摘 要: 介紹了金屬努氏硬度試驗方法的特點 , 對新制定的金屬努氏硬度試驗方法國家標準的技術內容作了說明。
GB/T18449.1-2001 金屬努氏硬度試驗第 1 部分 : 試驗方法已由國家質量監督檢驗檢疫總局 2001 年 9 月 15 日批準發布 , 該標準自 2002 年 2 月 1 日起實施。本標準是新制定的國家標準 , 制定本標準的技術負責單位是鋼鐵研究總院 , 本試驗方法標準由全國鋼標準化技術委員會歸口 , 屬于金屬力學性能試驗方法標準技術編制范圍。
努氏硬度試驗是顯微硬度試驗中的一種 , 本試驗方法在很小的試驗力下對材料硬度進行測定 , 輕微的試驗力所產生的壓痕很小 , 壓痕深度很淺。根據這個特點 , 本試驗方法可用于測定尺寸很小的零件硬度 , 例如儀表零件、齒輪、軸尖、細絲等 ; 可測定薄件或薄層的硬度 , 如刃口、鍍層、擴散層等。另一重要用途是測定脆性物體如玻璃、寶石、礦物等材料的硬度 , 并可作為金相學、金屬學和金屬物理方面的研究。為了準確反映上述材料硬度特性 , 對此試驗方法進行標準化十分必要。標準化組織前幾年已建立了本試驗方法標準 , 在金屬努氏硬度試驗方面目前有如下四個標準 :
ISO4545-1993 金屬材料 努氏硬度試驗
ISO4546-1993 金屬材料 努氏硬度計的檢驗
ISO4547-1993 金屬材料 努氏硬度計用標準塊的標定
ISO10250-1994 金屬材料 平面努氏硬度值表
我國新制定金屬努氏硬度試驗標準后 , 與相應的標準均有對應關系 , 在試驗方法方面 ,GB/T18449.1-2001 與 ISO4545-1993 及 ISO10250-1994 等效 ; 在硬度計方面 GB/T18449.2-2001 金屬努氏硬度試驗 第 2 部分 : 硬度計的檢驗與 ISO4546-1993 等同 ; 在標準硬度塊方面 ,GBPT18449.3-2001 金屬努氏硬度試驗 第 3 部分 : 標準硬度塊的標定與 ISO4547-1993 等同 , 這樣就使我國金屬努氏硬度試驗標準全面與相應標準接軌。
1 試驗原理
努氏硬度試驗原理與顯微維氏硬度試驗原理基本相同。即將金剛石壓頭壓入試樣表面 , 保持一定時間后去除試驗力 , 測量壓痕對角線長度。兩種試驗方法的區別是 : 顯微維氏硬度試驗使用正四棱錐體金剛石壓頭 , 而努氏硬度試驗使用菱形錐體金剛石壓頭 ; 顯微維氏硬度值是試驗力除以壓痕表面積所得的商 , 而努氏硬度值是試驗力除以壓痕投影面積所得的商 , 見表 1 。
努氏硬度試驗方法標準中對試驗原理描述如下 : 將頂部兩相對面具有規定角度的菱形錐體金剛石壓頭用試驗力壓入試樣表面 , 經規定保護時間后卸除試驗力 , 測量試樣表面壓痕長對角線的長度。
由于努氏硬度試驗中測量壓痕長對角線長度 , 因而比顯微維氏硬度壓痕測量誤差要小 , 而且在相同試驗力下 , 努氏硬度壓痕比顯微維氏壓痕要淺 , 更適于厚度很薄的材料硬度的測定。此外 , 由于努氏硬度壓頭為菱面錐體 , 壓入試樣后 , 經規定保持時間將試驗力去除后彈性回復主要產生于短對角線方向 , 長對角線方向的彈性回復很微弱 , 可以忽略不計 , 因而可測得無彈性回復影響的顯微硬度 , 故努氏硬度值是依據未經彈性回復的壓痕投影面積計算的 , 這就具有與顯微維氏硬度不同的物理意義。
2 硬度符號
努氏硬度用符號 HK 表示 , 與其他硬度表示順序一樣 , 在 HK 之前是硬度值 , 在 HK 后面有表示試驗力的數值和試驗力保持時間的數值。當試驗力保持時間是常規的 10 ～ 15s 時 , 此表示可以省略 , 如不在此范圍 , 則應表示出來。例如 :640HK0.1 表示努氏硬度值為 640, 所采用的試驗力為 0.9807N0.9807N 是由原單位制 0.1kgf 換算過來的 , 為了使硬度符號簡明直觀 , 力值仍標示以 kgf 為單位的數值 , 即 0.1kgf 。由于試驗力保持時間是 10 ～ 15s, 則上述符號不標注 , 如試驗力保持時間是 20s, 則表示為 640HK0.1/20 。
3 試驗裝置
對于努氏硬度計的要求 , 用單項指標衡量 , 包括對試驗力 , 壓頭 , 壓痕測量裝置的檢查 , 用綜合指標衡量 , 包括對硬度計的重復性誤差和示值誤差的檢查。當檢驗前三項基本功能時 , 稱為直接檢驗法 , 當檢驗后兩項綜合性能時 , 稱為間接檢驗法。間接檢驗法可以獨立對使用中的硬度計定期檢查。
在直接校驗中 , 試驗力 , 壓頭 , 壓痕測量裝置應滿足如下要求 :
3.1試驗力
