬度。2.8 現(xiàn)有硬度計(jì)的技術(shù)水平對(duì)選擇硬度標(biāo)尺的影響上面所述都是理論上的分析，在實(shí)際工作中，僅僅從以上分析來(lái)決定設(shè)計(jì)的硬度標(biāo)尺是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。有些場(chǎng)合，從理論上來(lái)分析，應(yīng)該采用某種硬度標(biāo)尺，但是，實(shí)際

14、上那是不可行的。原因是硬度計(jì)的技術(shù)水平無(wú)法達(dá)到要求。例如：對(duì)于直徑很小的棒材，如果非要測(cè)量其布氏硬度值，那就很不合理。所以，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員和熱處理工藝編制人員，在制定硬度標(biāo)尺時(shí)，必須充分考慮樣品的形狀及測(cè)試部位的條件。硬度標(biāo)尺的選擇是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合知識(shí)的判斷結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中決不能照搬照抄、死記硬套。應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)及要求，靈活地給出一個(gè)可執(zhí)行的指標(biāo)，以達(dá)到控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。3. 質(zhì)量檢查中硬度測(cè)試硬度測(cè)試是熱處理工藝的最后一個(gè)步驟。它要求檢驗(yàn)人員按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)的要求或者工藝的要求，對(duì)經(jīng)過(guò)熱處理后的工件的硬度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)人員在進(jìn)行硬度測(cè)試時(shí)，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)要求。3.1 “直接測(cè)試”原則“

15、直接測(cè)試”是指對(duì)于任何一種硬度標(biāo)尺，應(yīng)該采用其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的載荷（試驗(yàn)力）和壓頭，通過(guò)規(guī)定的計(jì)算方法（包括查表），得到硬度值。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性，應(yīng)盡可能地避免采用換算的方法得到硬度值，不建議采用數(shù)據(jù)對(duì)比的方法來(lái)獲得所要求的硬度標(biāo)尺的硬度值。3.2 “多次測(cè)試”原則對(duì)于每個(gè)樣品，作為硬度值，應(yīng)該是一個(gè)范圍。每次測(cè)量都應(yīng)有一定的偏差?！岸啻螠y(cè)試”原則就是要求對(duì)同一樣品，在設(shè)計(jì)允許的情況下，應(yīng)盡可能地多測(cè)量幾個(gè)硬度值，以獲取它們的平均值。3.3 樣品表面的粗糙度要求每種硬度標(biāo)尺，都有一個(gè)最低粗糙度要求。常用的硬度標(biāo)尺對(duì)應(yīng)的表面粗糙度，見(jiàn)下表：HV0.5HV1HV5HV10H

16、RCHRBHRAHB30HB10HB5Ra0.20.40.60.81.61.60.83.21.61.63.4 根據(jù)樣品的特點(diǎn)選擇硬度計(jì)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在的硬度計(jì)應(yīng)用了大量的高新技術(shù)。新技術(shù)的應(yīng)用，滿足了對(duì)各種不同形狀和條件的樣品進(jìn)行精確的測(cè)試要求，硬度計(jì)已經(jīng)從簡(jiǎn)單的測(cè)試工具發(fā)展成為了具有許多功能的過(guò)程控制硬度計(jì)。同傳統(tǒng)的硬度計(jì)相比，過(guò)程控制硬度計(jì)可以解決過(guò)去無(wú)法解決的硬度測(cè)試問(wèn)題，比如：測(cè)試速度更快，體積更小巧，實(shí)現(xiàn)測(cè)試原理的方法更多，操作更簡(jiǎn)便，讀數(shù)更精確和方便等等。對(duì)于過(guò)去無(wú)法測(cè)試的各種硬度難題，如：溝槽硬度測(cè)試難題、孔內(nèi)壁硬度測(cè)試難題、彎曲薄片硬度測(cè)試難題、平衡支撐問(wèn)題、大型鑄件的硬度測(cè)試難題、維氏及布氏硬度數(shù)顯難題等，現(xiàn)代的硬度計(jì)都已經(jīng)能夠完全解決。使得過(guò)去無(wú)法解決的硬度測(cè)試都能得以實(shí)現(xiàn)。設(shè)