HK0.1-HK1 的試驗力大誤差為± 1%; 對大于 HK0.01 而小于 HK0.2 的試驗力為± 1.5%; 對小于或等于 HK0.01 的試驗力為± 2.0% 。
對于硬度計工作范圍內所使用的每一個試驗力 表 2 應在接近試驗過程中主軸行程極限不少于兩個位置上測量。
3.2壓頭
本標準引用了 GBPT18449.2-2001 中對努氏硬度壓頭的規定 :
a 壓頭應是具有菱形基面的金剛石棱錐體 , 四個面應拋光且無表面缺陷。
b 壓頭相對棱間α角為 172.5 °± 0.1 ° , β角為 130 °± 0.1 °。
c 金剛石錐體軸線與壓頭柄軸線間的夾角應不超過 0.5 ° , 相對面間任一交線長度應小于 1 μ m 。
3.3壓痕測量裝置
本標準對壓痕測量裝置的要求在 GBPT18449.2-2001 中已有規定 , 即 :
a 壓痕測量裝置應能將壓痕對角線長度估測至± 0.2 μ m 以內 ;
b 測量裝置的大允許誤差為± 1.0% 或 0.4 μ m, 以較大者為準。
3.4硬度計綜合指標
根據 GBPT18449.2-2001 的規定 , 檢查硬度計的標準硬度塊分為三個范圍 :
≤ 225HK
400HK ～ 600HK
>700HK
檢驗硬度計時 , 在每一硬度塊上壓出 5 個壓痕 , 將各對角線值 d1d2 ? d5 按遞增順序排列 , 其重復性誤差用 d5-d1 確定 , 當 d5-d1 小于 0.05d 時 , 表明硬度計合格 ,d=d1+ ? d5/5 。
硬度計的示值誤差用 H-H 確定 , 式中 H=H1+ ? H5/5,H1-H5 是 d1 ～ d5 相對應的硬度值 ,H 是標準塊硬度值 , 努氏硬度計示值誤差應符合表 2 規定。
4試驗方法
試驗方法部分規定了試驗時環境溫度范圍 , 選擇的試驗力級別 , 試樣的支承 , 試驗力的施加及保持時間 , 以及壓痕之間的距離 , 這些規定均與標準 ISO4545 相同。
關于在平面上試驗用的努氏硬度值表 , 標準在 ISO10250 中單獨給出。我國標準是在金屬努氏硬度試驗方法中以附錄 標準的附錄 的形式列出的。其結構內容*相同。
4.1試驗力的施加
與其他硬度試驗方法標準規定一樣 , 努氏硬度試驗中施加試驗力之前 , 試樣應穩固地放置在剛性和經過清潔的支承臺上 , 使得在施加試驗力過程中試樣不產生任何位移。為保證試驗力正確的施加 , 試樣的放置應使試樣表面與壓頭軸線相垂直。為使試驗數據具有可比性 , 施加全部試驗力的時間應不超過 10s, 并控制壓頭下降速度在 15 μ mPs ～ 70 μ mPs 之間。試驗力的保持時間在 10s ～ 15s 之內 , 對于特殊材料 , 可延長試驗力保持時間 , 為保證試驗條件的一致性 , 試驗力保持時間的誤差應在± 2s 之內。
4.2壓痕間距
由于努氏硬度壓頭壓出的是菱形壓痕 , 考慮到壓痕邊緣周圍的應變硬化區尺寸 , 標準中對壓痕間距的規定均以壓痕短對角線的倍數為準 , 標準中規定 , 任一壓痕邊界距試樣邊緣的距離對于鋼、銅及銅合金至少為壓痕短對角線長度的 2.5 倍 ; 對于輕金屬、鉛、錫及合金至少應為壓痕對角線長度的 3 倍。兩相鄰壓
痕之間的距離 , 對于鋼、銅及銅合金至少應為壓痕短對角線的 3 倍 ; 對于輕金屬、鉛、錫及合金至少應為壓痕短對角線長度的 6 倍。
4.3平面努氏硬度值表
在標準的附錄 A 中 , 列出了平面努氏硬度值表 , 本表適用于壓痕長對角線在 0.020 ～ 0.200mm 范圍的試驗。努氏硬度值均按公式 HK=1.451FPd2 計算出。在標準中將努氏硬度計算表單獨列為一個標準 , 即 ISO10250-1994, 考慮到本表與試驗方法有直接關系 , 故在制定本國家標準時 , 將硬度計算表作為 GBPT18449.1 的一部分 , 以標準附錄形式出現。
4.4努氏硬度值的換算與比較
與其他硬度之間的換算一樣 , 目前尚無普遍適用的方法將努氏硬度地換算成其它硬度值 , 這是由于對每種硬度試驗而言硬度值是用特定的原理和計算方法導出的 , 因此硬度本身是一個不確定的物理量。如果必須將努氏硬度換算成其他硬度值 , 則要通過對比試驗建立可靠的換算基礎。
本標準中規定 , 努氏硬度試驗結果的比較應在試驗力相同的條件下進行 , 這與維氏硬度試驗標準規定相同。本規定主要是考慮到試樣的實際情況 , 實際試驗材料往往在表面下不同深度處或某一厚度范圍反映出不同的硬度值 , 用不同試驗力試驗的結果往往有不同程度的差異 , 為使試驗室之間和各種來源的試驗數據具有可比性 , 標準中作了此規定。
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